Vmware與虛擬化技術(shù)

Vmware與虛擬化技術(shù)previewVmware的I/O虛擬化

Vmware

的CPU虛擬化

Vmware內(nèi)存虛擬化

Vmware簡(jiǎn)介

虛擬化技術(shù)概述

CompanyLogoVmm簡(jiǎn)介Vmm就是虛擬機(jī)監(jiān)視器（VirtualMachineMonitor），它是建立在虛擬機(jī)和硬件中間的一層監(jiān)控軟件，負(fù)責(zé)對(duì)硬件資源以及各個(gè)虛擬機(jī)之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，分配和管理。CompanyLogoVmm的發(fā)展歷程2005年1990年代1980－1990年代1960年代虛擬化技術(shù)重新流行發(fā)掘vmm新特性硬件價(jià)格降低，vmm不受重視vmm產(chǎn)生，復(fù)用硬件資源CompanyLogoVMM的特性1所有在VMM上運(yùn)行的程序必須像在原始硬件上運(yùn)行的效果一樣，要高效2大多數(shù)的指令必須直接在真實(shí)的處理器上運(yùn)行，而不需要解釋每條指令3VMM必須完全控制硬件，任何VM不能穿越VMM直接控制硬件CompanyLogoVMM三種模型根據(jù)VMM在物理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)位置不同，主要分為三種監(jiān)控模式：就是說VMM完全安裝在裸機(jī)上，擁有最高控制權(quán)，客戶os處于低特權(quán)級(jí)別，VMM可以干涉客戶os的任何行為。主機(jī)模式：虛擬機(jī)安裝在主機(jī)os上，這樣不用修改原來的操作系統(tǒng)，并且主機(jī)os可以提供良好的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，但是這種方式性能比較低下。比如vmware就是使用了主機(jī)模式?；旌夏Ｊ剑航Y(jié)合了以上兩種模式的好處，性能比主機(jī)模式好，也可以利用原有os

的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，比如XEN就是混合模式的虛擬機(jī)的例子。CompanyLogo虛擬化技術(shù)分類虛擬化技術(shù)主要分為完全虛擬化和半虛擬化。完全虛擬化方法：不需要修改客戶os，可以同時(shí)支持不同的os。完全虛擬化方法的代表是vmware?，F(xiàn)在Inter的Vanderpool技術(shù)，AMD的Pacifica技術(shù)已經(jīng)對(duì)完全虛擬化方法提供硬件支持。半虛擬化方法：需要修改客戶os來適應(yīng)新的體系結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生對(duì)現(xiàn)有os

的兼容問題，不過由于半虛擬化方法可以修改客戶機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，這樣總體性能還是可以提高。半虛擬化方法的代表是XEN。CompanyLogoVmware簡(jiǎn)介VMWare是一款很流行的運(yùn)行在IA-32平臺(tái)上的虛擬機(jī)軟件。其特點(diǎn)如下：vmm模型：屬于主機(jī)os模型，Vmware的虛擬機(jī)安裝在主機(jī)os上，由主機(jī)os來提供良好的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。虛擬化方法：

Vmware采用完全虛擬化技術(shù)，所以不需要修改原來的操作系統(tǒng)，而且可以同時(shí)支持不同的操作系統(tǒng)。主機(jī)和vmm切換開銷大，速度比較慢。CompanyLogoVmware內(nèi)存虛擬技術(shù)VMWare主要采用的內(nèi)存虛擬技術(shù)：Balloon技術(shù)基于內(nèi)容的頁共享技術(shù)空閑內(nèi)存繳稅技術(shù)（idlememorytax）動(dòng)態(tài)再分配策略CompanyLogoBalloon技術(shù)VMM控制每個(gè)vm得到多少內(nèi)存，也必須周期性的換出頁面到磁盤，來回收內(nèi)存。但客戶os可能比vmm有更好的調(diào)度算法。VMware的ESXserver使用了一種氣球“balloon”進(jìn)程。氣球（balloon）模塊作為內(nèi)核服務(wù)程序加載到guestos中，通過一個(gè)私有的信道與ESX服務(wù)器通信。如果Vmm要回收內(nèi)存，則詢問balloon進(jìn)程，對(duì)其加壓，使得氣球膨脹。在氣球膨脹過程中，客戶os感受到了自己內(nèi)存的壓力，很專業(yè)地選出適合換出的頁面，并且告訴balloon，這個(gè)balloon再告訴vmm換出哪些頁面。氣球放氣的過程與氣球充氣過程相反，guestos

