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第6章虚拟化技术原理

6.1什么是虚拟化

•虚拟化就是把物理资源转变为逻辑上可以管理的资源，以打破物

理结构之间的壁垒

•在具体的虚拟化方式上，可以分为：计算虚拟化、存储虚拟化、

网络虚拟化和桌面虚拟化

6.2为什么要虚拟化

•虚拟化可以提升主机的利用率

•按需为用户分配资源；破除了物理资源分配的限制

•虚拟化是构建云计算环境的底层关键技术之一

6.3传统数据中心和云计算数据中心的区

别

6.4计算虚拟化

•6.4.1计算虚拟化的目标

•6.4.2计算虚拟化的基本概念

•6.4.3计算虚拟化实现面临的主要问题和解决方案

•6.4.4计算虚拟化实现方式

•6.4.5计算虚拟化的分类

•6.4.6计算虚拟化架构实例——KVM

•6.4.7常见虚拟化产品类别汇总

6.4.1计算虚拟化的目标

•台物理主机的组成包括：CPU、RAM、I/O(Disk，Network)、

Monitor等基本组件，传统架构下，物理主机上运行着一个操作

系统。

•计算虚拟化的目标是在这些基础物理设备上运行多个OS

6.4.2计算虚拟化的基本概念

•Ring0

•Intel的x86处理器是通过Ring级别来进行访

问控制的，级别共分4层，RING0，RING1，

RING2，RING3。Windows只使用其中的两

个级别RING0和RING3。RING0层拥有最高

的权限，RING3层拥有最低的权限。按照

Intel原有的构想，应用程序工作在RING3层，

只能访问RING3层的数据，操作系统工作

在RING0层，可以访问所有层的数据

6.4.2计算虚拟化的基本概念

•Hypervisor(Host)

•又称虚拟机器监视器（英语：virtual

machinemonitor，缩写为VMM），

是用来建立与执行虚拟机的软件。

VMM能够创建多个可运行独立操作

系统的虚拟化环境，每个GuestOS获

得的关键硬件资源都由VMM进行分

配、回收和控制。被Hypervisor用来

运行一个或多个虚拟机的服务器称为

主体机器（hostmachine），这些虚

拟机则称为客体机器（guest

machine）。

6.4.3计算虚拟化实现面临的主要问题和

解决方案

•问题：

•Kernel可以控制所有硬件,并可运行CPU的特权指令,即Kernel运行于CPU的

Ring0上。但多个OS是无法同时直接运行于硬件层之上，他们之间肯定

会互相影响，所以它们必须运行在Hypervisor层上，统一在这一层上执行

特权指令才行。

•若GuestOS必须运行在CPU的Ring0上，Host运行在哪里？

•这里必须要解决Hypervisor和GuestOS，他们各自是什么样的权限，运行

在哪个Ring上？

6.4.3计算虚拟化实现面临的主要问题和

解决方案

•CPU虚拟化：由于多个VM共享CPU资源，需要对VM中的敏感指令进行

截获并模拟执行。也就是，GuestOS1要关机这种敏感指令，需要由

host捕捉，然后执行虚拟机的关机，而不是物理机的关机。

•Q1：多个VM如何使用CPU？

•Q2：GuestOS运行在Ringx？

•Q3：GuestOS如何执行指令？

•内存虚拟化：由于多个VM共享同一物理内存，需要相互隔离；

•I/O虚拟化：由于多个VM共享一个物理设备，如磁盘、网卡，一般借

用TDMA的思想，通过分时多路技术进行复用。

6.4.4计算虚拟化实现方式

•X86指令缺陷

•X86指令集中存在17条敏感的非特权指令，这17条指令在客操作系统上

的执行或者会导致系统全局状态的破坏，如POPF指令，或者会导致

GuestOS逻辑上的问题，如SMSW等读系统状态或控制寄存器的指令。

6.4.4计算虚拟化实现方式

•针对上述x86体系缺陷，不同虚拟化厂商提出了多种CPU虚拟化的

实现方式：全虚拟化、半虚拟化、硬件辅助虚拟化

6.4.5计算虚拟化的分类

•根据HostOS和Hyperviso