2.4云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)-虛擬化實(shí)現(xiàn)

云計(jì)算-服務(wù)器虛擬化虛擬化技術(shù)服務(wù)器虛擬化服務(wù)器虛擬化就是將服務(wù)器物理資源抽象成邏輯資源，讓一臺(tái)物理服務(wù)器虛擬出幾臺(tái)甚至上百臺(tái)相互隔離的虛擬服務(wù)器。不再受限于物理上的界限，而是讓CPU、內(nèi)存、I/O設(shè)備、磁盤等硬件變成可以動(dòng)態(tài)管理的“資源池”，從而提高資源的利用率，簡化系統(tǒng)管理，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器整合，讓IT對(duì)業(yè)務(wù)的變化更具適應(yīng)力。CPU虛擬化CPU的虛擬化技術(shù)是一種硬件方案，支持虛擬技術(shù)的CPU帶有優(yōu)化過的指令集來控制虛擬過程，通過這些指令集，虛擬機(jī)監(jiān)控器（VMM）會(huì)很容易提高性能。CPU的架構(gòu)有X86、ARM等。X86架構(gòu)（TheX86architecture）是微處理器執(zhí)行的計(jì)算機(jī)語言指令集。X86服務(wù)器又稱CISC（ComplexInstructionSetComputer-復(fù)雜指令集）架構(gòu)服務(wù)器，即通常所講的PC服務(wù)器，它是基于PC機(jī)體系結(jié)構(gòu)，使用Intel或其它兼容x86指令集的處理器芯片的服務(wù)器。大多數(shù)CPU廠商(如AMD，Intel)生產(chǎn)的就是這種處理器。CPU虛擬化服務(wù)器虛擬化就是將服務(wù)器物理資源抽象成邏輯資源，讓一臺(tái)物理服務(wù)器虛擬出幾臺(tái)甚至上百臺(tái)相互隔離的虛擬服務(wù)器。不再受限于物理上的界限，而是讓CPU、內(nèi)存、I/O設(shè)備、磁盤等硬件變成可以動(dòng)態(tài)管理的“資源池”，從而提高資源的利用率，簡化系統(tǒng)管理，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器整合，讓IT對(duì)業(yè)務(wù)的變化更具適應(yīng)力。X86服務(wù)器X86架構(gòu)CPU特點(diǎn)CPU都會(huì)劃分為用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)。

x86CPU更是細(xì)分為Ring0~3四種執(zhí)行狀態(tài)。Ring0核心態(tài)（KernelMode）Ring3用戶態(tài)（UserMode）X86架構(gòu)CPU特點(diǎn)Ring0核心態(tài)是操作系統(tǒng)內(nèi)核的執(zhí)行狀態(tài)（運(yùn)行模式），運(yùn)行在核心態(tài)的代碼（OS）可以無限制的對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)卡接口、顯卡接口等外部設(shè)備進(jìn)行訪問。Ring3用戶態(tài)（UserMode）

所有的應(yīng)用程序都應(yīng)該運(yùn)行在用戶態(tài)中。當(dāng)應(yīng)用程序需要訪問外圍硬件設(shè)備時(shí)，CPU會(huì)通過特別的接口去調(diào)用核心態(tài)的代碼。

X86架構(gòu)CPU虛擬化x86架構(gòu)的虛擬化需要在操作系統(tǒng)(運(yùn)行于最高權(quán)限的ring0)之下放置一個(gè)提供共享資源的虛擬化層（Hypervisor）來創(chuàng)建和管理虛擬機(jī)。虛擬化在這里就遇到了一個(gè)難題，因?yàn)樗拗鞑僮飨到y(tǒng)是工作在ring0的，客戶操作系統(tǒng)（guestOS）就不能工作在ring0了，但是它不知道這一點(diǎn)，以前執(zhí)行什么指令，現(xiàn)在還是執(zhí)行什么指令，但是沒有執(zhí)行權(quán)限，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)“非法指令”等異常錯(cuò)誤信息。這時(shí)，虛擬機(jī)就要通過VMM或Hypervisor來避免上述錯(cuò)誤的發(fā)生，根據(jù)其實(shí)現(xiàn)原理的不同，共有三種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)x86架構(gòu)CPU敏感指令和特權(quán)指令的虛擬化，常用虛擬化技術(shù)內(nèi)存虛擬化內(nèi)存虛擬化涉及到對(duì)系統(tǒng)物理內(nèi)存的共享和動(dòng)態(tài)地為虛擬機(jī)分配內(nèi)存，內(nèi)存虛擬化的效率將對(duì)虛擬機(jī)的性能產(chǎn)生重大影響；而現(xiàn)代計(jì)算機(jī)通常都采用段頁式存儲(chǔ)管理、多級(jí)頁表等復(fù)雜的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)，又給高性能內(nèi)存虛擬化的設(shè)計(jì)帶來很大挑戰(zhàn)。內(nèi)存虛擬化云計(jì)算服務(wù)中在虛擬機(jī)中運(yùn)行的客戶操作系統(tǒng)（GuestOS）的虛擬內(nèi)存和操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存不同，它需要通過虛擬化技術(shù)來對(duì)virtualmemory（虛擬內(nèi)存）進(jìn)行虛擬化。為了在一個(gè)系統(tǒng)上運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，還需要另外一層的內(nèi)存虛擬化。也就是說，MMU需要被虛擬化來支持虛擬機(jī)系統(tǒng)。內(nèi)存虛擬化虛擬內(nèi)存