給氣球放氣，通知Vmm要重新分配內(nèi)存。CompanyLogo基于內(nèi)容的頁共享技術(shù)

現(xiàn)代os和app都比較大。運(yùn)行多個(gè)vm，意味著要使用可觀的內(nèi)存來存儲(chǔ)不同vm中相似的冗余的多份代碼、數(shù)據(jù)的拷貝。vmware使用基于內(nèi)容的頁面共享來支持服務(wù)器。Vmm追蹤物理頁面的內(nèi)容，如果發(fā)現(xiàn)它們是相同的，那么vmm修改vm的影子頁表來指向一個(gè)唯一的拷貝。這樣Vmm就可以降低冗余度，節(jié)約出內(nèi)存。因?yàn)槭褂昧薱opyonwrite的頁面共享模式，VMM在相應(yīng)頁面內(nèi)容發(fā)生改變之前，才為每個(gè)VM拷貝一份。極大節(jié)約了物理內(nèi)存的使用。試想，一個(gè)x86計(jì)算機(jī)上運(yùn)行了30臺(tái)使用window2000的vm，但內(nèi)存里面卻只有一份windows內(nèi)核，將大大節(jié)約物理內(nèi)存。CompanyLogo空閑內(nèi)存繳稅技術(shù)ESX服務(wù)器通過引進(jìn)空閑內(nèi)存繳稅技術(shù)（idlememorytax）解決內(nèi)存管理。該技術(shù)基本思想就是不活動(dòng)的客戶程序的空閑頁面所收的稅比活動(dòng)的客戶程序的空閑頁要多，當(dāng)內(nèi)存感到壓力時(shí)，優(yōu)先回收不活動(dòng)的客戶程序的頁。稅率規(guī)定了可能從客戶程序回收的空閑頁面的最大部分。CompanyLogo空閑內(nèi)存繳稅技術(shù)有一個(gè)公式來計(jì)算每個(gè)頁共享的比率這里的S是表示共享的頁，P是表示分配的頁，f是表示活動(dòng)的部分?？臻e頁的開銷是，其中，稅率控制回收空閑內(nèi)存需要的策略。極端情況下，＝0說明這個(gè)策略純粹基于共享的隔離。表示所有的客戶程序的空閑內(nèi)存都可以回收。CompanyLogo空閑內(nèi)存繳稅技術(shù)ESX服務(wù)器的空閑頁面稅率參數(shù)默認(rèn)配置為75％。這樣允許回收系統(tǒng)中大多數(shù)空閑內(nèi)存，而且也能提供一些緩沖，預(yù)防突發(fā)的大量請(qǐng)求分配內(nèi)存的狀況，屏蔽系統(tǒng)回收的延遲。CompanyLogo動(dòng)態(tài)再分配策略大多數(shù)操作系統(tǒng)想要保持一個(gè)最小的空閑內(nèi)存的數(shù)量。例如BSDUnix通常當(dāng)內(nèi)存小于5％時(shí)開始回收內(nèi)存，直到內(nèi)存達(dá)到7％才停止回收內(nèi)存。ESX服務(wù)器也是這樣實(shí)現(xiàn)的，但它使用了4級(jí)回收入口來反應(yīng)不同的回收狀態(tài)：High:對(duì)應(yīng)6％，high狀態(tài)下，空閑內(nèi)存充足，沒有執(zhí)行回收的動(dòng)作。Soft:對(duì)應(yīng)4％，soft狀態(tài)，系統(tǒng)使用氣球技術(shù)回收內(nèi)存，僅在氣球機(jī)制回收力度不夠才使用頁面調(diào)度。Hard:對(duì)應(yīng)2％，hard狀態(tài)下，系統(tǒng)主要依靠強(qiáng)制的頁面調(diào)度來回收頁面。Low:對(duì)應(yīng)1％,一旦空閑頁面的數(shù)量達(dá)到low標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)通過頁面調(diào)度持續(xù)的對(duì)內(nèi)存進(jìn)行回收，并且阻塞所有正在執(zhí)行著的且超過它們內(nèi)存分配數(shù)量的VM。CompanyLogoVmware的CPU虛擬化直接執(zhí)行技術(shù)：直接執(zhí)行技術(shù)中，vm的特權(quán)指令和非特權(quán)指令都在CPU的非特權(quán)模式下，而VMM在特權(quán)模式下運(yùn)行。當(dāng)vm試著執(zhí)行特權(quán)操作時(shí)，CPU捕捉異常（trap）到vmm，并使vm中特權(quán)操作與vmm控制時(shí)一樣。這種方式讓vmm得到對(duì)CPU的最大控制。例子：vmm處理一條關(guān)中斷指令。如果讓客戶os可執(zhí)行關(guān)中斷是不安全的，如果這樣vmm就無法重新獲得CPU控制權(quán)。