（云计算HCIP）HCIP全笔记（十二）本篇介绍虚拟化技术，内容包含：虚拟化资源、CPU虚拟化、KUMA、KVM介绍、模拟CPU指令、敏感指令区分、内存虚拟化、TLB技术、影子页表技术_hva云计算
1. 虚拟化资源
1.1 虚拟化对象
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CPU虚拟化： -
内存虚拟化：目标是能做好虚拟机内存空间之 间的隔离，使每个虚拟机都认为自己拥有了整个内存地址，且效率页能接近物理机。
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I/O虚拟化：目标使不仅让虚拟机访问到他们所需 要的I/O资源，而且要做好它们之间的隔离工作，更重要的是减轻由于虚拟化所带来的开销。
1.2 虚拟化过程
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全虚拟化：使用VMM实现CPU、内存、设备I/O的虚拟化，而Guest OS和计算机系统硬件都不需要进行修改。
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半虚拟化：使用VMM实现CPU和内存虚拟化，设备I/O虚拟化由Guest OS实现。
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硬件辅助虚拟化：借助硬件(主要是处理器)的支持来实现高效的全虚拟化。
- 该技术将逐渐消除软件虚拟化之间的差别，成为未来的发展趋势。
能够识别敏感指令
1.3 CPU 虚拟化
- 数量：将一个物理CPU抽象成多个vCPU，物理CPU的线程数等同于vCPU的数量
- 指令：在bios上开启硬件辅助虚拟化技术（intel：vt-x amd：amd-v）
- CPU指令集类型
- RISC
- CISC
- 指令级别
- 特权指令
- 非特权指令
- 系统分级
- ring0
- ring1
- ring2
- ring3
- CPU指令集类型
1.3.1 如何模拟CPU指令(所有敏感指令)
特权指令只能在处理器最高特权级（内核态）执行
-
硬件辅助虚拟化解决：
要求CPU支持虚拟化，当CPU支持，会将指令再分为root模式跟非root模式
1.3.1.1 非root模式：
用户仅能使用CPU的两种指令：
- 特权指令(Ring0级别才能用)
- 普通指令(Ring3级别即可)
- 敏感指令(x86架构中敏感指令集和特权指令集两者交叉的部分)
敏感指令能够修改虚拟机的运行模式或宿主机状态的指令
- root3：Guest OS的普通指令直接向物理硬件发送指令，无需通过VMM层
- root2
- root1
- root0：Guest OS调用虚拟机系统的root0级别特权指令，
通过VMM向物理硬件发送指令。
分级保护域：
Ring0：拥有最高级别权限，一般只有操作系统和驱动才会允许拥有此权限
Ring1
Ring2
Ring3：权限最低，所有程序都可以拥有此权限
1.3.1.2 root 模式：VMM
虚拟机的特权指令，仅在虚拟机中是Ring 0级别，当敏感指令出现将会交付给VMM层进行判断，若是需要会给物理硬件进行执行，不然直接在虚拟机中就可使用Ring 0级别的权限
虚拟化层之上为虚拟机，可以说虚拟机是一个拥有了Ring3权限的APP，
但在虚拟机中的系统需要获得Ring0权限才可以进行一系列操作
1.3.2 如何让多个VM共享CPU
利用Native操作系统类似的机制，通过定时器中断(所有CPU都会有的功能)，在中断触发时陷入VMM，从而根据调度机制进行调度
KVM：
- Qemu(此Qemu不是彼Qemu —— KVM-QEMU)：处理I/O设备的指令
- KVM：处理CPU设备的指令
1.3.2.1 解决方案(陷入模拟)
当某台虚拟机需要使用指令时，会中断虚拟机陷入VMM层里，在VMM层中KVM的内核CPU(VCPU)就会捕捉到指令，对指令进行识别。
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如果指令是针对于CPU，那么直接在VCPU中运行并返回运行结果给虚拟机，返回结果后虚拟机脱出陷入。
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如果指令是针对于I/O设备，那么KVM的内核VCPU进行退出处理，交给I/O操作，再经过ioctl返回至Qemu进行处理，Qemu通过I/O操作模拟，交给Qemu里的VCPU进行运行，然后将结果返回至KVM内核的VCPU，再返回给虚拟机脱出陷入