虛擬內(nèi)存訪問：CPU訪問主存的時(shí)候會(huì)將一個(gè)虛擬地址（virtualaddress）被內(nèi)存管理單元（MemoryManagementUnit,MMU）進(jìn)行翻譯成物理地址PA（physicaladdress）才能訪問。地址轉(zhuǎn)換帶頁表虛擬內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換物理內(nèi)存地址缺頁轉(zhuǎn)換頁表與虛擬內(nèi)存內(nèi)存虛擬化在引入虛擬化技術(shù)后，內(nèi)存地址空間就變得復(fù)雜了，客戶機(jī)(Guest)和宿主機(jī)(Host)都有自己的地址空間?？蛻舨僮飨到y(tǒng)（GuestOS）本身有虛擬地址和物理地址。宿主操作系統(tǒng)（HostOS）也有虛擬機(jī)地址和物理地址。那虛擬機(jī)如何訪問到物理機(jī)上的物理地址就是內(nèi)存虛擬化技術(shù)。內(nèi)存虛擬化內(nèi)存虛擬化主要通過VMM采用分塊共享的思想來虛擬計(jì)算機(jī)的物理內(nèi)存。VMM將機(jī)器的內(nèi)存分配給各個(gè)虛擬機(jī)，并維護(hù)機(jī)器內(nèi)存和虛擬機(jī)內(nèi)存之間的映射關(guān)系，這些內(nèi)存在虛擬機(jī)看來是一段從地址0開始的、連續(xù)的物理地址空間。在進(jìn)行內(nèi)存虛擬化后，內(nèi)存地址將有物理地址、中間物理地址和虛擬地址三種地址。內(nèi)存虛擬化虛擬地址和物理地址內(nèi)存虛擬化虛擬機(jī)地址轉(zhuǎn)換常用虛擬化技術(shù)為了在一個(gè)系統(tǒng)上運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，還需要另外一層的內(nèi)存虛擬化。也就是說，MMU需要被虛擬化來支持虛擬機(jī)系統(tǒng)。常用虛擬化技術(shù)軟件方式：通過軟件實(shí)現(xiàn)內(nèi)存地址的翻譯，比如Shadowpagetable（影子頁表）技術(shù)常用虛擬化技術(shù)硬件實(shí)現(xiàn)：基于CPU的輔助虛擬化功能，比如AMD的NPT和Intel的EPT技術(shù)I/O設(shè)備虛擬化為了滿足多個(gè)客戶機(jī)操作系統(tǒng)對(duì)I/O外部設(shè)備訪問的需求，VMM必須通過I/O虛擬化的方式復(fù)用有限的I/O外部設(shè)備資源。所謂的虛擬I/O設(shè)備就是由VMM創(chuàng)建的，提供給客戶操作系統(tǒng)進(jìn)行I/O訪問的虛擬I/O設(shè)備。I/O外部設(shè)備虛擬化包括虛擬芯片組；虛擬PCI總線布局；虛擬系統(tǒng)設(shè)備：PIC、IO-APIC、PIT、RTC；虛擬基本輸入輸出設(shè)備：顯卡、網(wǎng)卡、硬盤。I/O設(shè)備虛擬化VMM系統(tǒng)針對(duì)I/O設(shè)備虛擬化主要有全虛擬化、半虛擬化、直接I/O訪問等設(shè)計(jì)思路。I/O設(shè)備虛擬化全虛擬化I/O設(shè)備虛擬化全虛擬化I/O設(shè)備虛擬化半虛擬化I/O設(shè)備虛擬化I/O直通虛擬化技術(shù)就是將宿主機(jī)（host）中的物理PCI/PCIe設(shè)備直接分配給GuestOS使用，虛擬機(jī)獨(dú)占這個(gè)PCI/PCIe設(shè)備，利用效率幾乎等同于將硬件插到了虛擬機(jī)的主板擴(kuò)展槽里一樣。I/O設(shè)備虛擬化硬件輔助虛擬化I/O設(shè)備虛擬化MMU(MemoryManagementUnit)，即內(nèi)存管理單元，是CPU芯片上的專用硬件，主要功能包括將用戶訪問的虛擬地址翻譯為實(shí)際的物理地址，以便CPU對(duì)實(shí)際的物理地址進(jìn)行訪問，實(shí)現(xiàn)對(duì)一些虛擬地址進(jìn)行訪問權(quán)限控制，對(duì)系統(tǒng)的物理內(nèi)存資源進(jìn)行管理。Intel為支持虛擬機(jī)而設(shè)計(jì)的I/O虛擬化技術(shù)DMARemapping出現(xiàn)。DMARemapping硬件會(huì)把DMA地址翻譯成物理內(nèi)存地址，并檢查訪問權(quán)限等等。負(fù)責(zé)DMARemapping操作的硬件稱為IOMMU。常用虛擬化技術(shù)IOMMU常用虛擬化技術(shù)I/O直通虛擬化技術(shù)