所以其做法是，vmm捕捉客戶的關(guān)中斷操作，并且記錄相應(yīng)的vm已經(jīng)關(guān)中斷。Vmm只是延時(shí)發(fā)送中斷結(jié)果，直到特定的vm開中斷為止。CompanyLogoVmware的CPU虛擬化二進(jìn)制翻譯：二進(jìn)制翻譯（BT）是從一種指令集到另一種指令集的自動(dòng)代碼轉(zhuǎn)換。二進(jìn)制翻譯可以分為動(dòng)態(tài)翻譯和靜態(tài)翻譯，可以僅翻譯用戶級(jí)代碼也可以進(jìn)行整系統(tǒng)翻譯。靜態(tài)翻譯是在脫機(jī)過程中進(jìn)行翻譯工作，然后在運(yùn)行時(shí)執(zhí)行翻譯過的代碼。動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯是在程序運(yùn)行期間把代碼片段從舊指令集翻譯到目標(biāo)指令集。CompanyLogoVmware的CPU虛擬化二進(jìn)制翻譯，輸入的是二進(jìn)制的代碼，翻譯出來的是二進(jìn)制指令的子集，翻譯有一部分是將特權(quán)指令轉(zhuǎn)換為非特權(quán)指令，BT在翻譯的同時(shí)，還使用了一些虛擬的寄存器，供修改指令的時(shí)候使用，可以讓一些訪問特殊寄存器的指令來訪問虛擬寄存器。BT首先根據(jù)二進(jìn)制代碼生成IR（intermediaterepresentation）對(duì)象，然后將這些IR分為翻譯單元TU，12個(gè)指令一個(gè)單元，如果有控制流語句，比如跳轉(zhuǎn)語句等等也作為劃分的依據(jù)。接著就對(duì)這樣一個(gè)單位進(jìn)行翻譯，生成CCF（compiledcodefragment），BT翻譯出來的代碼放在TC（translationcache）中替代原來的代碼執(zhí)行。執(zhí)行相同的代碼，比如循環(huán)等，一段CCF可以重復(fù)使用。CompanyLogoVmware的CPU虛擬化Vmware的做法：直接執(zhí)行、快速二進(jìn)制翻譯結(jié)合：為了提供一種快速、兼容的x86虛擬化，Vmware研發(fā)出一種新的虛擬化技術(shù)，這種技術(shù)將傳統(tǒng)的直接執(zhí)行、快速二進(jìn)制翻譯結(jié)合。在現(xiàn)代os中，運(yùn)行普通app程序的處理器模式都是可虛擬化的，于是可以使用直接執(zhí)行方式。一個(gè)二進(jìn)制翻譯器可以運(yùn)行不可虛擬化的特權(quán)模式，使用不可虛擬化的x86指令集合。這種vm可以與硬件匹配，也可以保持軟件兼容性。CompanyLogoVmware的CPU虛擬化VMware的二進(jìn)制譯碼源、目標(biāo)指令集集合相同，比較簡(jiǎn)單。在二進(jìn)制翻譯器的控制下運(yùn)行特權(quán)指令代碼。譯碼器把內(nèi)核碼翻譯成相似的塊，使得翻譯后的模塊直接在CPU上運(yùn)行，代替敏感的指令。二進(jìn)制翻譯系統(tǒng)把已經(jīng)翻譯的塊緩存到tracecache，這樣在后續(xù)執(zhí)行時(shí)就無需重復(fù)翻譯了。二進(jìn)制翻譯雖然要花費(fèi)代價(jià)，但是其工作負(fù)荷可以忽略。譯碼器只運(yùn)行代碼的一個(gè)片段，當(dāng)tracecache熱身后，其執(zhí)行速度與直接執(zhí)行幾乎無異。二進(jìn)制翻譯可以減少trap捕捉帶來的開銷，是直接執(zhí)行的優(yōu)化方法。CompanyLogoVmware的I/O虛擬化面臨問題：現(xiàn)在的計(jì)算環(huán)境中有越來越多種類的I/O設(shè)備，I/O虛擬變得更難。X86環(huán)境支持不同廠商的不同程序接口，vmm需要與很多種類的設(shè)備通信，這個(gè)編寫工作很難。比如圖形子系統(tǒng)和現(xiàn)代服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)接口都對(duì)性能要求很高，這對(duì)虛擬化的效率要求就更高了。CompanyLogoVmware的I/O虛擬化Vmware的策略：VMWare針對(duì)這個(gè)問題把VMM的層次搭在一個(gè)操作系統(tǒng)之上，使用宿主機(jī)os結(jié)構(gòu)，宿主機(jī)os一般是windows或者linux，一般I/O都有這些os

