私有云核心：Hyper-V体系结构分析（1）

谈到虚拟化技术想必大家现在并不陌生，在整个IT产业中，虚拟化已经成为关键词，从桌面系统到服务器、从到网络，虚拟化所能涉及的领域越来越广泛。同时，各大虚拟化厂商也发布了许多虚拟化的产品，概括起来，虚拟化产品主要分为两类：基于宿主机的虚拟化产品和基于hypervisor的虚拟化产品。

基于宿主机的虚拟化产品的特点是VMM(Virtual Machine Monitor)运行于宿主机操作系统中，依赖宿主机操作系统来控制系统资源。此类虚拟化产品主要有：

n  Microsoft Virtual PC和Virtual Server

n  VMWare WorkStation

n  KVM/Qemu

这种体系结构的虚拟化产品起步较早，因此，功能比较完善，已经为广大用户所熟知，但是由于其体系结构的限制，很难用于企业级的服务。

基于hypervisor的虚拟机产品直接运行在物理硬件之上，具有比操作系统更高的系统权限，能够完全控制系统资源，而且能够充分利用处理器硬件对虚拟化的支持，因此，能够满足企业级应用程序对高性能的要求，主要的产品有：

n  Microsoft Hyper-V

n  VMWare ESX

n  Xen

在这么多的虚拟化产品中，应该如何去选取适合自己的产品呢？个人感觉应该从以下几个方面去考虑：

（1）    从企业战略发展的角度

a)        企业自身的数据存储类型

b)        企业自身的网络拓扑结构

c)        企业自身对安全的要求

d)        企业自身对数据保护和恢复的需求

（2）    虚拟产品的角度

a)        虚拟机的管理功能

b)        虚拟机监视机制

c)        虚拟机的高可用性

d)        虚拟机的补丁和更新管理

（3）    现有物理环境到虚拟框架的迁移

综合以上几个考虑点，个人感觉Hyper-V是一款非常不错的产品，下面将对其体系结构进行详细的分析。

1 Hyper-V介绍

Hyper-V 是一项基于虚拟机监控程序的虚拟化技术，主要具有以下特点：

（1）    内置于操作系统，是Windows操作系统的一部分

（2）    基于Hypervisor架构

（3）    充分利用了处理器对虚拟化的支持

（4）    可运行与Server Core

（5）    支持32-bit和64-bit两种平台的操作系统

（6）    支持多处理器虚拟机（4核）

（7）    支持大容量的内存虚拟机（64GB）

（8）    完善的CPU和I/O的资源控制

（9）    开放的WMI管理和控制API

Hyper-V 支持分区层面的隔离。分区是逻辑隔离单位，受虚拟机监控程序支持，并且操作系统在其中执行。Microsoft 虚拟机监控程序必须至少有一个父/根分区，用于运行 64 位版本的 Windows Server 2008 操作系统。虚拟化堆栈在父分区中运行，并且可以直接访问硬件设备。随后，根分区会创建子分区用于承载来宾操作系统。根分区使用虚拟化调用应用程序编程接口 (API) 来创建子分区。

分区对物理处理器没有访问权限，也不能处理处理器中断。相反，它们具有处理器的虚拟视图，并运行于每个来宾分区专用的虚拟内存地址区域。虚拟机监控程序负责处理处理器中断，并将其重定向到相应的分区。Hyper-V 还可以通过输入输出内存管理单元 (IOMMU) 利用硬件加速来加快各个来宾虚拟地址空间相互之间的地址转换。IOMMU 独立于 CPU 使用的内存管理硬件运行，并用于将物理内存地址重新映射到子分区使用的地址。

子分区对其他硬件资源也没有直接访问权限，只具有这些资源的虚拟视图，就像虚拟设备 (VDev) 一样。对虚拟设备的请求通过 VMBus 或虚拟机监控程序重定向到父分区中的设备，由父分区处理这些请求。VMBus 是用于分区之间通信的逻辑通道。父分区承载虚拟化服务提供程序 (VSP)，这些提供程序通过 VMBus 通信以处理来自子分区的设备访问请求。子分区承载虚拟化服务使用程序 (VSC)，这些使用程序通过 VMBus 将设备请求重定向到父分区中的 VSP。整个过程对来宾操作系统来说是透明的。

虚拟设备还可以利用一项名为“具有启发功能的 I/O”的 Windows Server 虚拟化功能进行存储、联网、处理图形和输入子系统。具有启发功能的 I/O 是高级通信协议（如 SCSI）的支持虚拟化功能的专门实现，它直接利用 VMBus，而避开任何设备枚举层。这可以提高通信效率，但需要有支持虚拟化监控程序和 VMBus 的具有启发功能的来宾系统。Hyper-V 具有启发功能的 I/O 和支持虚拟化监控程序的内核可通过安装 Hyper-V 集成服务来提供。集成组件包含虚拟服务器客户端 (VSC) 驱动程序，还可用于其他客户端操作系统。Hyper-V 需要一个包含硬件辅助虚拟化的处理器，如通过 Intel VT 或 AMD 虚拟化 (AMD-V) 技术提供的处理器。

2 Hyper-V体系结构

图1 Hyper-V体系结构图

下面对Hyper-V的体系结构进行简单的介绍：

（1）子分区：承载来宾操作系统（Guest OS）的分区 ，子分区对物理内存和设备的所有访问都通过虚拟机总线 (VMBus) 或虚拟机监控程序提供。

（2）虚拟化调用（HyperCall）：用于与虚拟机监控程序进行通信的接口，可通过虚拟化调用接口访问虚拟机监控程序提供的优化功能。

（3）虚拟机监控程序（Hypervisor）：驻留在硬件和一个或多个操作系统之间的软件层，其主要工作是提供称为分区的隔离执行环境，控制和裁定对基础硬件的访问。

（4）根分区：管理计算机级别的功能，如设备驱动程序、电源管理和设备热添加/移除。根（或父）分区是唯一能够直接访问物理内存和设备的分区。

（5）VMBus：虚拟机总线 基于通道的通信机制，在具有多个活动虚拟化分区的系统上，用于分区之间的通信和设备枚举，VMBus 随 Hyper-V 集成服务一起安装。

（6）VSC：虚拟化服务客户端，驻留在子分区中的一种综合设备实例。VSC 利用父分区中的虚拟化服务提供程序 (VSP) 提供的硬件资源，它们通过 VMBus 与父分区中的相应 VSP 通信以满足子分区的设备 I/O 请求。

（7）VSP：虚拟化服务提供程序，驻留在根分区中，通过虚拟机总线 (VMBus) 向子分区提供综合设备支持。