I/O直通虛擬化技術(shù)需要硬件平臺(tái)具備I/O透傳技術(shù)，目前與此相關(guān)的技術(shù)有IOMMU（IntelVT-d,PCIe之SR-IOV等），旨在建立高效的I/O虛擬化直通道。常用虛擬化技術(shù)IntelVT-d技術(shù)在Intel平臺(tái)上的設(shè)備直接分配（Deviceassignment\DevicePass-Through）是VT-d（IntelVirtualizationTechnologyforDirectedI/O），VT-d是在VT-X的基礎(chǔ)上對(duì)硬件輔助虛擬化的擴(kuò)展。VT-d是一個(gè)位于CPU、內(nèi)存和I/O設(shè)備之間的硬件設(shè)備。

IntelVT-d把設(shè)備訪問的虛擬地址轉(zhuǎn)化成物理地址，在芯片組里引入了DMA重映射硬件（DMARemapping），以提供設(shè)備重映射和設(shè)備直接分配的功能。I/O設(shè)備虛擬化通過SR-IOV（SingleRootI/OVirtualization）技術(shù)，一個(gè)物理網(wǎng)卡可以虛擬出多個(gè)網(wǎng)卡，分配給虛擬機(jī)使用,從而讓每個(gè)虛擬機(jī)都能直接和物理網(wǎng)卡通信，獲得接近物理網(wǎng)卡的網(wǎng)絡(luò)性能。存儲(chǔ)虛擬化存儲(chǔ)虛擬化是指將物理存儲(chǔ)資源通過虛擬化技術(shù)抽象成邏輯資源，集中到一個(gè)大容量資源池，管理員實(shí)行單點(diǎn)統(tǒng)一管理，通過邏輯層訪問或者調(diào)整存儲(chǔ)資源，提供更好的性能和易用性，提高存儲(chǔ)利用率。存儲(chǔ)虛擬化存儲(chǔ)虛擬化就是將實(shí)際的物理存儲(chǔ)實(shí)體與存儲(chǔ)的邏輯表示分離開來，應(yīng)用服務(wù)器只與分配給它的邏輯卷交互，不用關(guān)心其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在哪個(gè)物理存儲(chǔ)實(shí)體上。網(wǎng)絡(luò)虛擬化網(wǎng)絡(luò)虛擬化主要解決的是虛擬機(jī)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)通信問題，是基于物理主機(jī)的網(wǎng)卡、交換機(jī)、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源虛擬化，完成虛擬機(jī)在同主機(jī)和跨主機(jī)之間的通信。網(wǎng)絡(luò)虛擬化虛擬化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)虛擬化主要用在提供云服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)虛擬化在大規(guī)模的云計(jì)算環(huán)境，集群中物理服務(wù)器上運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，每個(gè)虛擬機(jī)都有自己的獨(dú)立虛擬網(wǎng)卡，需要通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化解決虛擬機(jī)之間的通信、虛擬機(jī)和外網(wǎng)的通信等問題，同時(shí)集群中的大規(guī)模虛擬機(jī)遷移是常見事情，通過虛擬機(jī)遷移提高資源利用率和容錯(cuò)性。Overlay技術(shù)是在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)二層網(wǎng)絡(luò)，多個(gè)物理機(jī)之間只要網(wǎng)絡(luò)層可達(dá)就能組建虛擬的局域網(wǎng)，Overlay為虛擬機(jī)在數(shù)據(jù)中心任意網(wǎng)絡(luò)位置之間無感知遷移遷移提供了非常好的基礎(chǔ)。虛擬化軟件目前市面較受歡迎的虛擬架構(gòu)主要有KVM、XEN和VMware三大類別。

其中，KVM