的驅(qū)動(dòng)。對(duì)于I/O的訪問就可以使用宿主操作系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)。如果VM上的操作系統(tǒng)要讀取虛擬磁盤，VMM就將它轉(zhuǎn)化為宿主操作系統(tǒng)中讀取文件的工作，如果VM上的操作系統(tǒng)要對(duì)顯示設(shè)備進(jìn)行訪問，就由操作系統(tǒng)對(duì)于VM的虛擬顯示設(shè)備進(jìn)行操作。

CompanyLogoVmware的I/O虛擬化主機(jī)os模式的好處：容易安裝，就像裝個(gè)應(yīng)用程序一樣很容易從宿主機(jī)上得到對(duì)I/O設(shè)備的支持還可以使用宿主機(jī)上的調(diào)度，資源管理等服務(wù)主機(jī)os模式的缺點(diǎn)：效率太低，虛擬機(jī)對(duì)I/O的訪問必須先傳給宿主機(jī)，然后還要通過宿主機(jī)的軟件層。宿主機(jī)的資源管理通常不會(huì)提供操作隔離和服務(wù)保證

CompanyLogoVmware的I/O虛擬化VMM世界和主機(jī)世界：Vmware的主機(jī)vm模式把虛擬軟件分為2個(gè)部分，一部分是vmm，用于虛擬CPU,另外一部分是一個(gè)使用os進(jìn)行設(shè)備支持的app以及一個(gè)置于os內(nèi)部的VMdriver來作為app和os的中介。CompanyLogoVmware的I/O虛擬化VMM世界和主機(jī)世界CompanyLogoVmware的I/O虛擬化VMM世界和主機(jī)世界：Vmwareworkstation象普通程序一樣安裝在os中（宿主），運(yùn)行時(shí)候，vmapp部分使用vmdriver把自己加載到主os中，從而建立起直接運(yùn)行在硬件上的特權(quán)VMM。于是，物理處理器要么運(yùn)行在vmm世界，要么運(yùn)行在主機(jī)世界，而vmdriver控制2個(gè)世界的轉(zhuǎn)換。在vmm和主機(jī)世界之間切換，包括保存和重啟CPU上所有的用戶和系統(tǒng)狀態(tài)。在這種體系結(jié)構(gòu)中，當(dāng)客戶os進(jìn)行I/O操作時(shí)，VMM截取這個(gè)操作，并且切換到主機(jī)世界，而不是直接訪問本地硬件。在主機(jī)世界，vmapp會(huì)代替vm使用適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)調(diào)用以實(shí)現(xiàn)I/O操作。比如，客戶os請(qǐng)求磁盤扇區(qū)的操作，可能轉(zhuǎn)換為主機(jī)os中的read（）調(diào)用來獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)。CompanyLogoVmware的I/O虛擬化VmDriver

