Xen虚拟化技术.docx

7.5.2Xen虚拟化技术本节中将以主流的Xen体系架构为例说明虚拟化系统的一般技术架构和工作原理。1．Xen体系结构（XenHypervisor）XenHypervisor（即Xen的VMM）位于操作系统和硬件之间负责为上层运行的操作系统内核提供虚拟化的硬件资源负责管理和分配这些资源并确保上层虚拟机（称为域）之间的相互隔离。Xen采用混合模式因而设定了一个特权域用以辅助Xen管理其他的域并提供虚拟的资源服务该特权域称为Domain0而其余的域则称为DomainU。Xen的体系架构如图7-25所示。Xen向Domain提供了一个抽象层其中包含了管理和虚拟硬件的API。Dom0内部包含了真实的设备驱动（原生设备驱动）可直接访问物理硬件负责与Xen提供的管理API交互并通过用户模式下的管理工具来管理Xen的虚拟机环境。（点击查看大图）图7-25Xen体系架构图Xen向Domain提供了VCPU、虚拟MMU（MemoryManagementUnit）等基本的虚拟硬件和基本机制（事件通道）并向Domain提供了虚拟域管理API（控制接口）。对Domain设备的访问Xen也提供了相应的硬件接口（安全硬件接口）以保证设备访问得以安全进行。在Xen体系架构中涉及到的基本概念包括：控制接口：仅能被Dom0使用用于帮助Dom0控制和管理其他的Domain。控制接口提供的具体功能包括Domain的创建、销毁、暂停、恢复及迁移对其他Domain的CPU调度、内存分配及设备访问等。安全硬件接口：提供除虚拟CPU、MMU之外的所有硬件虚拟工作包括DMA/IO、驱动程序、虚拟的PCI地址配置、虚拟硬件中断等。该接口只能被具有原生设备驱动的Domain使用而向其他Domain则仅通过设备通道提供虚拟硬件服务。VCPU：Xen为每个Domain建立了VCPU结构用以接收GuestOS中传递的指令其中大部分的指令被VCPU直接提交到物理CPU执行而对于特权指令则需要经过确认后交由Xen代为执行。虚拟MMU：用于帮助GuestOS完成虚拟地址到机器地址的转换。Xen系统中增加了客户物理地址层因而地址由原来的二层结构变为三层结构。Xen通过虚拟MMU仍能使用硬件MMU来完成地址转换。事件通道：是用于Domain和Xen之间、Domain相互之间的一种异步事件通知机制用于处理GuestOS中的虚拟中断、物理中断以及Domain之间的通信。设备管理器：位于Dom0和IDD（IndependentDeviceDomain）中可作为系统BIOS的扩展用于向所有的设备提供通用的管理接口并负责在Domain启动时加载特定的设备驱动、建立管理设备通道、提供硬件设备配置接口并处理设备访问错误。2．CPU虚拟化（1）半虚拟化对CPU指令集不提供硬件支持的情况Xen只能采取半虚拟化的方案通过修改GuestOS的内核对有缺陷的指令进行替换。在这种模式下Xen位于操作系统和硬件之间为其上运行的GuestOS内核提供虚拟化的硬件环境因而Xen具有最高特权级而GuestOS被迫迁移到相对低的特权级中称为特权解除（PrivilegeDeprivileging）。x86架构中CPU提供了4个特权级（0环到3环）以及分段和分页的内存保护机制但目前多数操作系统中均只使用到了0环和3环两个特权级对应地存在两种特权解除方式：0/1/3模型（操作系统运行在1环、VMM运行在0环、应用程序运行在3环）和0/3模型（操作系统和应用程序运行在3环VMM运行在0环）。无论采用哪种模型Xen都将替代原操作系统内核占据最高的特权级因而在Xen下运行的GuestOS内核将无法执行某些特权指令并将产生一般保护性错误Xen必须通过超级调用向GuestOS提供执行这些特权指令执行的接口。（2）硬件虚拟化面前x86架构中通过引入新的指令和处理器运行模式使得VMM和GuestOS运行在不同的模式下GuestOS只能在受控模式下运行而在需要VMM进行监控和模拟时由硬件支持模式的切换。在硬件虚拟化方式下不需要对GuestOS内核进行修改而是直接由硬件完成指令的捕获。3．内存虚拟化在半虚拟化模式下Xen的内存虚拟化通过内存分段保护机制使得Xen和GuestOS共存于同一个内存地址空间中简化了Xen对Domain内存的分配和管理工作同时利用内存分页机制Xen可保证各Domain在内存上的有效隔离。Xen需要确保任意两个非特权Domain不会访问到同一内存区虚拟域因而每一页或页目录的更新必须经过Xen的确认以保证每个Domain只能控制自己的页表。通过修改GuestOS的内核Xen可让GuestOS也参与到内存管理工作中来Xen可更多关注于内存虚拟化中更重要的内存隔离工