第六講:CPU虛擬化


  虛擬化技術的分類主要有服務器虛擬化、存儲虛擬化、網絡虛擬化、應用虛擬化

  服務器虛擬化技術按照虛擬對象來分,可分為:CPU虛擬化、內存虛擬化、I/O虛擬化

          按照虛擬化程度可分為:全虛擬化、半虛擬化、硬件輔助虛擬化

  將不同的虛擬化對象和程度組合,可得出 9種 不同的服務器虛擬化技術

  首先詳細介紹下服務器虛擬化之CPU虛擬化,后續講解中再詳細介紹內存虛擬化及I/O虛擬化。

  二、CPU虛擬化

  ·CPU全虛擬化技術

  主要采用優先級壓縮技術(Ring Compression)和 二進制代碼翻譯技術(Binary Translation)。優先級壓縮技術讓VMM和Guest 運行在不同的特權級下。

  對X86架構而言,即VMM運行在最高特權級別Ring 0下,Guest OS 運行在Ring 1 下,用戶應用運行在Ring 3下。因此 Guest OS 的核心指令無法直接下達

  到計算機系統硬件執行,而是需要經過 VMM 的捕獲和模擬執行(部分難以虛擬化的指令需要通過 Binary Translation技術進行轉換)。

  

  ·CPU半虛擬化技術

  主要采用Hypercall 技術。Guest OS 的部分代碼被改變,從而使Guest OS會將和特權指令相關的操作都轉換為發給VMM的Hypercall(超級調用),由VMM繼續進行處理。而Hypercall支持的批處理和異步這兩種優化方式,使得通過Hypercall 能得到近似於物理機的速度。

   

  ·CPU硬件輔助虛擬化技術

  目前主要有Intel 的VT-x和AMD的AMD-V這兩種技術。其核心思想都是通過引入新的指令和運行模式,使VMM和Guest OS分別運行在不同模式(ROOT 模式和非ROOT模式)下,且Guest OS 運行在Ring 0 下。通常情況下,Guest OS 的核心指令可以直接下達到計算機系統硬件執行,而不需要經過VMM。當Guest OS執行到特殊指令的時候,系統會切換到VMM,讓VMM來處理特殊指令。

   

  CPU的虛擬化技術可以單CPU模擬多CPU並行,允許一個平台同時運行多個操作系統,並且應用程序都可以在相互獨立的空間內運行而互不影響,

  從而顯著提高計算機的工作效率。

  

  GuestOS負責第2級調度,即線程或進程在VCPU上的調度(將核心線程映射到相應的虛擬CPU上。)

  VMM(Virtual Machine Monitor)負責第1級調度,即VCPU在物理處理單元上的調度。

  兩級調度的調度策略和機制不存在依賴關系。VMM負責物理處理器資源在各個虛擬機之間的分配和調度,本質上即把各個虛擬機中的VCPU按照一定的策略和機制調度在物理處理單元上,可以采用任意的策略來分配物理資源,滿足虛擬機的不同需求。

 


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