hypervisor介绍

1、hypervisor : 一种运行在物理服务器和操作系统之间的中间层软件，可以允许多个操作系统和应用共享一套基础物理硬件。可以将hypervisor看做是虚拟环境中的“元”操作系统，可以协调访问服务器上的所有物理设备和虚拟机，所 以又称为虚拟机监视器(virtual machine monitor ) 。 hypervisor是所有虚拟 化技术的核心，非中断的支持多工作负载迁移是hypervisor的基本功能。当服务器启动并执行hypervisor时，会给每一台虚拟机分配适量的内存，cpu ,网 络和磁盘资源，并且加载所有虚拟机的客户操作系统。以下内容来自非常不错的介绍，分享给大家。hyper

2、visor之于操作系统类似于操作系统之于进程。它们为执行提供独立 的虚拟硬件平台，而虚拟硬件平台反过来又提供对底层机器的虚拟的完整访问。 但并不是所有hypervisor都是一样的，这是件好事，因为 Linux就是以灵活 性和选择性著称。本文首先简要介绍虚拟化和hypervisor ,然后探索两个基于Linux 的 hypervisor 。虚拟化和 hypervisor我们首先花一点时间理解为什么虚拟化很重要，以及hypervisor的扮演的角色。(要更多地了解这两个主题，请参见参考资料)。在本文中，虚拟化就是通过某种方式隐藏底层物理硬件的过程，从而让多个操作系统可以透明地使用和共享它这种架构

3、的另一个更常见的名称是 平台虚拟化。在典型的分层架构中，提供平台虚拟化的层称为 hypervisor （有时称为 虚拟机管理程序或VMM ）。来宾操作系统称为虚拟机（VM ）,因为对这些VM 而言，硬件是专门针对它们虚拟化的。图 1简单的展示了这个分层架构。图1.显示常用硬件虚拟化的简单分层架构GuesIVirtual hancMare HypervisorPlattonm Hardware）Physical hardware平台虚拟化的好处很多。美国环境保护署（EPA）报告的一组有趣的统计数 据就证明了其好处。EPA研究服务器和数据中心的能源效率时发现，实际上服 务器只有5%的时间是在工作的

4、。在其他时间，服务器都处于 “休眠”状态。 在单个服务器上的虚拟化平台能够改善服务器的利用率，但是减少服务器的数量 才是它的最大功用。减少服务器数量意味着减少不动资产、能耗、冷却和管理成 本。使用更少的硬件还能提高可靠性。总之，平台虚拟化不仅带来技术优势，还 能创造成本和能源优势。在图1中可以看到，hypervisor是提供底层机器虚拟化的软件层（在某些 情况下需要处理器支持）。并不是所有虚拟化解决方案都是一样的，您可以在参 考资料中了解更多的虚拟化方式。继续讨论进程，操作系统将对机器的底层资 源的访问虚拟化为进程。hypervisor也做一样的事情，但其对象不是进程，而 是整个来宾操作系统h

5、ypervisor 分类hypervisor 可以划分为两大类。首先是类型1,这种hypervisor 是直接运行在物理硬件之上的。其次是类型2,这种hypervisor运行在另一个操作系 统（运行在物理硬件之上）中。类型 1 hypervisor 的一个例子是基于内核的虚 拟机（KVM它本身是一个基于操作系统的hypervisor ）。类型2hypervisor 包括 QEMU 和 WINE。hypervisor 的构成hypervisor （不管是什么类型）仅是一个从其来宾操作系统抽象机器硬件的 分层应用程序。通过这种方式，每个来宾操作系统看到的仅是一个VM而不是真实的硬件机器。我们大致看

6、一下hypervisor的内部组成，以及它在VM （来 宾操作系统）上的表示。在较高级别上，hypervisor需要少量设施启动来宾操作系统：一个需要驱 动的内核映像、一个配置（比如IP地址和所需的内存量）、一个磁盘盒一个网 络设备。磁盘和网络设备通常映射到机器的物理磁盘和网络设备（如图2所示）。最后，需要使用一组来宾操作系统工具启动和管理来宾操作系统。图2.在假设hypervisor中的最小资源映射然后，一个简化的hypervisor架构实现最后的关键功能，从而使来宾操作 系统可以和宿主操作系统同时运行。实现这个功能需要一些特定的要素，如图3一个所示。首先，类似于将用户空间应用程序和内核函数