1.3.2 NUMA
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NUMA（Non Uniform Memory Access）这项技术可以使众多服务器像单一系统那样运转
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同时保留小系统
便于编程和管理的优点。基于电子商务应用对内存访问提出的更高的要求，NUMA也向复杂的结构设计提出了挑战。
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非统一内存访问（NUMA）是一种用于多处理器的电脑内存体设计，内存访问时间取决于处理器内存位置。
在NUMA下，处理器访问它自己的本地存储器的速度比非本地存储器（存储器的地方到另一个处理器之间共享的处理器或存储器）快一些。 -
NUMA架构在逻辑上遵循对称多处理（SMP）架构。
1.3.3 KVM
KVM全称：Kernel-base Virtual Machine
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KVM：实现cpu/内存的虚拟化 (linux天生集成的模块)
cpu虚拟化/内存虚拟化 基于硬件虚拟化
-
qemu：实现I/O虚拟化 (软件)
KVM是什么：它属于II型虚拟化
- 它所在linux内核中，是内核中的一个实现cpu/内存虚拟化的模块
任意一装由linux操作系统的物理机，安装KVM模块之后即变成了Hypervisor(VMM)
1.3.3.1 三种运行模式
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Guest Mode(虚拟机)：包含虚拟机的CPU、内存、磁盘等虚拟设备
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User Mode(用户空间)：QEMU组件运行于该空间，用来模拟执行IO操作
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Kernel Mode(内核空间)：开源操作硬件的空间
1.3.3.2 libvirt
Libvirt是用于管理虚拟化平台的开源的API，后台程序和管理工具。
它可以用于管理KVM、Xen、VMware ESX，QEMU和其他虚拟化技术。
这些API在云计算的解决方案中广泛使用。
它是由C语言写的软件包，它属于一个管理工具，用于对接各种hypervisor(VMM)，同时内部设计了多种语言的api接口
用处：
- 它可以屏蔽虚拟化平台的差异
- 安装后运行libvirtd进程：操作虚拟化平台
- 管理硬件驱动
管理工具/命令行：
可以管理本服务器上的libvirt页可以通过网络管理其他服务器上的libvirt
1.4 内存 虚拟化
将物理机内存进行统一管理，引入一个新的内存空间，让虚拟机运行于新的内存空间中
- 四类内存地址：
- 物理机的物理内存 —— HPA
- 物理机的虚拟内存 —— HVA
- 虚拟机的物理内存 —— GPA
- 虚拟机的虚拟内存 —— GVA
物理机 资源流转至 虚拟机过程
HPA（物理内存地址）–>GPA（虚拟机OS获取的地址）–>GVA（虚拟机应用程序获取的地址）
Native操作系统对内存的认识与管理达成以下两点认识：
- 内存都是从物理地址0开始的
- 内存都是连续的
内存虚拟化需要解决两个的问题：
-
从物理地址0开始的：
物理地址0只有一个，无法同时满足所有客户机从0开始的要求；
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地址连续：
虽然可以分配连续的物理地址，但是内存使用效率不高，缺乏灵活性。
1.4.1 内存映射
1.4.1.1 TLB
TLB(Translation Lookaside Buffer) —— 转译后备缓冲区
-
转译后备缓冲器，也被翻译为
页表缓存、转址旁路缓存这是为CPU提供的一种缓存，有存储器管理单元用于改进虚拟地址到物理地址的转译速度
TLB为典型的
结合存储（content-addressable memory，首字母缩略字：CAM）
用处：
TLB具有固定数目的空间槽，用于存放将虚拟地址映射至物理地址的标签页表条目
其搜索关键字为虚拟内存地址，其搜索结果为物理地址。
