Xen的工作原理

如今，虚拟化市场上满是各种不同的虚拟化 解决方案。多年以来，VMware一直控制着基于i386的虚拟化市场。然而，现在的开源解决方案Xen也在迅速地扩张自己的市场。在本文 中，TechTarget中国的特约虚拟化专家Sander van Vugt将介绍什么是Xen、它如何工作以及Xen如何与其它虚拟化解决方案一争高下。

　　要理解Xen的虚拟化方法，首先你必须了解什么是虚拟化。在计算时代早期，虚拟化并不存在。那时，使用的是模拟（Emulation）。在模拟 技术中，软件程序模拟了计算机（硬件和软件）的行为。模拟层与操作系统对话，而操作系统与计算机硬件对话。在模拟层中安装的操作系统并不知道自己是被安装 在模拟环境下的，你可以按照常规的方法安装操作系统。市场上有两大开源的模拟器：QEMU和Bochs。

　　模拟技术最重要的特点之一是所有硬件都是模拟的，包括CPU。此外，还能在自己的架构中运行为其它架构开发的操作系统。不过，它也有一个缺点：虚拟完整的CPU要付出很大的性能代价。

　　在下一代中，虚拟化被带到了一个更高的级别。在模拟层（负责被虚拟机器的指令翻译）和硬件之间，不需要任何主机操作系统运行硬件上的虚拟机。虚 拟机监控器（也称hypervisor或管理程序）被直接放在硬件之上运行。有了这种新型架构之后，虚拟化变得更加高效。例如，VMware在 VMware ESX中应用了该架构，取得了巨大的成功。

　　在基于hypervisor的虚拟化中，有两种实现方法。第一种，虚拟机器产生的所有指令都需要被翻译成CPU能识别的指令格式，这会给 hypervisor带来大量的工作负荷。另一种方法（VMware ESX Server采用的就是这种方法）直接执行大部分子机CPU指令，直接在主机物理CPU中运行指令，性能负担很小。

　　在Xen使用的方法中，没有指令翻译。这是通过两种方法之一实现的。第一，使用一个能理解和翻译虚拟操作系统发出的未修改指令的CPU（此方法 称作完全虚拟化或full virtualization）。另一种，修改操作系统，从而使它发出的指令最优化，便于在虚拟化环境中执行（此方法称作准虚拟化或 paravirtualization）。

　　完全虚拟化与准虚拟化

　　完全虚拟化（full virtualization）是虚拟一台机器的一种方法。在此方法中，虚拟机与一个叫做虚拟机监控器（VMM）的部件进行通信，而VMM则与硬件平台进 行通信。要在Xen中利用完全虚拟化方法，需要一个特殊的CPU，此CPU能理解虚拟操作系统发出的未修改指令。如果没有这样的特殊CPU功能，是不可能 在Xen中使用完全虚拟化的。这是因为，在Xen方法中不是每条虚拟操作系统发出的指令都可以被翻译为每个CPU都能识别的格式，因为这非常耗费资源。完 全虚拟化的主要优势在于，它安装了一个未修改的操作系统，这意味着运行于同样架构的所有操作系统都可以被虚拟化。

　　效率最高的虚拟化方法是准虚拟化（paravirtualization）。在准虚拟化中，子操作系统使用一个专门的API与VMM通 信，VMM则负责处理虚拟化请求，并将这些请求递交到硬件上。由于有了这个特殊的API，VMM不需去做耗费资源的指令翻译工作。而且，使用准虚拟化 API时，虚拟操作系统能够发出更有效的指令。然而，准虚拟化也有一个缺点，就是需要修改包含这个特殊API的操作系统。而且，这个缺点对于某些操作系统 （主要是Windows）来说更要命，因为它们没有这种API。

　　现在，准虚拟化是获得最佳性能的方法，因为虚拟操作系统发出的指令不需要翻译。遗憾的是，在某些操作系统中不能完全使用准虚拟化，因为它需要一 个特殊版本的操作系统。在这样环境下，为了确保高性能，可以准虚拟化个别的设备。这意味着，可以通过硬件虚拟化来处理某些指令（如，CPU发出的指令）。 不过，有些特殊设备发出的指令（如，network board或graphical interface card）在离开虚拟机之前可以通过准虚拟化驱动被修改。有些厂商提供专门操作系统的准虚拟化驱动包，这些驱动包经常可以单独购买。通常，这些专门的驱动 包都物有所值，能够大大地提高设备性能，如网板（network board）和硬盘。

　　Xen虚拟化方法

　　在Xen环境中，主要有两个组成部分。一个是虚拟机监控器（VMM），也叫hypervisor。Hypervisor层在硬件与虚拟机之间， 是必须最先载入到硬件的第一层。Hypervisor载入后，就可以部署虚拟机了。在Xen中，虚拟机叫做“domain”。在这些虚拟机中，其中一个扮 演着很重要的角色，就是domain0，具有很高的特权。通常，在任何虚拟机之前安装的操作系统才有这种特权。

　　Domain0要负责一些专门的工作。由于hypervisor中不包含任何与硬件对话的驱动，也没有与管理员对话的接口，这些驱动就由 domain0来提供了。通过domain0，管理员可以利用一些Xen工具来创建其它虚拟机（Xen术语叫domainU）。这些domainU也叫无 特权domain。这是因为在基于i386的CPU架构中，它们绝不会享有最高优先级，只有domain0才可以。

　　在domain0中，还会载入一个xend进程。这个进程会管理所有其它虚拟机，并提供这些虚拟机控制台的访问。在创建虚拟机时，管理员使用配置程序与domain0直接对话。（在本系列的第二部分，我们将探讨如何使用配置程序。）

　　Xen与其它开源项目

　　使用Xen时，开源项目与其它项目的一些差异有时会让人感到迷惑。Xen起源于英国的剑桥大学计算机实验室，该实验室开发了Xen开源项目。这 个项目包括虚拟机监控器，即Xen环境的核心组成部分。除了剑桥大学的科学家以外，很多其它IT领域集团也都参与了Xen开源项目，其中包括IBM、 AMD、HP、Red Hat和Novell。

　　由于Xen方法使虚拟化领域迈出了一大步，因此Xen的创始人成立了他们自己的公司XenSource（最近被Citrix收购）。他们成立 XenSource的目的是为了基于Xen hypervisor而提供一个完善的虚拟化解决方案，与其它虚拟化产品（如VMware ESX）竞争。其它企业也在它们自己的产品中综合应用了Xen hypervisor。例如，Linux厂商Red Hat和Novell公司都在自己的操作系统中包含了各自版本的Xen。由于Xen的大多数部分都是开源的，所以这些解决方案都非常相似。在本系列的中，我们将重点探讨Xen虚拟化解决方案的开源部分。