OpenStack設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（一）虛擬化

kviccn 發(fā)布于2019-06-24 17:04 / 665人閱讀

摘要：即使硬件層發(fā)生變化，只要硬件抽象層不變，那么操作系統(tǒng)層將察覺(jué)不到任何的變化。硬件抽象層上的虛擬化是指通過(guò)虛擬硬件抽象層來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)，為客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)呈現(xiàn)出與物理硬件相同或相近的硬件抽象層。

云計(jì)算的一個(gè)核心思想就是在服務(wù)器端提供集中的物理計(jì)算資源，這些計(jì)算資源可以被分解成更小的單位去獨(dú)立地服務(wù)于不同的用戶(hù)，也就是在共享物理資源的同時(shí)，為每個(gè)用戶(hù)提供隔離、安全、可信的虛擬工作環(huán)境，而這一切不可避免地要依賴(lài)于虛擬化技術(shù)。

一、虛擬化技術(shù)的概述

虛擬化技術(shù)對(duì)大家來(lái)說(shuō)都不陌生，比如虛擬內(nèi)存和虛擬服務(wù)器等，為了更好的理解虛擬化我們應(yīng)該首先來(lái)了解一下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。

每一層都向上層提供一個(gè)抽象，并且每一層只需要知道下層抽象的接口，而并不需要了解其內(nèi)部運(yùn)作機(jī)制。例如，操作系統(tǒng)看到的是一個(gè)硬件抽象層，它并不知道硬件中布線(xiàn)和電器特征。即使硬件層發(fā)生變化，只要硬件抽象層不變，那么操作系統(tǒng)層將察覺(jué)不到任何的變化。
這種分層有一定的優(yōu)點(diǎn)。首先，每一層只需要考慮本層的設(shè)計(jì)以及相鄰層間的交互接口，從而大大的降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，提高了軟件的移植性。另外，這樣的設(shè)計(jì)也是給下一層軟件模塊為上一層軟件模塊創(chuàng)造“虛擬世界”提供了條件。
所謂的虛擬化就是有位于下層的軟件模塊，根據(jù)上一層軟件模塊的期待，抽象出一個(gè)虛擬的軟件或硬件接口，使上一層軟件可以直接運(yùn)行在與自己所期待的運(yùn)行環(huán)境完全一致的虛擬環(huán)境上。
虛擬化可以發(fā)生在上圖中的每一個(gè)層次上，硬件的虛擬化，操作系統(tǒng)的虛擬化等等，但是對(duì)于IaaS（基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)）的云計(jì)算，更關(guān)心的是硬件抽象層上的虛擬化。硬件抽象層上的虛擬化是指通過(guò)虛擬硬件抽象層來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)，為客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)呈現(xiàn)出與物理硬件相同或相近的硬件抽象層。

如上圖所示，系統(tǒng)虛擬化在硬件和操作系統(tǒng)之間引入了一個(gè)虛擬化層，虛擬化層提供一個(gè)操作系統(tǒng)期望的接口，統(tǒng)一處理操作系統(tǒng)的請(qǐng)求，使得操作系統(tǒng)層感覺(jué)不到虛擬化層的存在，任然認(rèn)為自己在享有整個(gè)硬件。每個(gè)虛擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（虛擬機(jī)）都擁有自己的虛擬硬件，并提供一個(gè)獨(dú)立的虛擬運(yùn)行環(huán)境，通過(guò)虛擬機(jī)監(jiān)控器（VMM）的模擬，虛擬機(jī)中的操作系統(tǒng)認(rèn)為自己仍然是獨(dú)占一個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行。

二、虛擬化實(shí)現(xiàn)方式 1、按照實(shí)現(xiàn)方式分

按照實(shí)現(xiàn)方式虛擬化可以分為兩種：

VMM直接運(yùn)行在硬件平臺(tái)上，控制所有硬件并管理客戶(hù)操作系統(tǒng)?？蛻?hù)操作系統(tǒng)運(yùn)行在比VMM更高的級(jí)別上，Xen就是采用的這個(gè)模型。

VMM運(yùn)行在一個(gè)傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)里（第一層軟件），可以看做是第二層軟件，而客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)則是第三層了。KVM和VirtualBox就是這種實(shí)現(xiàn)。

2、按照VMM所提供的虛擬平臺(tái)類(lèi)型分：

按照VMM所提供的虛擬平臺(tái)類(lèi)型可以分為兩類(lèi)

