分类： 服务器与存储
2008-07-06 15:31:54
虚拟化技术将各种资源虚拟出多台主机，以提高这些资源的共享率和利用率
虚拟化可以将IT环境改造成为更加强大、更具弹性、更富有活力的架构。通过把多个操作系统整合到一台高性能服务器上，最大化利用硬件平台的所有资源，用更少的投入实现更多的应用，还可以简化IT架构，降低管理资源的难度，避免IT架构的非必要扩张。客户虚拟机的真正硬件无关性还可以实现虚拟机的运行时迁移，可以实现真正的不间断运行，从而最大化保持业务的持续性，而不用为购买超高可用性平台而付出高昂的代价。
和Sun上的虚拟化技术(CPU分区)比起来，x86上的虚拟化要落后不少的，然而确实在不断进步着，在数年前，x86上还没有什么硬件支持，甚至连指令集都不是为虚拟化而设计，这时主要靠完全的软件来实现虚拟化，当时的代表是VMware的产品，以及尚未被Microsoft收购Connectix开发的Virtual PC，在服务器市场上应用的主要是VMware的产品，包括GSX Server和稍后的ESX Server，这些软件虚拟化产品在关键指令上都采用了二进制模拟/翻译的方法，开销显得比较大，后期出现了Para-Virtualization部分虚拟化技术，避免了一些二进制转换，性能得到了提升，不过仍然具有隔离性的问题。
今天，虚拟化技术的各方面都有了进步，虚拟化也从纯软件逐深入到处理器级虚拟化，再到平台级虚拟化乃至输入/输出级虚拟化，代表性技术就是Intel Virtualization Technology for Directed I/O，简写为Intel VT-d，在介绍这个Intel VT-d之前，我们先来看看x86硬件虚拟化的第一步：处理器辅助虚拟化技术，也就是Intel Virtualization Technology，分为对应Itanium平台的VT-i和对应x86平台的VT-x两个版本。AMD公司也有对应的技术AMD-V，用于x86平台。我们介绍的是x86平台上的VT-x技术，VT-i技术原理上略为相近。
纯软件虚拟化主要的问题是性能和隔离性。Full Virtualization完全虚拟化技术可以提供较好的客户操作系统独立性，不过其性能不高，在不同的应用下，可以消耗掉主机10%~30%的资源。而OS Virtualization可以提供良好的性能，然而各个客户操作系统之间的独立性并不强。无论是何种软件方法，隔离性都是由Hypervisor软件提供的，过多的隔离必然会导致性能的下降。
这些问题主要跟x86设计时就没有考虑虚拟化有关。我们先来看看x86处理器的Privilege特权等级设计。
x86架构为了保护指令的运行，提供了指令的4个不同Privilege特权级别，术语称为Ring，从Ring 0～Ring 3。Ring 0的优先级最高，Ring 3最低。各个级别对可以运行的指令有所限制，例如，GDT，IDT，LDT，TSS等这些指令就只能运行于Privilege 0，也就是Ring 0。要注意Ring/Privilege级别和我们通常认知的进程在操作系统中的优先级并不同。
操作系统必须要运行一些Privilege 0的特权指令，因此Ring 0是被用于运行操作系统内核，Ring 1和Ring 2是用于操作系统服务，Ring 3则是用于应用程序。然而实际上并没有必要用完4个不同的等级，一般的操作系统实现都仅仅使用了两个等级，即Ring 0和Ring 3，如图所示：
也就是说，在一个常规的x86操作系统中，系统内核必须运行于Ring 0，而VMM软件以及其管理下的Guest OS却不能运行于Ring 0——因为那样就无法对所有虚拟机进行有效的管理，就像以往的协同式多任务操作系统(如，Windows 3.1)无法保证系统的稳健运行一样。在没有处理器辅助的虚拟化情况下，挑战就是采用Ring 0之外的等级来运行VMM (Virtual Machine Monitor，虚拟机监视器)或Hypervisor，以及Guest OS。
现在流行的解决方法是Ring Deprivileging(暂时译为特权等级下降)，并具有两种选择：客户OS运行于Privilege 1(0/1/3模型)，或者Privilege 3(0/3/3模型)。
无论是哪一种模型，客户OS都无法运行于Privilege 0，这样，如GDT，IDT，LDT，TSS这些特权指令就必须通过模拟的方式来运行，这会带来很明显的性能问题。特别是在负荷沉重、这些指令被大量执行的时候。
同时，这些特权指令是真正的“特权”，隔离不当可以严重威胁到其他客户OS，甚至主机OS。Ring Deprivileging技术使用IA32架构的Segment Limit(限制分段)和Paging(分页)来隔离VMM和Guest OS，不幸的是EM64T的64bit模式并不支持Segment Limit模式，要想运行64bit操作系统，就必须使用Paging模式。
对于虚拟化而言，使用Paging模式的一个致命之处是它不区分Privileg 0/1/2模式，因此客户机运行于Privileg 3就成为了必然(0/3/3模型)，这样Paging模式才可以将主机OS和客户OS隔离开来，然而在同一个Privileg模式下的不同应用程序(如，不同的虚拟机)是无法受到Privileg机构保护的，这就是目前IA32带来的隔离性问题，这个问题被称为Ring Compression。
这个问题的实际表现是：VMware在不支持Intel VT的IA32架构CPU上无法虚拟64-bit客户操作系统，因为无法在客户OS之间安全地隔离。
作为一个芯片辅助(Chip-Assisted)的虚拟化技术，VT可以同时提升虚拟化效率和虚拟机的安全性，下面我们就来看看Intel VT带来了什么架构上的变迁。我们谈论的主要是IA32上的VT技术，一般称之为VT-x，而在Itanium平台上的VT技术，被称之为VT-i。
VT-x将IA32的CU操作扩展为两个forms(窗体)：VMX root operation(根虚拟化操作)和VMX non-root operation(非根虚拟化操作)，VMX root operation设计来供给VMM/Hypervisor使用，其行为跟传统的IA32并无特别不同，而VMX non-root operation则是另一个处在VMM控制之下的IA32环境。所有的forms都能支持所有的四个Privileges levels，这样在VMX non-root operation环境下运行的虚拟机就能完全地利用Privilege 0等级。
和一些文章认为的很不相同，VT同时为VMM和Guest OS提供了所有的Privilege运行等级，而不是只让它们分别占据一个等级：因为VMM和Guest OS运行于不同的两个forms。
由此，GDT、IDT、LDT、TSS等这些指令就能正常地运行于虚拟机内部了，而在以往，这些特权指令需要模拟运行。而VMM也能从模拟运行特权指令当中解放出来，这样既能解决Ring Aliasing问题(软件运行的实际Ring与设计运行的Ring不相同带来的问题)，又能解决Ring Compression问题，从而大大地提升运行效率。Ring Compression问题的解决，也就解决了64bit客户操作系统的运行问题。
为了建立这种两个虚拟化窗体的架构，VT-x设计了一个Virtual-Machine Control Structure(VMCS，虚拟机控制结构)的数据结构，包括了Guest-State Area(客户状态区)和Host-State Area(主机状态区)，用来保存虚拟机以及主机的各种状态参数，并提供了VM entry和VM exit两种操作在虚拟机与VMM之间切换，用户可以通过在VMCS的VM-execution control fields里面指定在执行何种指令/发生何种事件的时候，VMX non-root operation环境下的虚拟机就执行VM exit，从而让VMM获得控制权，因此VT-x解决了虚拟机的隔离问题，又解决了性能问题。
