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Do