（1）完全虛擬化

VMM虛擬的是現(xiàn)實(shí)存在的平臺(tái)，并且在客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)看來(lái)，虛擬平臺(tái)和現(xiàn)實(shí)平臺(tái)是一樣的，客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)感覺(jué)不到運(yùn)行在一個(gè)虛擬平臺(tái)上，現(xiàn)有的操作系統(tǒng)無(wú)需進(jìn)行任何修改就可以在這樣的虛擬平臺(tái)上運(yùn)行，因此這種方式被稱(chēng)為完全虛擬化。
完全虛擬化中，VMM需要能夠正確處理客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)所有可能的行為，或者說(shuō)正確處理所有可能的指令，完全虛擬化經(jīng)歷了兩個(gè)階段：軟件輔助的完全虛擬化與硬件輔助的完全虛擬化。
在x86虛擬技術(shù)的早期，x86體系中沒(méi)有在硬件層次對(duì)虛擬化提供支持，因此完全虛擬只能靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，典型的做法就是優(yōu)先級(jí)壓縮和二進(jìn)制代碼翻譯相結(jié)合。
優(yōu)先級(jí)壓縮的原理是：將VMM和客戶(hù)機(jī)的優(yōu)先級(jí)放到同一個(gè)CPU中來(lái)運(yùn)行，對(duì)應(yīng)于x86架構(gòu)，通常VMM在ring0，客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)內(nèi)核在ring1，客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)應(yīng)用程序在ring3。當(dāng)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)內(nèi)核執(zhí)行特權(quán)指令時(shí)，由于處在非特權(quán)的ring1，通常會(huì)觸發(fā)異常，VMM截獲后就可以進(jìn)行特權(quán)指令的虛擬化。但是x86指令體系結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)之初并沒(méi)有考慮到虛擬化，一小部分特權(quán)指令在ring1中沒(méi)有觸發(fā)異常，VMM也就不能進(jìn)行截獲進(jìn)行虛擬化，所以就需要用二進(jìn)制代碼翻譯來(lái)處理這些不友好的指令。
二進(jìn)制代碼翻譯的原理：VMM通常會(huì)對(duì)操作系統(tǒng)的二進(jìn)制代碼進(jìn)行掃描，一旦發(fā)現(xiàn)虛擬化不友好的指令，就將其替換成支持虛擬化的指令塊。
Intel的VTx技術(shù)是硬件輔助虛擬化的代表。VTx技術(shù)在處理器上引入了一個(gè)新的執(zhí)行模式用于運(yùn)行虛擬機(jī)。當(dāng)虛擬機(jī)運(yùn)行在這個(gè)特殊模式中時(shí)，他仍然面對(duì)一套完整的處理器寄存器和執(zhí)行環(huán)境，只是任何特權(quán)操作都會(huì)被處理器截獲并報(bào)告給VMM。VMM本省就運(yùn)行在正常模式下，在接收到處理器的報(bào)告后，通過(guò)對(duì)目標(biāo)指令的解碼，找到相應(yīng)的虛擬化模塊進(jìn)行模擬，并把最終的效果反映在特殊的環(huán)境中。

（2）類(lèi)虛擬化

類(lèi)虛擬化虛擬出的平臺(tái)在現(xiàn)實(shí)中是不存在的，而是經(jīng)過(guò)VMM重新定義的。這樣的虛擬平臺(tái)需要對(duì)所運(yùn)行的客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)進(jìn)行或多或少的修改使之能夠適應(yīng)虛擬環(huán)境，客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)也就知道自己運(yùn)行在虛擬平臺(tái)上，并且會(huì)主動(dòng)去適應(yīng)。
類(lèi)虛擬化是通過(guò)在源代碼級(jí)別修改指令以回避虛擬漏洞的方式來(lái)使VMM能夠?qū)ξ锢碣Y源實(shí)現(xiàn)虛擬化。對(duì)于x86中難以虛擬化的指令，類(lèi)虛擬化采取的方式是修改操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼，使得操作系統(tǒng)內(nèi)核完全避免這些難以虛擬化的指令。

三、虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移

動(dòng)態(tài)遷移是虛擬化特有的新特性，它將虛擬機(jī)從一個(gè)物理機(jī)快速遷移到另一個(gè)物理機(jī)，但是虛擬機(jī)里面的程序和網(wǎng)絡(luò)都保持連接。從用戶(hù)的角度來(lái)看，動(dòng)態(tài)遷移對(duì)虛擬機(jī)的可用性沒(méi)有任何影響，用戶(hù)不會(huì)察覺(jué)任何的服務(wù)被中斷。
動(dòng)態(tài)遷移實(shí)現(xiàn)的方法是在目的服務(wù)器上建立一臺(tái)同樣配置的新虛擬機(jī)，然后不斷地在兩個(gè)虛擬機(jī)之間同步各種內(nèi)部狀態(tài)，比如內(nèi)存、外設(shè)、CPU等。等狀態(tài)同步完成后，關(guān)掉老的虛擬機(jī)，啟動(dòng)新的虛擬機(jī)。

原文鏈接： http://blog.csdn.net/xingjiarong/article/details/50542523

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