服務(wù)器虛擬化技術(shù)演進(jìn)

SexySix 發(fā)布于2019-06-28 11:24 / 1413人閱讀

摘要：無論是微服務(wù)架構(gòu)還是服務(wù)網(wǎng)格架構(gòu)，都是在服務(wù)器虛擬化技術(shù)日漸成熟后才得以大規(guī)模使用。超虛擬化技術(shù)就能很好的解決二進(jìn)制翻譯的問題。于是和的組合就奠定了服務(wù)器虛擬化的基石。

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一、前言

服務(wù)器虛擬化技術(shù)是云計(jì)算的基石，在最大化利用硬件資源的同時(shí)，又降低了使用成本，讓系統(tǒng)具備彈性伸縮能力，促使現(xiàn)代系統(tǒng)的架構(gòu)出現(xiàn)了革命性的變化。無論是微服務(wù)架構(gòu)還是服務(wù)網(wǎng)格架構(gòu)，都是在服務(wù)器虛擬化技術(shù)日漸成熟后才得以大規(guī)模使用。本文主要介紹 CPU 虛擬化技術(shù)的演進(jìn)過程，以英特爾的 x86 平臺(tái)為主，為掌握云計(jì)算相關(guān)知識(shí)打好基礎(chǔ)。

二、CPU 保護(hù)環(huán)

為了提升系統(tǒng)的安全性，避免惡意操作，CPU 廠商設(shè)計(jì)了一種分級(jí)保護(hù)的機(jī)制。以 x86 芯片為例，就分為 Ring 0 到 Ring 3 幾個(gè)級(jí)別。

Ring 0 擁有最高特權(quán)，可以和硬件直接交互，操作系統(tǒng)就是跑在 Ring 0。而應(yīng)用軟件一般跑在 Ring 3 上，當(dāng)需要調(diào)用特權(quán)指令（如寫內(nèi)存）的時(shí)候，就會(huì)觸發(fā)一個(gè)軟中斷，操作系統(tǒng)捕獲到后再去做相應(yīng)的操作，操作完再將控制權(quán)交還給應(yīng)用。

保護(hù)環(huán)暫且聊到這里，下面還會(huì)講這種設(shè)計(jì)存在的一些問題，請(qǐng)繼續(xù)往下看。

三、CPU 虛擬化技術(shù)的演進(jìn)

服務(wù)器虛擬化最早在 19 世紀(jì) 60 年代就提出了，當(dāng)時(shí)的機(jī)器都是單線程的，一臺(tái)機(jī)只能跑一個(gè)程序，很浪費(fèi)硬件資源。于是就有人研究在一臺(tái)物理機(jī)上跑多個(gè)操作系統(tǒng)，這樣就能跑多個(gè)程序了。但后來由于操作系統(tǒng)的改進(jìn)，出現(xiàn)了多進(jìn)程和多線程技術(shù)，于是虛擬化技術(shù)就被暫時(shí)擱置了。

到了 1998 年，隨著二進(jìn)制翻譯技術(shù)的成熟，在一臺(tái)機(jī)器上跑不同的操作系統(tǒng)已經(jīng)不成問題。二進(jìn)制翻譯技術(shù)簡(jiǎn)稱BT，是一種直接翻譯可執(zhí)行二進(jìn)制程序的技術(shù)，能夠把一種處理器上的二進(jìn)制程序翻譯到另外一種處理器上執(zhí)行。二進(jìn)制翻譯技術(shù)將機(jī)器代碼從源機(jī)器平臺(tái)映射(翻譯)至目標(biāo)機(jī)器平臺(tái)，包括指令語義與硬件資源的映射，使源機(jī)器平臺(tái)上的代碼“適應(yīng)”目標(biāo)平臺(tái)。最早作出嘗試的是VMware，實(shí)現(xiàn)原理見下圖：

