2.4云計算關(guān)鍵技術(shù)-虛擬化實現(xiàn)

云計算-服務器虛擬化虛擬化技術(shù)服務器虛擬化服務器虛擬化就是將服務器物理資源抽象成邏輯資源，讓一臺物理服務器虛擬出幾臺甚至上百臺相互隔離的虛擬服務器。不再受限于物理上的界限，而是讓CPU、內(nèi)存、I/O設備、磁盤等硬件變成可以動態(tài)管理的“資源池”，從而提高資源的利用率，簡化系統(tǒng)管理，實現(xiàn)服務器整合，讓IT對業(yè)務的變化更具適應力。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，虛擬機監(jiān)控器（VMM）會很容易提高性能。CPU的架構(gòu)有X86、ARM等。X86架構(gòu)（TheX86architecture）是微處理器執(zhí)行的計算機語言指令集。X86服務器又稱CISC（ComplexInstructionSetComputer-復雜指令集）架構(gòu)服務器，即通常所講的PC服務器，它是基于PC機體系結(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虛擬化服務器虛擬化就是將服務器物理資源抽象成邏輯資源，讓一臺物理服務器虛擬出幾臺甚至上百臺相互隔離的虛擬服務器。不再受限于物理上的界限，而是讓CPU、內(nèi)存、I/O設備、磁盤等硬件變成可以動態(tài)管理的“資源池”，從而提高資源的利用率，簡化系統(tǒng)管理，實現(xiàn)服務器整合，讓IT對業(yè)務的變化更具適應力。X86服務器X86架構(gòu)CPU特點CPU都會劃分為用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)。

x86CPU更是細分為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Ring0核心態(tài)是操作系統(tǒng)內(nèi)核的執(zhí)行狀態(tài)（運行模式），運行在核心態(tài)的代碼（OS）可以無限制的對系統(tǒng)內(nèi)存、設備驅(qū)動程序、網(wǎng)卡接口、顯卡接口等外部設備進行訪問。Ring3用戶態(tài)（UserMode）

所有的應用程序都應該運行在用戶態(tài)中。當應用程序需要訪問外圍硬件設備時，CPU會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)(運行于最高權(quán)限的ring0)之下放置一個提供共享資源的虛擬化層（Hypervisor）來創(chuàng)建和管理虛擬機。虛擬化在這里就遇到了一個難題，因為宿主操作系統(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，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，這時就會出現(xiàn)“非法指令”等異常錯誤信息。這時，虛擬機就要通過VMM或Hypervisor來避免上述錯誤的發(fā)生，根據(jù)其實現(xiàn)原理的不同，共有三種技術(shù)來實現(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)存虛擬化涉及到對系統(tǒng)物理內(nèi)存的共享和動態(tài)地為虛擬機分配內(nèi)存，內(nèi)存虛擬化的效率將對虛擬機的性能產(chǎn)生重大影響；而現(xiàn)代計算機通常都采用段頁式存儲管理、多級頁表等復雜的存儲體系結(jié)構(gòu)，又給高性能內(nèi)存虛擬化的設計帶來很大挑戰(zhàn)。內(nèi)存虛擬化云計算服務中在虛擬機中運行的客戶操作系統(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virtualmemory（虛擬內(nèi)存）進行虛擬化。為了在一個系統(tǒng)上運行多個虛擬機，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訪問主存的時候會將一個虛擬地址（virtualaddress）被內(nèi)存管理單元（MemoryManagementUnit,MMU）進行翻譯成物理地址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雜了，客戶機(Guest)和宿主機(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）也有虛擬機地址和物理地址。那虛擬機如何訪問到物理機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算機的物理內(nèi)存。VMM將機器的內(nèi)存分配給各個虛擬機，并維護機器內(nèi)存和虛擬機內(nèi)存之間的映射關(guān)系，這些內(nèi)存在虛擬機看來是一段從地址0開始的、連續(xù)的物理地址空間。在進行內(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)存虛擬化虛擬機地址轉(zhuǎn)換常用虛擬化技術(shù)為了在一個系統(tǒng)上運行多個虛擬機，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系統(tǒng)。常用虛擬化技術(shù)軟件方式：通過軟件實現(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設備虛擬化為了滿足多個客戶機操作系統(tǒng)對I/O外部設備訪問的需求，VMM必須通過I/O虛擬化的方式復用有限的I/O外部設備資源。所謂的虛擬I/O設備就是由VMM創(chuàng)建的，提供給客戶操作系統(tǒng)進行I/O訪問的虛擬I/O設備。I/O外部設備虛擬化包括虛擬芯片組；虛擬PCI總線布局；虛擬系統(tǒng)設備：PIC、IO-APIC、PIT、RTC；虛擬基本輸入輸出設備：顯卡、網(wǎng)卡、硬盤。I/O設備虛擬化VMM系統(tǒng)針對I/O設備虛擬化主要有全虛擬化、半虛擬化、直接I/O訪問等設計思路。I/O設備虛擬化全虛擬化I/O設備虛擬化全虛擬化I/O設備虛擬化半虛擬化I/O設備虛擬化I/O直通虛擬化技術(shù)就是將宿主機（host）中的物理PCI/PCIe設備直接分配給GuestOS使用，虛擬機獨占這個PCI/PCIe設備，利用效率幾乎等同于將硬件插到了虛擬機的主板擴展槽里一樣。I/O設備虛擬化硬件輔助虛擬化I/O設備虛擬化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際的物理地址，以便CPU對實際的物理地址進行訪問，實現(xiàn)對一些虛擬地址進行訪問權(quán)限控制，對系統(tǒng)的物理內(nèi)存資源進行管理。Intel為支持虛擬機而設計的I/O虛擬化技術(shù)DMARemapping出現(xiàn)。DMARemapping硬件會把DMA地址翻譯成物理內(nèi)存地址，并檢查訪問權(quán)限等等。負責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平臺上的設備直接分配（Deviceassignment\DevicePass-Through）是VT-d（IntelVirtualizationTechnologyforDirectedI/O），VT-d是在VT-X的基礎(chǔ)上對硬件輔助虛擬化的擴展。VT-d是一個位于CPU、內(nèi)存和I/O設備之間的硬件設備。

