二、计算虚拟化

1.计算虚拟化的介绍

1.1虚拟化简介

a.什么是虚拟化

将物理设备逻辑化，转化成文件或者文件夹，这个文件或文件夹一定包含两个部分：一部分用于记录设备配置信息，另一部分记录用户数据。

虚拟机摆脱了服务器的禁锢，允许虚拟机在集群内迁移。

b.计算虚拟化发展史

c.计算虚拟化中的重要概念

Host Machine：物理机；一定需要转配操作系统（Host OS）

Hypervisor：虚拟化软件层/虚拟机监控机（Virtual Machine Monitor,VMM）；虚拟化核心，负责监控虚拟机状态，给虚拟机分配CPU，以及IO虚拟化。

Guest Machine：虚拟出来的虚拟机。

Guest OS：虚拟机操作系统。

d.计算虚拟化的分类

①裸金属型虚拟化（Bare Metal Server，BMS，Ⅰ型模型）

Hypervisor可以直接调用硬件资源，不需要底层的Host OS，也可以理解为在Ⅰ型虚拟化中Hypervisor本身就是一个定制的Host OS，除了能够起到VMM的作用以外，一般不能在这个Host OS上安装其他的应用。

Hypervisor主要实现两个基本的功能，首先是识别、捕获、响应虚拟机所发出的CPU特权指令或保护指令，其次是负责处理虚拟机队列和调度，并将物理硬件的处理结果返回给相应的虚拟机。

Hypervisor将负责管理所有的资源和虚拟环境，VMM可以作为一个为虚拟化而生的完整的操作系统，掌控的所有资源（内存、CPU、IO设备等），还承担管理资源的重任，向上提供虚拟机用于运行Guest OS，向下负责与硬件的对接。

**主要产品：**VMware ESXI 、Proxmox VE、Microsoft Hyper-V、阿里云神龙、华为云BMS、腾讯云黑石

**优点：**虚拟机不依赖于操作系统；兼容性好，支持多种操作系统和应用；性能好，损耗低

**缺点：**虚拟化内核开发难度大

②宿主型虚拟化（Host-based Model，Ⅱ型模型）

此模型的物理资源由Host OS管理，虚拟化功能由VMM提供，VMM是底层操作系统（Host OS）上一个普通的应用程序，通过VMM创建相应的虚拟机共享底层的服务器资源，VMM通过调度Host OS的服务获取资源，实现内存、CPU、IO设备的虚拟化，VMM创建出的虚拟机通常作为Host OS的一个进程参与调度。

主要产品：VMware Workstation 、 VirtualBox、Parallels Desktop

优点：简单，易于实现

缺点：安装和应用依赖于组件的操作系统对设备的支持；管理开销大；性能损耗大

e.虚拟化的特点

分区：一台服务器可以分出很多虚拟机，每太虚拟机拥有自己的操作系统，它们互相间是不干扰的，每个操作系统只能看到它自己的被分配资源（CPU、内存、网卡等）。

隔离：一台服务器上运行了多个Guest OS，如一个Guest OS被攻击，其他Guest OS不受影响，可以正常运行。

封装：虚拟化本质就是将一台服务器逻辑划分成多个文件或文件夹，每个虚拟机都是一个文件夹，里面会分为很多个文件，这就是封装。封装完就可以将操作系统和硬件进行解耦，操作系统就可以跨硬件运行。

独立：当创建一个虚拟机，会产生一个文件夹，当把这个文件夹拷贝到另一台主机指定目录下，也可以正常运行。

1.2计算虚拟化的领域

a.CPU虚拟化

①CPU分级保护域

在CPU的分级保护域中，CPU被分成了4个环/权限， RING设计的初衷是将系统权限与程序分离出来，使之能够让OS更好的管理当前系统资源，也使得系统更加稳定。

在虚拟化中HostOS和GuestOS或者Hypervisor也是操作系统，应该都具有Ring 0权限，硬件不知道该听谁的指令，这时候引用一种全新指令——敏感指令，具有两种解决方案：全虚拟化和半虚拟化

②全虚拟化

Guest OS执行敏感指令时Hypervisor也会获取到消息，Hypervisor将指令翻译后再执行敏感指令的执行，调用硬件并将结果返回给Guest OS。

缺点：全虚拟化过程中Guest OS不知道自己时虚拟机执行了一次命令，Hypervisor也翻译并执行了命令，相当于执行了两次命令，所以有一定的性能消耗。

③半虚拟化

Guest OS发现是敏感指令后调用超级调用（Hypercall），将敏感指令下放给Hypervisor，Hypervisor执行敏感指令，调用硬件并将结果返回给Guest OS。

缺点：很多闭源的操作系统不支持半虚拟化（如：Windows）。

④硬件虚拟化

CPU不再将保护域分为Ring 0到Ring 3，而是分为root模式和非root模式，每个root模式都拥有Ring 0和Ring 3的权限，Guest OS运行在非root模式下的Ring 0上，Host OS运行在root模式下的Ring 0上。

b.内存虚拟化

物理内存面对主机上的多个虚拟机对内存的需求无法解决，因此出现了内存虚拟化。

物理主机分配内存的地址空间时要从0开始，并且内存地址空间是连续的，但是引入虚拟化后，无法满足所有虚拟机对内存使用都从物理地址的0开始的续期需求，也很难保证内存的连续性。