操作系統(tǒng)和 VMM （Virtual Machine Monitor）跑在 Ring 0 上，虛擬化的 OS 跑在 Ring 1 上。當(dāng)虛擬化 OS 需要跑內(nèi)核指令的時(shí)候，就會(huì)觸發(fā)軟中斷，VMM 捕獲后就會(huì)進(jìn)行必要的翻譯和執(zhí)行操作。但x86架構(gòu)有一類特殊的指令，稱為敏感指令，它既能執(zhí)行特權(quán)操作，又無法被 Ring 0 捕獲，導(dǎo)致虛擬機(jī)無法正確的執(zhí)行這些指令。

為了解決這個(gè)問題，前后發(fā)展出 3 種方案：

二進(jìn)制翻譯（Binary Translation）

超虛擬化（Para Virtualization）

硬件輔助虛擬化（Hardware Assistance）

二進(jìn)制翻譯原理就是 VMM 動(dòng)態(tài)的掃描虛擬操作系統(tǒng)的內(nèi)核，一旦發(fā)現(xiàn)不能被捕獲的敏感指令，就將其替換為一條或多條的特權(quán)指令，這樣就能保證指令的正確執(zhí)行。典型的代表是VMware的第一代虛擬桌面。這種技術(shù)有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，就是能明顯的感覺到虛擬機(jī)會(huì)卡頓，因?yàn)閯?dòng)態(tài)掃描和替換指令是一種很耗資源的操作。

超虛擬化技術(shù)就能很好的解決二進(jìn)制翻譯的問題。它的原理是提前修改安裝在虛擬機(jī)上的操作系統(tǒng)，將敏感指令替換掉，這樣所有的特權(quán)指令都能被 VMM 捕捉到了，典型的代表是第一代的Xen。但這又帶來另一個(gè)問題，就是安裝的操作系統(tǒng)必須是內(nèi)核被修改過的系統(tǒng)，不能隨意安裝任意的系統(tǒng)。

英特爾慢慢意識(shí)到自己芯片存在的問題，于是改良了芯片設(shè)計(jì)，在 CPU 保護(hù)環(huán)中新增了 Ring -1 層。VMM 跑在 Ring -1 層后，所有的指令都能被捕捉了，而且還新增了一些專門用于虛擬化的指令，這就是 VT-X 技術(shù)。最早使用這一技術(shù)的KVM公司，在成功商業(yè)化后就被英特爾收購(gòu)了。隨后英特爾宣告將KVM技術(shù)開源，造福整個(gè)產(chǎn)業(yè)。

CPU 的虛擬化是服務(wù)器虛擬化的關(guān)鍵技術(shù)，但如內(nèi)存和網(wǎng)卡等其它硬件的虛擬化技術(shù)也不容忽視，在這方面QEME公司就做得很好。于是KVM和QEMU的組合就奠定了服務(wù)器虛擬化的基石。

四、Hypervisor 類型

虛擬化層，也就是上文提到的 VMM，現(xiàn)在一般會(huì)命名為 Hypervisor。Hypervisor 有 2 種類型：

Type 1，裸金屬（Bare Mental）

Type 2，基于操作系統(tǒng)

Type 1 的 Hypervisor 不依賴操作系統(tǒng)，直接安裝在硬件之上，典型的代表是Xen和KVM。
Type 2 的 Hypervisor 安裝在特定的操作系統(tǒng)之上，像跑應(yīng)用一樣的啟動(dòng)和操作虛擬機(jī)，典型的代表是Oracle VirtualBox和VMware Workstation。

總結(jié)

本文介紹了 CPU 虛擬化技術(shù)的演進(jìn)過程，從二進(jìn)制翻譯、超虛擬化再到終極的解決方案硬件輔助虛擬化。虛擬化技術(shù)的不斷演進(jìn)，為云計(jì)算的工業(yè)化鋪平了道路。在后面的文章中，我還會(huì)繼續(xù)介紹云計(jì)算的相關(guān)知識(shí)，敬請(qǐng)期待。