KVM基本原理和架构一-概念和术语

 

l  KVM：Kernel-based Virtual Machine，基于kernel的虚拟机

l  VMM：Virtual Machine Monitor，虚拟机监控器，在KVM虚拟化环境中，即KVM内核。

l  VM：Virtual Machine，虚拟机，即Guest机。

l  全虚拟化：Guest OS无需做任何改动即可运行。有两种实现方式：软件辅助实现和硬件辅助实现。

ü  软件辅助实现的全虚拟化：一般采用优先级压缩(Ring Compression)和二进制翻译(Binary Translation)实现。由于一些特权指令必须运行于特权级Ring0，如LGDT，通常OS kernel运行Ring0中，这样虚拟化环境中，VMM就没有Ring可用了。优先级压缩大致原理为：使VMM运行于Ring0，Guest OS kernel运行于Ring1，而Guest OS user运行于Ring3。优先级压缩能正确处理大部分的特权指令，但是由于x86架构存在虚拟化漏洞(部分敏感指令不能被捕获)，采用二进制翻译方法来处理这些虚拟化漏洞：VMM扫描并修改Guest的二进制代码，将无法捕获的敏感指令转换为支持虚拟化的指令。

ü  硬件辅助实现的全虚拟化：依赖硬件虚拟化特性(比如Intel VT-x)，基本思想是：在硬件架构上加入了足够的虚拟化功能，使其可以截获Guest OS中所有敏感指令，并进行模拟。

l  半虚拟化：Guest OS需要进行修改，对不能“陷入”的敏感指令进行替换，以解决敏感指令的捕获问题。

l  VT-x：Intel为CPU虚拟化提供了VT-x(Intel Virtualization for x86)技术(AMD SVM也提供了类似的功能)，VT-x引入了一套新的工作模式，即VMX(Virtual Machine eXtension)，该模式下的CPU具有两种操作模式：根模式(VMX root operation)和非根模式(VMX non-root operation)。每种操作模式下，都有独立的Ring0-Ring3。

ü  VMM运行于根模式，对KVM虚拟化环境来说，即KVM主机运行于根模式，主机中的kernel运行于根模式中的Ring0，主机中用户态程序(比如Qemu-kvm)运行于根模式中的Ring3。

ü  Guest运行于非根模式，Guest中的kernel运行于非根模式中的Ring0，Guest中的用户态程序运行于非根模式中的Ring3。

此外，VT-x还引入了一组新的指令，包括VMLAUNCH/VMRESUME(用于发起VM-Entry)、VMREAD/VMWRITE(用于配置VMCS)等。

l  VM-Exit/VM-Entry：在VT-x环境中，非根模式下(即Guest中)，执行敏感指令触发的“陷入”称为VM-Exit。VM-Exit发生时，CPU自动从非根模式切换到根模式下，然后就可以由VMM对触发VM-Exit的敏感指令做进一步处理或模拟。

与VM-Exit对应的是VM-Entry，此操作由VMM发起，通常是VMM调度某个Guest(或VCPU)运行时引起，此时CPU自动由根模式切换为非根模式。

l  VMCS：在VT-x环境中，引入了VMCS(Virtual Machine Control Structure，虚拟机控制结构)，以便更好的支持CPU虚拟化。VMCS用于保存虚拟CPU需要的相关状态，比如：CPU在根模式和非根模式下的寄存器的值、VM-Exit的原因等，当CPU发生VM-Exit和VM-Entry时，会自动查询和更新VMCS，VMM也可以通过配置VMCS控制CPU的行为。