解决办法是进行地址的映射，做内存虚拟化时引入一个新的地址空间，让虚拟机误认为
运行在真实的物理空间中，实际上它看到的是VMM映射给虚拟机的虚拟内存；每个虚拟机都感觉地址是连续的，其实在物理机侧是离散的，而这些都是通过VMM实现的。

c.IO虚拟化

IO虚拟化有三种类型：模拟、半虚拟化、IO透传

①模拟（完全虚拟）：完全使用软件来模拟真实硬件，模拟通常硬件，例如鼠标键盘，通过焦点捕获，焦点被哪个主机捕获就被哪个主机使用，性能很差

②半虚拟化：对硬件驱动由前端（IO frontend）直接转到后端（IO backend）通用，通常仅使用于硬盘和网卡，性能高

③IO-through：IO透传，直接分配给虚拟机物理设备，例如直接分配一个硬盘或网卡给虚拟机，需要硬件具备IO透传技术，在xen下由Dom0分配，但是访问使用直接使用，不经过Dom0，需要硬件支持

1.3虚拟化与云计算的区别

虚拟化是为了提高硬件的利用率，将一台物理主机虚拟成多台逻辑主机，可以单独运行不同的应用，由于虚拟的主机逻辑被成一个文件或文件夹，打破了软硬件的强耦合，通过自动迁移文件或文件夹可以提高运行在虚拟机上的业务的。

在云计算中使用虚拟化来单纯地实现IaaS的云服务，一部分的IaaS和Paas是基于虚拟化来实现的，另一部分是基于物理硬件和分布式计算来实现的。

1.4主流计算虚拟化技术

KVM：全虚拟化，是Linux内核中的一个模块，用于实现CPU和内存的虚拟化，是Linux的一个进程，其他IO设备需要KVM来实现）。

Xen：全虚拟化/半虚拟化，直接运行在硬件上的，Xen中的虚拟机分为两类：Dom0与DomU；Dom0是一个特权虚拟机，具有直接访问硬件和管理其他DomU的权限，在其他虚拟机启动之前Dom0需要被提前启动；DomU是普通的虚拟机，不能直接访问硬件资源，所有的操作都需要前后端驱动的方式转发给Dom0，再由Dom0完成具体的操作后将结果返回给DomU。

2.KVM简介

2.1什么是KVM

KVM全称为Kernel-based Virtual Machine，是基于内核的虚拟机，是一种典型的Ⅱ型的全虚拟化，当一个普通的Linux安装了该模块后，会增加三种运行模式，分别是：虚拟模式、用户模式、内核模式。

虚拟模式：主要指虚拟机，包括虚拟机的CPU、内存、磁盘等虚拟设备，被置于一种受限的CPU的模式。

用户模式：主要运行KVM，为虚拟机模拟执行IO类的操作求。

内核模式：可以进行硬件操作，当Guest OS执行IO类操作或特权指令操作的时候，需要向用户模式提交请求，再由用户模式再次发起请求，发送给内核模式，从而进行真正的操作。

2.2KVM的体系

KVM通常被分为三部分：管理工具、KVM、QEMU

管理工具：用于管理虚拟机的硬件资源。

KVM：实现CPU虚拟化和内存虚拟化。

QEMU：实现IO虚拟化。

2.3Libvirt

Libvirt是一个强大的管理工具，可以管理虚拟平台，包括KVM、Xen、VMware、Hyper-V等。虚拟平台本身不支持多种语言的运行，Libvirt支持各种开发语言的接口，接通Libvirt便于各种开发语言的插件应用于虚拟平台上。

2.4KVM I/O操作流程-默认

1. Guest OS发起一个操作请求发送给虚拟的设备驱动
2. KVM模块里面有个I/O Trap code，它会捕获这个IO请求
3. 捕获后KVM将IO请求放到I/O共享页中
4. 同时KVM也会通知QEMU，QEMU会到I/O共享页中获取这个请求，并查看IO请求的具体需求
5. QEMU根据IO请求进行模拟，向真实的设备驱动发一个请求
6. 设备驱动收到QEMU的请求后，会交付给物理硬件处理这个请求
7. 处理完成后，QEMU将处理结果放到I/O共享页中
8. 同时通知KVM模块处理结果
9. KVM模块从I/O共享页中取出结果，并发送给虚拟的设备驱动
10. 虚拟的设备驱动根据结果进行模拟，并将模拟结果发送给Guest OS，这样整个IO请求就完成了

2.5KVM I/O操作流程-Virtio

让Guest OS与QUEM直接联络不经过KVM，可以简化请求步骤，提高性能。

在Virtio中，IO请求和QEMU返回不再经过KVM，而放在一个叫vring的空间中，这就是半虚拟化。

3.FusionCompute简介

3.1FusionCompute架构

FC架构和KVM架构很相似，都是管理工具来管理产品，FC的管理工具是VRM，VRM可以给管理员和用户提供web的图形化管理界面，在上面可以看到虚拟机的状态、虚拟资源池的状态、物理硬件的信息、虚拟机的信息等。

集群向上提供了计算资源、存储资源、网络资源

3.2FusionCompute优势

①可以对虚拟化和物理资源统一管理

②通过VRM可以快速发放虚拟机，复制、模板等

3.3FusionCompute组件

FC由两大组件构成，分别是VRM和CAN

组件	功能
CNA	①提供虚拟计算 ②管理计算节点上的虚拟机 ③关机计算节点上的计算、存储、网络资源
VRM	①管理集群内的块存储资源 ②管理集群内的网络资源（IP/vlan），为虚拟机分配地址 ③管理集群内虚拟机的生命周期及虚拟机在计算节点上的分布与迁移 ④管理集群内资源的动态调整 ⑤通过对虚拟资源、用户数据的统一管理，对外提供弹性计算、存储、网络等服务 ⑥通过提供统一的维护管理接口，操作维护人员通过web管理界面远程访问操作