IntelVT-d把設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），以提供設備重映射和設備直接分配的功能。I/O設備虛擬化通過SR-IOV（SingleRootI/OVirtualization）技術(shù)，一個物理網(wǎng)卡可以虛擬出多個網(wǎng)卡，分配給虛擬機使用,從而讓每個虛擬機都能直接和物理網(wǎng)卡通信，獲得接近物理網(wǎng)卡的網(wǎng)絡性能。存儲虛擬化存儲虛擬化是指將物理存儲資源通過虛擬化技術(shù)抽象成邏輯資源，集中到一個大容量資源池，管理員實行單點統(tǒng)一管理，通過邏輯層訪問或者調(diào)整存儲資源，提供更好的性能和易用性，提高存儲利用率。存儲虛擬化存儲虛擬化就是將實際的物理存儲實體與存儲的邏輯表示分離開來，應用服務器只與分配給它的邏輯卷交互，不用關(guān)心其數(shù)據(jù)存儲在哪個物理存儲實體上。網(wǎng)絡虛擬化網(wǎng)絡虛擬化主要解決的是虛擬機構(gòu)成的網(wǎng)絡通信問題，是基于物理主機的網(wǎng)卡、交換機、路由器等網(wǎng)絡設備資源虛擬化，完成虛擬機在同主機和跨主機之間的通信。網(wǎng)絡虛擬化虛擬化網(wǎng)絡架構(gòu)網(wǎng)絡虛擬化主要用在提供云服務的網(wǎng)絡中。網(wǎng)絡虛擬化在大規(guī)模的云計算環(huán)境，集群中物理服務器上運行多個虛擬機，每個虛擬機都有自己的獨立虛擬網(wǎng)卡，需要通過網(wǎng)絡虛擬化解決虛擬機之間的通信、虛擬機和外網(wǎng)的通信等問題，同時集群中的大規(guī)模虛擬機遷移是常見事情，通過虛擬機遷移提高資源利用率和容錯性。Overlay技術(shù)是在網(wǎng)絡層實現(xiàn)二層網(wǎng)絡，多個物理機之間只要網(wǎng)絡層可達就能組建虛擬的局域網(wǎng)，Overlay為虛擬機在數(shù)據(jù)中心任意網(wǎng)絡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