虚拟化技术系列-核心虚拟化技术概述

从此篇开始，将进入虚拟化技术的核心技术篇章。本篇只涉及基本概念，具体实现见后续章节。

所谓的虚拟化技术核心技术，指的就是如何支持让多个虚拟机在同一物理机器上运行起来的。计算机物理资源，简单来说可分为三类：CPU、内存、IO设备。

在展开讲解Hypervisor关于CPU资源虚拟化的实现前，先来回忆下OS中是如何支持多用户的。

说到OS中的多用户，天然就会想到OS中的进程/任务/线程的概念，不同OS里称呼不一样，这里不做区分，总而言之：时间片被分配的对象就是OS上的用户。

在单核物理机上，要运行多个用户的程序，方法上很简单：从时间维度进行切割。根据一定的调度算法、策略、优先级，将时间片分配给不同的用户程序；

而在多核物理机上，运行多用户的程序就要多考虑一个维度：空间。还需要涉及到哪些用户可运行在哪个核上，是否对称，负载均衡、调度优先级及策略是如何，等等。

当然，OS内核在实现上述内容的时候，绝不如此轻描淡写，scheduler的代码，往往是一个OS的重中之重。可自行参考相关OS的内核代码实现。

上述描述，可引出如下结论：将CPU资源调度给不同的用户，可从时间和空间两个维度入手。

现在回到虚拟机平台上来。虚拟机平台管理的对象，是多个虚拟机；而OS管理的，则是多个任务或多个进程。所以，本质上来看，两者是一致的。如果要说区别，无外乎调度对象，从重量级来说，虚拟机调度的上下文要大于任务或进程的上下文而已。但可以肯定的一点是，虚拟机平台关于CPU资源在多虚拟机间的分配，也无外乎分时和划分空间两个维度的管理，因此不管是XEN还是KVM，如果去查看其调度器部分的源代码，都会发现和Linux调度器实现上的惊人相似（sorry，KVM好像直接就是用了Linux的调度器）

CPU资源的虚拟化，从概念上来说，就是这么简单。现今，多核处理器已相当普遍，8核以上的处理器比比皆是，因此很多时候，虚拟机共核的部署方式并不一定要采用；从物理上进行核的隔离，尽量避免虚拟机间共享CPU资源，带来的好处是显然的：隔离资源意味着错误的隔离，运行过程中干扰的降低，某虚拟机的crash不会影响其他虚拟机的正常运行；同时上下文调度的减少，也意味着性能的提升。

接下来讲述内存资源虚拟化。还是先回到OS的角度来考虑这个问题。以Linux的内存管理为例。

我们知道，Linux的内存管理分为几个层次：物理内存的管理、进程虚拟地址空间的管理。内核负责物理内存的分配，以及各个进程虚实地址的映射。每个进程都看到同样的虚拟地址空间0-4G（32位为例），由内核负责页表的管理。Linux内存管理实现虽然复杂，但貌似做的事情主要就两件：物理内存的分配，进程页表管理。

在Hypervisor下，内存资源的虚拟化管理，概念上同OS是类似的。

首先，Hypervisor也需要负责物理内存资源在虚拟机间的分配，除了需要同其他虚拟机通过共享内存进行通信之外，一般一个虚拟机的内存是独享的。例：系统有4G物理内存，2个虚拟机，每个虚拟机分配2G物理内存，彼此之间无法访问对方的内存资源；虚拟机间的共享内存，一般用于设备共享管理、虚拟机间通信，这里暂时不展开这一点。

其次，虚拟机也需要维护虚实地址映射管理；但是虚拟机的虚实地址映射比OS要复杂一点，因为有三重地址关系：虚拟机虚拟内存VA，虚拟机物理内存PA，机器真实物理内存MA。系统需要维护两张页表，以完成VA->PA->HA的转换，之后又HA是机器可识别的地址。一般情况下，虚拟机OS本身维护了一张页表完成VA到PA的转换，而Hypervisor维护另一张页表，完成PA到MA的转换。具体实现方式，在不同虚拟机平台上差异较大，同是跟硬件的支持也强相关。例如X86的EPT扩张页表就可用于提供地址翻译工作的加速和简化；ARM的SMMU技术也是类似的硬件虚拟化方案。后文内存虚拟化实现章节会详细讲述上述的内容。

IO虚拟化。IO包含各类字符设备、块设备和网络设备。

前面提及的两种资源，内存和CPU天然存在可分割的基因，但在屋里服务器上，IO外设往往只有一套。

传统的IO设备虚拟化，采用软件模拟的方式来解决；

解决方案1：设备模拟。如QEMU这类模拟器，可用软件的方式来模拟硬件的行为。当虚拟机访问外设的时候，系统会触发一个异常事件，在异常处理中，Hypervisor会将程序的控制权交给模拟器或设备访问模拟程序，完成一次设备访问，并把设备访问的结果在退出异常之后返回给虚拟机。这类方案，带来的性能下降是比较大的，而且模拟器本身的实现也是比骄复杂的，毕竟不同的外设很难复用模拟器代码。

解决方案2：设备访问代理模式。在Hypervisor或某个虚拟机中部署真是的设备访问驱动程序，用来做后端代理，而在其他虚拟机上部署前段程序。前段程序可发出设备访问的请求，请求数据会被后端程序捕捉到；后端程序根据捕捉到的数据进行设备的访问，并将访问结果返回给前段驱动程序。这类解决方案，也叫半虚拟化驱动。XEN的前后端驱动、KVM的virtio都属于这类解决方案。

解决方案3：硬件支持虚拟化。这类虚拟化方案，事实上就是通过扩展设备本身来支持虚拟化。最流行的就是SRIOV设备了。如Intel的82599网卡，可将一个网卡设备，分成多个VF设备，每个虚拟机可拥有一个或多个VF设备，VF设备之间拥有不同的PCI配置空间，可呈现为一张独立的网卡，因此这类设备也同内存、CPU一样拥有的分割的可能。SRIOV本身是PCIe协议的扩展。

值得一提的是，IO虚拟化是目前虚拟化技术的最后一块短板，尤其是高速设备如网卡的虚拟化，用软件虚拟化的方式很难提高性能，往往需要硬件的支持。各大设备厂商也都在这一块发力。而在具体的应用中，往往是上述几个方案并用，不同的设备灵活采用不同的解决方案。一般只有高速设备才会采用硬件虚拟化方案。

本章，只是从概念上先将虚拟化的解决方案进行一定的陈述，尚不涉及具体的实现。了解完本文的信息后，接下来就可具体的就CPU、内存、外设的虚拟化进行更加深入的了解了。