OpenStack設計與實現(xiàn)（一）虛擬化

kviccn 發(fā)布于2019-06-24 17:04 / 621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)層將察覺不到任何的變化。硬件抽象層上的虛擬化是指通過虛擬硬件抽象層來實現(xiàn)虛擬機，為客戶機操作系統(tǒng)呈現(xiàn)出與物理硬件相同或相近的硬件抽象層。

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

一、虛擬化技術的概述

虛擬化技術對大家來說都不陌生，比如虛擬內(nèi)存和虛擬服務器等，為了更好的理解虛擬化我們應該首先來了解一下計算機系統(tǒng)的層次結構。

每一層都向上層提供一個抽象，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)部運作機制。例如，操作系統(tǒng)看到的是一個硬件抽象層，它并不知道硬件中布線和電器特征。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)層將察覺不到任何的變化。
這種分層有一定的優(yōu)點。首先，每一層只需要考慮本層的設計以及相鄰層間的交互接口，從而大大的降低了系統(tǒng)設計的復雜性，提高了軟件的移植性。另外，這樣的設計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，抽象出一個虛擬的軟件或硬件接口，使上一層軟件可以直接運行在與自己所期待的運行環(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層次上，硬件的虛擬化，操作系統(tǒng)的虛擬化等等，但是對于IaaS（基礎架構即服務）的云計算，更關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虛擬硬件抽象層來實現(xiàn)虛擬機，為客戶機操作系統(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)之間引入了一個虛擬化層，虛擬化層提供一個操作系統(tǒng)期望的接口，統(tǒng)一處理操作系統(tǒng)的請求，使得操作系統(tǒng)層感覺不到虛擬化層的存在，任然認為自己在享有整個硬件。每個虛擬計算機系統(tǒng)（虛擬機）都擁有自己的虛擬硬件，并提供一個獨立的虛擬運行環(huán)境，通過虛擬機監(jiān)控器（VMM）的模擬，虛擬機中的操作系統(tǒng)認為自己仍然是獨占一個系統(tǒng)在運行。

二、虛擬化實現(xiàn)方式 1、按照實現(xiàn)方式分

按照實現(xiàn)方式虛擬化可以分為兩種：

VMM直接運行在硬件平臺上，控制所有硬件并管理客戶操作系統(tǒng)。客戶操作系統(tǒng)運行在比VMM更高的級別上，Xen就是采用的這個模型。

VMM運行在一個傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)里（第一層軟件），可以看做是第二層軟件，而客戶機操作系統(tǒng)則是第三層了。KVM和VirtualBox就是這種實現(xiàn)。

2、按照VMM所提供的虛擬平臺類型分：

按照VMM所提供的虛擬平臺類型可以分為兩類

（1）完全虛擬化

VMM虛擬的是現(xiàn)實存在的平臺，并且在客戶機操作系統(tǒng)看來，虛擬平臺和現(xiàn)實平臺是一樣的，客戶機操作系統(tǒng)感覺不到運行在一個虛擬平臺上，現(xiàn)有的操作系統(tǒng)無需進行任何修改就可以在這樣的虛擬平臺上運行，因此這種方式被稱為完全虛擬化。
完全虛擬化中，VMM需要能夠正確處理客戶機操作系統(tǒng)所有可能的行為，或者說正確處理所有可能的指令，完全虛擬化經(jīng)歷了兩個階段：軟件輔助的完全虛擬化與硬件輔助的完全虛擬化。
在x86虛擬技術的早期，x86體系中沒有在硬件層次對虛擬化提供支持，因此完全虛擬只能靠軟件來實現(xiàn)，典型的做法就是優(yōu)先級壓縮和二進制代碼翻譯相結合。
優(yōu)先級壓縮的原理是：將VMM和客戶機的優(yōu)先級放到同一個CPU中來運行，對應于x86架構，通常VMM在ring0，客戶機操作系統(tǒng)內(nèi)核在ring1，客戶機操作系統(tǒng)應用程序在ring3。當客戶機操作系統(tǒng)內(nèi)核執(zhí)行特權指令時，由于處在非特權的ring1，通常會觸發(fā)異常，VMM截獲后就可以進行特權指令的虛擬化。但是x86指令體系結構在設計之初并沒有考慮到虛擬化，一小部分特權指令在ring1中沒有觸發(fā)異常，VMM也就不能進行截獲進行虛擬化，所以就需要用二進制代碼翻譯來處理這些不友好的指令。
二進制代碼翻譯的原理：VMM通常會對操作系統(tǒng)的二進制代碼進行掃描，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技術是硬件輔助虛擬化的代表。VTx技術在處理器上引入了一個新的執(zhí)行模式用于運行虛擬機。當虛擬機運行在這個特殊模式中時，他仍然面對一套完整的處理器寄存器和執(zhí)行環(huán)境，只是任何特權操作都會被處理器截獲并報告給VMM。VMM本省就運行在正常模式下，在接收到處理器的報告后，通過對目標指令的解碼，找到相應的虛擬化模塊進行模擬，并把最終的效果反映在特殊的環(huán)境中。

（2）類虛擬化

類虛擬化虛擬出的平臺在現(xiàn)實中是不存在的，而是經(jīng)過VMM重新定義的。這樣的虛擬平臺需要對所運行的客戶機操作系統(tǒng)進行或多或少的修改使之能夠適應虛擬環(huán)境，客戶機操作系統(tǒng)也就知道自己運行在虛擬平臺上，并且會主動去適應。
類虛擬化是通過在源代碼級別修改指令以回避虛擬漏洞的方式來使VMM能夠對物理資源實現(xiàn)虛擬化。對于x86中難以虛擬化的指令，類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、虛擬機動態(tài)遷移

動態(tài)遷移是虛擬化特有的新特性，它將虛擬機從一個物理機快速遷移到另一個物理機，但是虛擬機里面的程序和網(wǎng)絡都保持連接。從用戶的角度來看，動態(tài)遷移對虛擬機的可用性沒有任何影響，用戶不會察覺任何的服務被中斷。
動態(tài)遷移實現(xiàn)的方法是在目的服務器上建立一臺同樣配置的新虛擬機，然后不斷地在兩個虛擬機之間同步各種內(nèi)部狀態(tài)，比如內(nèi)存、外設、CPU等。等狀態(tài)同步完成后，關掉老的虛擬機，啟動新的虛擬機。

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

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