虚拟化技术与云计算 第一讲 20110908

虚拟化的分类
半虚拟化
VMM需要操作系统的协助才能够完成对x86敏感特权指令的虚拟化。
优点：性能高。能达到与原始系统相近的性能. 缺点： 必须修改GuestOS 代表产品： Xen；Denali
虚拟化的分类
硬件虚拟化
VMM需要硬件的协助才能完成对硬件资源的虚拟。
优点：也不用修改GuestOS内核 缺点：需要硬件支持。 代表技术： Intel-VT；AMD-V
应用程序 Guest OS 应用程序 ... Guest OS 虚拟机监控器(VMM) 计算机硬件（CPU、内存、硬盘等） Guest OS 应用程序
虚拟机和虚拟机监控器
传统IT架构
传统架构示意图
传统IT架构的问题
传统架构面临的问题
服务器 性能没 有得到 充分利 用;
更换硬件或 迁移应用， 都要先停机
Computers
课程的目的
了解虚拟化与云计算的概念
了解虚拟化与云计算的出现背景
了解虚拟化与云计算的主要应用
了解虚拟化与云计算的典型产品 了解虚拟化与云计算的发展趋势
课程的相关性
体系结构
编译技术 算法与复杂性
网络安全
虚拟化技术 与云计算
数据库
网格计算 人机交互
系统芯片设 计与测试
虚拟化技术
目录
虚拟化技术与云计算
第一讲
管海兵 教授
08-09-2011
基本情况
任课老师
管海兵 hbguan@ 梁阿磊 liangalei@
助教
马汝辉 （博士生）ruhuima@sjtu 常郅博（硕士生）
辅导教材
James E Smith 《Virtual Machines: Versatile Platforms for Systems and Processes》 王庆波、陈滢等 （IBM） 《虚拟化与云计算》
全虚拟化 无需修改
好 差 二进制代码翻译 影子页表 设备模拟
半虚拟化 需修改
差 高 超级调用 MMU半虚拟化 半虚拟化驱动
硬件虚拟化 无需修改
好 一般（逐步改善） 增加新指令 影子页表 设备模型（直接访 问）
目录
1. 虚拟化的概念
2. 虚拟化的发展历程
3. 虚拟化的分类
4. 经典虚拟机 5. 虚拟化的一些误区 6. 虚拟化的发展前景
物理硬 件故障， 应用随 之崩溃
操作系 统崩溃， 应用随 之停止
虚拟架构
添加一个虚拟层
单一物理硬件， 可以对应多个 操作系统
一个操作系统崩 溃，不会影响到 另一个
虚拟架构的特点
虚拟架构的优点—应用和物理硬件都能够方便的添加或移除
目录
1. 虚拟化的发展历程
2. 虚拟化的概念
3. 虚拟化的分类
4. 经典虚拟机 5. 虚拟化的一些误区 6. 虚拟化的发展前景
X86，x86_64，安腾， X86，x86_64，安腾， ARM ARM 技术成熟，历史久远 商业级的技术，技术 成熟，稳定性高 EMC,VMware 可视化的操作界面， 简单易用 功能性能最为强大， 但价格昂贵
支持厂商 可管理性 企业级特性支持程度
Linux社区，Redhat， Citrix，Oracle， Ubuntu,Novell,IBM Novell 命令行模式，桌面模 式 需企业自己开发， 商业级的有Redhat的 虚拟化产品 命令行模式，桌面模 式 需企业自己开发， 商业级的有Citrix的 Xen Server
影子页表
VMM中产生一个新的页表（影子页表），内容为虚拟地址到机器地 址
• 缺点：开销太大
• 方法：1.只为当前进程的页表维护影子页表（切换开销大） 2.影子页表缓存技术 3.硬件支持： intel的虚拟处理器标识（VPIDs）和扩展页 技术（EPT）
I/O虚拟化
全虚拟化
软件精确模拟与物理设备完全一样的接口，Guest OS 驱动无须修 改就能驱动这个虚拟设备
产品特点
与Windows操作系统结合的非常好
经典虚拟机
Xen
Xen是英国剑桥大学的一个研究项目，现在已经成为最著名的开
源虚拟机监控器之一，有自己独立的社区
产品特点
• 可移植性非常强 • 提供了接近于物理机性能
经典虚拟机
KVM
KVM（Kernel-Based Virtual Machine）是与Xen齐名的一个开
半虚拟化
修改GuestOS，前后端相互协作，提供更加高效的IO虚拟化
硬件虚拟化
直接将物理设备分配给某个 Guest OS，由 Guest OS 直接访问I/O
设备（不经过 VMM）
典型虚拟化技术的比较
3种虚拟化技术对比
类别 修改Guest OS
兼容性 性能 CPU虚拟化 内存虚拟化 I/O 虚拟化
Model 40VM。
• 计算资源昂贵，为了充分利用计算资源
最早使用虚拟化技术的IBM 7044 计算机
虚拟化的发展历程
虚拟化技术真正成熟是在15年后的IBM VM/370系统中，以VM/370
为代表的虚拟机和系统虚拟化技术完整的实现了虚拟机的思想。
• 表现：用户能够运行同方法，分为以下三类：
全虚拟化（不修改GuestOS内核）
虚拟化技术
半虚拟化（修改GuestOS内核）
硬件虚拟化（硬件支持）
虚拟化的分类
全虚拟化
VMM向虚拟机模拟出和真实硬件完全相同的硬件环境。
优点：不用修改GuestOS内核 缺点： hypervisor给处理器带来开销。 代表产品： VMware；Virtual PC
在 20 世纪 80 年代和 90 年代，由于个人计算机计算能力低下，虚
拟化技术陷入低谷
虚拟化的发展历程
20世纪90年代后期开始，由于硬件水平的提高，RISC 服务器与小型
机成为了虚拟化技术第二波受益者。
• 1997年，斯坦福大学开发的Disco系统，探索了在共享内存的大规模多处理器系
统上运行普通的桌面操作系统。
的VMDq技术，SR-IOV技术等等
目录
1. 虚拟化的发展历程
2. 虚拟化的概念
3. 虚拟化的分类
4. 经典虚拟机 5. 虚拟化的一些误区 6. 虚拟化的发展前景
虚拟化的概念
虚拟化技术是一个广义的术语，是指计算元件在虚拟的基础上而不是
真实的基础上运行，是一个为了简化管理，优化资源的解决方案。 本质：物理硬件与操作系统分开，提供更高的资源利用率和灵活性。
Linux内核模块
操作系统之上的模块