：VMWare并不完全在應(yīng)用程序空間運(yùn)行，它安裝一個(gè)操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)VMDriver，這樣可以很容易地訪問設(shè)備。Vmware的Vm安裝在主機(jī)os上，VMdriver作為驅(qū)動(dòng)保證它能更快訪問設(shè)備。在網(wǎng)絡(luò)接口的實(shí)現(xiàn)，VMDriver將物理網(wǎng)卡置為混雜模式，Vmware通過VmDriver創(chuàng)建一種虛擬以太網(wǎng)橋，收取所有的網(wǎng)絡(luò)包，VmDriver分析所有的包，并且分發(fā)給每個(gè)相應(yīng)的虛擬機(jī)。Vmdriver在虛擬網(wǎng)橋中可以實(shí)現(xiàn)NAT（網(wǎng)絡(luò)地址翻譯），這樣每個(gè)vm都以為自己有獨(dú)立的IP。CompanyLogoVmware的I/O虛擬化虛擬化I/O設(shè)備為了虛擬化I/O設(shè)備，vmm必須截獲所有的客戶os的I/O操作。在PC機(jī)上，這些訪問是通過特權(quán)的IA-32IN和OUT指令完成的。這些指令被VMM捕捉，并且在vmm或者vmapp中被相關(guān)軟件模擬。任何與物理I/O硬件交互的行為都交給vmapp來處理，vmm也可能處理那些不與硬件交互的訪問。要提供完全的硬件虛擬比較困難，所以VMWare提供一個(gè)通用的系統(tǒng)虛擬，PS/2鍵盤，PS/2鼠標(biāo)，軟驅(qū)，IDE控制器，ATAPI光驅(qū)，Soundblaster

聲卡，串口，并口，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)顯卡和一些網(wǎng)卡。提供一個(gè)通用的硬件虛擬大大簡(jiǎn)化了VMWare的實(shí)現(xiàn)。少量的虛擬設(shè)備可以減輕I/O虛擬化的工作量。在主機(jī)體系結(jié)構(gòu)下虛擬化I/O設(shè)備的開銷主要來自vmm和主機(jī)世界的切換，另外還來自處理與硬件通信的特權(quán)指令。對(duì)于持續(xù)高吞吐量和低延遲的設(shè)備，這些開銷非常顯著。而對(duì)于鍵盤等設(shè)備，基本沒有影響。CompanyLogoVmware的I/O虛擬化虛擬網(wǎng)卡：虛擬網(wǎng)卡在客戶os看來是功能齊全的PCI以太網(wǎng)控制器，有它自己的MAC地址。虛擬的網(wǎng)卡用2種方式與主機(jī)相連，一是它可以被橋接到與物理網(wǎng)卡相同的物理網(wǎng)絡(luò)，或者它可以被連接到一個(gè)建立在主機(jī)上的虛擬網(wǎng)絡(luò)。這2種情況下的連接都是通過VMNetdriver（被加載到主機(jī)os里面的一種驅(qū)動(dòng)）實(shí)現(xiàn)的。嚴(yán)格來說，被橋接到物理網(wǎng)卡的虛擬網(wǎng)卡其實(shí)是真實(shí)的以太網(wǎng)橋。它的包都帶有自己的MAC地址，被發(fā)送。VMNetdriver把被橋接的物理網(wǎng)卡設(shè)置為混合模式，這