7、连接起来的系统调用,通常可用的虚拟化调用（hapercall , hypervisor对操作系统进行的系统调用） 层允许来宾系统向宿主操作系统发出请求。可以在内核中虚拟化I/O ,或通过来宾操作系统的代码支持它。故障必须由hypervisor亲自处理，从而解决实际的 故障，或将虚拟设备故障发送给来宾操作系统。hypervisor还必须处理在来宾操作系统内部发生的异常。（毕竟，来宾操作系统发生的错误仅会停止该系统， 而不会影响hypervisor 或其他来宾操作系统）。hypervisor的核心要素之一 是页映射器，它将硬件指向特定操作系统（来宾或 hypervisor ）的页。最后， 需要使用

8、一个高级别的调度器在 hypervisor和来宾操作系统之间传输控制。图3,简化的基于Linux 的hypervisorAppSGuestHypercall interfaceI/OimermptsPage mapperSctiedulerHypervisor elements§悟血MLinux kern elPlatform (Hardar&jLinux hypervisor本文探索两个基于 Linux的hypervisor 解决方案。首先是 KVM ,它是 首个被集成到Linux内核的hypervisor解决方案，并且实现了完整的虚拟化。其次是Lguest ,这是一个实验

9、hypervisor ,它通过少量的更改提高准虚拟化。KVMKVM针对运行在x86硬件硬件上的、驻留在内核中的虚拟化基础结构。KVM是第一个成为原生 Linux内核（2.6.20 ）的一部分的 hypervisor ,它是 由Avi Kivity 开发和维护的，现在归 Red Hat所有。这个hypervisor 提供x86虚拟化，同时拥有到 PowerPC? 和IA64的 通道。另外，KVM最近还添加了对对称多处理（SMP）主机（和来宾）的支持， 并且支持企业级特性，比如活动迁移（允许来宾操作系统在物理服务器之间迁 移）KVM是作为内核模块实现的，因此 Linux只要加载该模块就会成为一个h

10、ypervisor 。KVM 为支持hypervisor 指令的硬件平台提供完整的虚拟化（比 如 Intel? Virtualization Technology Intel VT 或 AMD Virtualization AMD-V产品）。KVM还支持准虚拟化来宾操作系统，包括 Linux和 Windows?。这种技术由两个组件实现。第一个是可加载的 KVM模块，当在Linux内 核安装该模块之后，它就可以管理虚拟化硬件，并通过 /proc文件系统公开其 功能（见图4） o第二个组件用于 PC平台模拟，它是由修改版 QEMU提供 的。QEMU作为用户空间进程执行，并且在来宾操作系统请求方面与

11、内核协调。图4. KVM hypervisor 的高级别视图kvm的实用程序），它就成为宿主操作系统的一个进程，因此就可以像其他进程一样调度它。但与传统 的Linux进程不一样，来宾操作系统被 hypervisor标识为处于“来宾”模 式（独立于内核和用户模式）。每个来宾操作系统都是通过/dev/kvm设备映射的，它们拥有自己的虚拟地 址空间，该空间映射到主机内核的物理地址空间。如前所述，KVM使用底层硬 件的虚拟化支持来提供完整的（原生）虚拟化。I/O请求通过主机内核映射到在 主机上（hypervisor ）执行的 QEMU 进程。KVM在Linux环境中以主机的方式运行，不过只要底层硬件虚