操作系统之上的模块 Linux Windows（32 位，64位）
Linux，Windows
Linux（32位，64位） Linux,windows,Solari s,BSD(32位，64位)
Linux，windows X86，x86_64（IntelVT/AMD-V） 高速发展中，技术先 进，是未来的发展趋 势 Linux，Windows， Solaris，BSD
1. 虚拟化的发展历程
2. 虚拟化的概念
3. 虚拟化的分类
4. 经典虚拟机 5. 虚拟化的一些误区 6. 虚拟化的发展前景
目录
1. 虚拟化的发展历程
2. 虚拟化的概念
3. 虚拟化的分类
4. 经典虚拟机 5. 虚拟化的一些误区 6. 虚拟化的发展前景
虚拟化的发展历程
历史上第一个虚拟机是1965年左右IBM公司开发的System/360
区。
虚拟化的发展历程
X86体系结构的先天设计，存在对虚拟化的支持缺陷。
Ring 3 Ring 2 Ring 1
Kernel工作在最高 优先级，即level 0
Ring 0
内核
问题： Guest OS 不能运行于Ring 0，
系统服务 用户扩展 应用程序
因为 OS 需要运行 的某些 Ring 0 特权 指令将互相干扰
成绩
Homework 40%，
final project （proposal + report）60%
Gartner Report
Top 10 Strategic Top 10 Strategic Top 10 Strategic Technology Areas Technology Areas for Technology Areas for for 2009 2011 2010 1. Virtualization 1. Cloud Computing 2. Cloud Computing 1. Cloud Computing 2. Mobile Applications 3. Servers: Beyond 2. AdvancedAnalytics and Media Tablets Blades 3. Client Computing 3. Social Communications 4. Web-Oriented Architectures and Collaboration 4. IT for Green 5. Enterprise Mashups 5. Reshaping the 4. Video 6. Specialized 5. Next Generation Data Center Systems Analytics 6. Social Computing 7. Social Software 6. Social Analytics and Social 7. Security –Activity Networking 7. Context-Aware Monitoring Computing 8. Unified 8. Flash Memory Communications 8. Storage Class Memory 9. Business 9. Virtualization for 9. Ubiquitous Computing Intelligence Availability 10. Fabric-Based 10.Green Information 10. MobileApplications Infrastructure and Technology
CPU虚拟化
Ring3
应用程序
非特权指令代码 直接CPU执行
Ring3
应用程序
非特权指令代码 直接CPU执行
Ring1
客户操作系统 特权指令执行，采 用二进制翻译或者 Trap-and-Emulate
Ring1
客户操作系统 对于不可虚拟化指令 采用hypercall陷入， 由VMM来模拟执行
Ring0
VMM软件
Ring0
VMM软件
主机物理硬件
主机物理硬件
全虚拟化技术中的CPU虚拟化
半虚拟化技术中的CPU虚拟化
内存虚拟化
问题：内存地址的层次由两层向三层的转变使得原来的内存管理单
元（MMU）失去了作用，因为普通的MMU只能完成一次虚拟地址到 物理地址的映射
内存虚拟化
MMU半虚拟化
修改guest os，让其页表为虚拟地址到机器地址
• 1998年，基于Disco系统的研究经验，著名的VMware公司诞生。通过运行在 Windows NT上的VMware来启动Windows 95的做法让人们惊叹不已。 • 1999年，IBM 公司利用逻辑分区(LPAR)”技术，令单台服务器工作起来如同 12 个独立的服务器。 • 2002 年，IBM 还更进一步，利用动态逻辑分区(DLPAR)技术，允许在无需重启 系统的情况下，将包括处理器、内存和其它组件在内的系统资源分配给独立的分
X86的四个特权级
虚拟化的发展历程
在经典的CPU虚拟化模型中，CPU的虚拟化通常采用的是“特权解
除”（Privilege Deprivileging）和“陷入-模拟”（trap-andemulation）技术
虚拟化的发展历程
从体系结构本身入手，加入硬件支持
• • 2005年，Intel公布VT技术，接着AMD公布SVM技术 至今，各个层次逐渐加入虚拟化的硬件支持，如针对I/O的VT-d技术，针对网卡
源虚拟机监控器。后来被集成到了Linux 2.6.20内核中，成为内
核的一部分
产品特点
• 与linux内核结合的非常好 • 和xen一样，KVM的移植性也很好
KVM 虚拟化方式 全虚拟化
Xen 半虚拟化，全虚拟化
VMware 半虚拟化，全虚拟化
与操作系统的关系 HostOS
GuestOS 使用架构和硬件平台 技术成熟度
经典虚拟机
VMware
• VMware ESX Server 3
• VMware Server
• VMware Workstation
产品特点
• 功能丰富 • 配置和使用方便
• 稳定,适合企业使用
经典虚拟机
Microsoft
• Virtual PC
• Virtual Server
• Windows Server 2008