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如果请求的虚拟地址在TLB中存在，CAM 将给出一个非常快速的匹配结果，之后就可以使用得到的物理地址访问存储器
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如果请求的虚拟地址不在TLB中，就会使用标签页表进行虚实地址转换，而标签页表的访问速度比TLB慢很多。
有些系统允许标签页表被交换到次级存储器，那么虚实地址转换可能要花非常长的时间。
1.4.1.2 影子页表
从软件实现GVA到GPA的转换，由VMM将影子页表载入物理上的内存管理单元(MMU)
- 缺点：技术复杂、内存开销大
场景复现：
- 假如现在有A和B两个GuestOS
CPU是轮流分别处理它们的请求当CPU执行到A的时候,会将A请求的VA(Virtual Address)经影子MMU转换为真机的PA(Physical Address),并缓存在TLB中存储;
当GuestOS A使用完本次的CPU时间片后,CPU需要将A切到后台,将B切到前台执行,
但为了防止B在执行过程中误用A缓存在TLB中的结果,故必须将其清空;
当GuestOS A再次被调入前台执行时，发现自己的TLB被清空了,因此它会再次向影子MMU发出内存空间的请求, 经转换后在经结果缓存在TLB中,这时B的TLB缓存已经被清空了，这使得TLB缓存目的变的没有意义了。
然而，EPT和NPT两个技术则通过在TLB中为每个Guest OS加入一个标记位，来区分各自的缓存结果,这样每次Guest OS切换回来后，直接在TLB中找到自己的标记就可以获取影子MMU的转换结果。
- 关于影子页表：
Intel 和AMD分别通过EPT(Extended Page Tables)和 NPT(Nested Page Tables)为虚拟化应用提升影子MMU的性能,
并通过标记（tagged)TLB来避免虚拟机切换时频繁清写（flush）TLB以提高TLB缓存的命中率。
拓展页表(EPT(Extended Page Tables))：
这是用于内存管理单元 (MMU)的英特尔第二代x86虚拟化技术，用于提高MMU的性能而推出的解决方案
AMD-NPT(Nested Page Tables)：由AMD推出的用于提高MMU性能的解决方案
EPT：Intel推出的忆体分页虚拟化机制Intel的CPU提供了EPT (Extended Page Tables，扩展页表)技术，直接在硬件上支持GVA->GPA->HPA的地址转换，从而降低内存虚拟化实现的复杂度，也进一步提升内存虚拟化性能。
NPT：AMD推出的忆体分页虚拟化机制NPT的两阶段记忆体转换，特点就是将Guest Physical Address→System Physical Address，VMM不用再保留一份SPT(Shadow Page Table)，以及以往还得经过SPT这个转换过程。除了降低各部虚拟机器在切换时所造成的效能损耗外，硬体指令集也比虚拟化软体处理来得可靠与稳定。
2. 云计算与虚拟化的区别
虚拟化技术：
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开源：KVM、XEN
-
闭源：Hyper-v、vSphere、FusionCompute
3. 缩略词
VRM——————————虚拟机资源管理，会与cna进行对接，可以控制多台cna
KVM——————————虚拟机中的模块，存储在linux内核里
XEN——————————虚拟机中的内核模块，06年以前主流的虚拟机架构
libvirt——————————软件包，负责对接驱动和管理工具，它拥有多种语言的api接口，可以用根据对应语言的api直接进行管理libvirt对kvm操作
Guest Os——————————虚拟机操作系统
Huest Os——————————硬件操作系统
driver——————————硬件驱动
HPA——————————物理机的物理内存
HVA——————————物理机的虚拟内存
GPA——————————虚拟机的物理内存
GVA——————————虚拟机的虚拟内存
TLB——————————转译后备缓冲区
CAM——————————结合存储
4. ❤️HCIP专栏——前文链接
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5. 💕👉博客专栏
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