12、拟化支持， 它就能够支持大量的来宾操作系统。您可以在 参考资料部分找一个到受支持的 来宾操作系统的列表。Lguest（以前的 lhype ）Lguest hypervisor由澳大利亚旧M 的Rusty Russell开发，它采用完全不同的方式实现虚拟化。Lguest并没有为运行任意操作系统提供完整的虚拟化 支持，而是为支持x86的Linux来宾操作系统（也称为Linux-on-Linux 虚拟 化）提供轻量级准虚拟化。这意味着来宾操作系统知道自己正在被虚拟化，并且这同时还会改进性能。但是，Lguest不需要QEMU提供平台虚拟化（像在 KVM中一样）来改进性能。使用Lguest这种方法还减少

13、了总代码需求，仅需 在来宾操作系统和宿主操作系统中使用一个瘦层。现在，我们探索这些变化，并查看Lguest环境的高级别架构。如图5所示，来宾操作系统包含一个 Lguest代码瘦层（根据定义，就是 准虚拟化）。这段代码提供许多服务。在最高的级别，有一些代码可以决定正在 启动的内核是否被虚拟化。止匕外，还有一个通过虚拟化调用将特权操作发送给宿 主操作系统的抽象层（通过paravirt_ops实现）。例如，来宾操作系统不能禁用 中断，以使这些请求在宿主操作系统中执行。您还可找到一个为来宾操作系统实 现设备抽象的总线，以及一组实现控制台、虚拟块驱动器和虚拟网络驱动器 （允 许与其他来宾通信）的简单驱动

14、器。图5,实现x86准虚拟化的Lguest的架构内核部分被实现为可加载的模块，即Ig.ko o这个模块包含来宾操作系统通向宿主内核的接口。第一个组件是切换器，它实现一种方法，让来宾操作系统在执行时根据上下文进行切换。这个模块还实现/proc文件系统代码（针对/dev/lguest）,该代码实现到内核和驱动器（包括虚拟化调用）的用户空间接口。还有一些代码通过使用影子页表（shadow page-table ）和管理x86区段 来提供内存映射。最后，内核中的Documentation子目录包含启动实用程序（lguest）,用于启动新的来宾操作系统实例。这个文件负责两项任务，即使用和记录。Lgues

15、t从2.6.23 （2007年10月）开始就成为主流内核，并且由RustyRussell开发和维护。它大约包含 5000行源代码，包括用户空间实用程序。尽管Lguest很简单（据说是这样的），但它能提供真正的准虚拟化。不过简 单性往往与局限性相随。例如，Lguest仅虚拟化其他支持Lguest的来宾操作 系统，并且目前仅能用于 x86架构。尽管存在这些限制，Lguest仍然提供一种有趣的虚拟化方式，并且对任何希望研究Rusty的代码的人员公开Linux hypervisor 的益处使用Linux作为内核开发hypervisor有实实在在的好处。最明显的是， 以Linux为基础开发hypervi

16、sor 受益于稳步前进的 Linux ,以及为改进 Linux投入的大量工作。从典型的优化、bug修复、调度和内存管理创新到支 持不同处理器架构，Linux都是一个不断进步的平台（引自 Salisbury市的 John的“站在巨人的肩膀上”一文）。不久前已经证明，通过向 KVM添加一个内核模块，就可以将 Linux内核 转变为hypervisor。Lguest进一步改进了这种方法，并且通过受限制的准虚 拟化进一步简化了该解决方案。使用Linux作为平台的另一个奇特好处是，除了可以将该平台用作 hypervisor 之外，您还可以将其用作操作系统。因此，除了可以在Linuxhypervisor上

17、运行多个来宾操作系统之外，您还可以在该级别上运行其他传统 的应用程序。所以，不必担心带有新的应用编程接口（ API）的新平台，因为您 拥有用于开发应用程序的标准 Linux平台（如果需要监控应用程序或 hypervisor ）。标准协议（TCP/IP）和其他有用的应用程序（Web服务器）和 来宾操作系统都是可用的。回顾一下讨论KVM时的图4:除了来宾操作系统之外，还使用了修改了 KVM的QEMU。这是一个标准进程，并展示了 Linux 作为hypervisor的强大之处。KVM在平台虚拟化中利用 QEMU ,并使用 Linux作为hypervisor ,因此实现了这个构思，即让来宾操作系统能够和其他Linux