E6998 – 虚拟机第 4 讲设备虚拟化

E6998 – 虚拟机第4讲设备虚拟化 Scott Devine VMware, Inc.

大纲 • 设备虚拟化的类型 • 直接访问 • 仿真 • 半虚拟化 • 存储虚拟化[贮存虚拟化] • 写时复制磁盘（Copy-on-Write ）

计算机系统组织结构 CPU 内存 MMU 控制器本地总线接口高速 I/O总线帧缓存[缓冲器] NIC 控制器 Bridge 局域网低速 I/O 总线 CD-ROM USB

设备虚拟化 • 目标 • 隔离 • 多路技术 • 速度 • 移动性 • 干涉[插入] • 设备虚拟化策略 • 直接访问 • 仿真 • 半虚拟化

直接访问设备 VM Guest OS CPU 内存 MMU 控制器本地总线接口高速 I/O 总线帧缓冲器 NIC 控制器 Bridge 局域网低速 I/O 总线 CD-ROM USB

内存隔离w/ 直接访问设备 VM Guest OS CPU 内存 MMU 控制器本地总线接口 IOMMU 高速 I/O 总线帧缓冲器 NIC 控制器 Bridge 局域网低速 I/O 总线 CD-ROM USB

已启用虚拟化的设备[设备的虚拟化] VM2 Guest OS VM1 Guest OS CPU 内存 MMU 控制器本地总线接口 IOMMU 高速 I/O 总线 vNIC 2 vNIC 1 帧缓冲器 NIC 控制器 Bridge 局域网低速 I/O 总线 CD-ROM USB

直接访问设备虚拟化 • 允许客户操作系统直接访问底层设备 • 优点 • 速度快 • 简化了监视器 • 只需要有限的设备驱动程序 • 缺点 • 安全性(IOMMU)需要硬件支持 • 多路需要硬件支持 • 硬件接口对客户机可见 • 限制了VM的迁移性 • 根据定义很难干涉[插入]

仿真的设备 • 仿真设备 • 仿真寄存器 • 内存映射的I/O 或者可编程的I/O • 转换[转变] • 中间表示 • 每个真实设备的后端

串口示例 用户应用客户机串口芯片ABC 仿真通用串口层串口芯片ABC驱动程序宿主操作系统监视器串口芯片 XYZ 局域网

仿真的设备 • 优点 • 平台稳定 • 允许插入 • 不需要特定的硬件支持 • 由虚拟机监视器实现隔离和多路 • 缺点 • 速度慢 • 需要虚拟机监视器或宿主机中的驱动程序

半虚拟化的设备 • 客户操作系统在更高的抽象层把请求传递给监视器 • 发起请求时进行监视器调用 • 客户机和虚拟机监视器共享缓冲器 • 优点 • 简化了虚拟机监视器 • 速度快 • 缺点 • 虚拟机监视器需要提供客户操作系统相关[特定]的驱动 • (客户操作系统)自举[引导]问题

传统体系结构 Linux Linux (devel) XP Vista MacOS 虚拟机监视器硬件

基于宿主机的监视器的体系结构 用户应用客户操作系统(Linux) 宿主操作系统(Window XP) 虚拟机监视器内核模块硬件

VMware ESX 2.0 虚拟机 Source: http://www.vmware.com/pdf/esx2_performance_implications.pdf 应用程序客户操作系统服务控制台资源管理器虚拟机监视器硬件接口层

Hybrid Ex 2 - Xen 3.0 • 半虚拟化 • Linux 客户机 • 硬件支持的虚拟化 • 未修改的Windows • 隔离的硬件驱动程序设备管理和控制s/w 未修改的用户软件未修改的用户软件未修改的用户软件未修改的客户OS 客户OS 客户OS 客户OS 后端原生驱动程序前端驱动程序前端驱动程序前端驱动程序硬件 Source: Ottawa Linux Symposium 2006 presentation. http://www.cl.cam.ac.uk/netos/papers/

Hypervisor • 硬件支持的单用监视器 • 特征 • 轻量级 • 运行在一个专门的硬件模式 • 客户操作系统运行在正常特权级 • 用途 • 安全[性] • 系统管理 • 容错用户模式操作系统内核模式监视器模式 Hypervisor 硬件

虚拟磁盘 • 文件系统中的文件 • 宿主机文件系统 • Hypervisor 文件系统 • 文件的元数据 • 把磁盘块映射成[到]文件偏移量 • 平面文件 • 索引文件 • 允许磁盘根据需要增长

写时复制（COW）磁盘 Win XP + SP1 + SP2 + SP2 IE 7

写时复制（COW）磁盘 Win XP Reads + SP1 + SP2 + SP2 IE 7 Writes

非持久化执行 Win XP + SP1 + SP2 + SP2 IE 7 Reads Temp Writes

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