学好虚拟化，首先要学Linux

2023-04-20 08:05:08 来源：博客园

(资料图片仅供参考)

学好虚拟化，首先要学Linux

上次讲到了虚拟化的基础知识，比如虚拟化的应用、各个厂商都是通过何种技术路径来实现的等等，本篇想记录一下我学习到的CPU内存虚拟化和网络虚拟化相关知识，通过记录来制造反馈，让自己更有效地学习。需要注意的是，学习虚拟化就免不了和Linux打交道了。

在此之前还是回顾一下虚拟化的基础知识。

虚拟化对于我们网络行业来说已经起到了越来越大的作用，从最开始做实验用的VMware和EVE，到现网运行的各种虚拟网络设备，无一例外都提醒着从业者要多加了解此技术。不仅是技术人员会用到虚拟化，其实大多数人的生活都离不开虚拟化，比如我们所用的Windows也是一种虚拟化，因为他是分时复用系统，分时系统最早由IBM的工程师研发出来，它会把资源切分成无数的小分片，这样就实现了多任务的同时处理。广义的虚拟化是在一套硬件平台上虚拟出多个系统，来提高硬件的利用效率。

接下来介绍一下CPU硬件辅助虚拟化。这时就要提及CPU的两大厂商Intel和AMD了，其中Intel使用VT-x技术，AMD使用AMD-V技术来实现。他们的核心思想其实都是通过引入新的指令和运行模式，使VMM和Guest OS分别运行在ROOT模式和非ROOT模式之下，Guest OS运行在Ring 0下。通常Guest OS核心指令不需要经过VMM，可直接下达到计算机硬件被执行，只有当它执行到特殊指令时才会切到VMM来处理特殊指令。

当讲到内存虚拟化时，首先要了解三个概念：VA（virtual address）虚拟机逻辑地址，虚拟机中进程使用的逻辑地址；PV（phyiscal virtual address）虚拟机物理机地址，虚拟机自己看到自己的物理地址；MA是host os真正的物理机地址。内存虚拟化其实就是由MA到PV的映射。物理机内存是一段连续的地址空间，虚拟监视器（VMM）上层的各个虚拟机共享物理机的内存地址空间。但由于虚拟机是以随机的方式访问内存，而又需要保证虚拟机内部内存地址的连续，因此VMM就需要合理的映射PV和MA才行。VMM对物理机内存进行管理，并对虚拟机的需求进行合理分配。其中的映射是通过内存虚拟化中的内存管理单元来完成，其中的技术分为影子页表法、页表写入法和扩展页表EPT。

影子页表法实现的是内存全虚拟化。其中VMM为每个Guest维护一个影子页表，表中维护VA到MA的映射关系，而Guest也不维护VA到PV的映射关系。当VMM捕获到Guest页表的变化时，VMM会查找负责PV到MA映射的P2M页表或哈希函数，找到对应的MA，再将它填充到真正在硬件上起作用的影子页表，而Guest页表无需变动。

页表写入法是一种半虚拟化，通过修改操作系统的代码，剥夺Guest OS的写入页表权力，所以VMM可直接将及其弟子写入到Guest OS的页表而实现页表虚拟化。其细节是当客户机常见页表时，VMM也会创建一套相同的仪表，其中保存到时虚拟机物理地址和物理机地址的映射，在客户机对页表写操作时，VMM剥夺客户机操作系统的写操作权限，并对客户机操作系统页表进行更新，是Guest OS从它自己的页表中读取真实物理机地址。

扩展页表EPT是硬件辅助虚拟化，它在原有页表基础上又加了EPT页表，用来记录PV到MA的映射关系，VMM把EPT页表设置到CPU中，就无需VMM再干预了，转换时CPU自动查找两张页表来完成Guest到机器地址的转换，降低整个内存虚拟化的开销。

在网络虚拟化中，通过SR-IOV技术实现。SR-IOV主要解决pass-through只能被一台虚拟机访问的问题，其中pass-through模型是让虚拟机直接使用物理设备，使得网络性能最高。SR-IOV的实现需要CPU、芯片组和PIC等协同在硬件上实现，实现了虚拟化的“最后一公里”。支持SR-IOV的网卡可以在VMM里注册多个网卡，每个设备通过pass-through分配给虚拟子机。

在上篇我们介绍了不同厂家的各种虚拟化软件和技术，比如VMware，RedHat的QEMU-KVM，微软的hyper-V，还有Citrix的Xen。本篇介绍了虚拟化中的内存虚拟化和网络虚拟化的基础知识。需要注意的是，学习虚拟化就免不了和Linux打交道了，因为大部分时间操作的都是Linux系统，在此我对Linux基础薄弱的同学推荐《Linux就该这么学》这本书，在线阅读：www.linuxprobe.com.网站上有电子版可以阅读，如感觉到有所收获，别忘了买一本实体书支持一下作者。学无止境，希望和大家一起用知识充实自己。

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