漫談虛擬化--內(nèi)核和IO

作者：NAN 2017-11-29 14:57:47
云計(jì)算
虛擬化 在模擬的場景中，一般的步驟就是虛擬機(jī)的的虛擬內(nèi)存轉(zhuǎn)換成虛擬機(jī)的物理內(nèi)存，然后轉(zhuǎn)換成宿主機(jī)的虛擬內(nèi)存，然后找到真正的物理內(nèi)存，需要經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)換，而且存在多個虛擬機(jī)的時候，每個虛擬機(jī)的TLB基本上都不能命中，從而導(dǎo)致性能大大降低。

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前言

時光如流水，來去匆匆，有的時候你并不知道你是虛擬的環(huán)境中還是在真實(shí)的環(huán)境中，一切只是內(nèi)核kernel的感受而已。。。

一種不同的體驗(yàn)，幾種不同的實(shí)現(xiàn)方式，那么。。。你又在娜里。。。

虛擬化的分類

虛擬化場景其實(shí)和現(xiàn)實(shí)一樣一樣的。。。。

在虛擬化的場景中，虛擬機(jī)有的時候知道自己運(yùn)行在虛擬化環(huán)境之中，那么這種就需要修改內(nèi)核，從而也就是1型虛擬化，例如vmware ESX和ESXI，直接由hypervisor來管理硬件，從而提供給上層的虛擬機(jī)使用，這個時候，虛擬機(jī)使用的內(nèi)核調(diào)用方式就是hyper call，而不是常規(guī)的system call了，這種相對于其他的虛擬化技術(shù)，效率高了不少（虛擬機(jī)必須修改內(nèi)核才能發(fā)起hypervisor call）。

在二型虛擬化中，也就是硬件上面運(yùn)行的是一個宿主機(jī)，然后在其中運(yùn)行了一個用戶空間的程序，用來提供上層虛擬機(jī)的管理，這種可以稱之為VMM（virtual machine monitor）或者h(yuǎn)ypervisor，在虛擬機(jī)進(jìn)行調(diào)用相關(guān)指令的時候，都是發(fā)送請求到宿主機(jī)，然后被vmm捕獲到，然后再進(jìn)行運(yùn)行或者調(diào)用外部的硬件指令。這種由于指令都要進(jìn)行最少一次的轉(zhuǎn)換，從而效率損失不少（虛擬機(jī)可以運(yùn)行各種操作系統(tǒng)）。

在現(xiàn)實(shí)中，我們進(jìn)公司的時候，到底是選擇外包呢，還是不選外包呢，在使用外包的時候，其實(shí)就是***種類型的虛擬化了，所有人都明確的知道自己在外包之中，從而直接調(diào)用外包公司的接口提供服務(wù)，這種效率可能很高，但是硬件環(huán)境肯定是差的，從而。。。。我也不知道到底是好不好，哈哈、。。。。

在不選擇外包的時候，每個人都生活在一個虛擬的空間之中，以為自己使用的是所有的CPU資源，以為自己使用的是所有的物理內(nèi)存，以為自己能驅(qū)動所有的硬件，其實(shí)。。。。到底有多少資源能夠使用，這個也是不確定的，，，沒準(zhǔn)，也只是生活在一種虛擬化的場景之中。。。夢中夢。。。

內(nèi)存的虛擬化

在虛擬化場景中，CPU和內(nèi)存其實(shí)是不可分割的，基本上使用的是哪個物理機(jī)的CPU，那么就必然會使用其內(nèi)存，為啥呢？

CPU的硬件中，實(shí)現(xiàn)了兩種主要的芯片，一個是MMU，內(nèi)存管理單元，主要是用來管理內(nèi)存的，其實(shí)也就是從線性地址轉(zhuǎn)換到物理地址，在進(jìn)程中，使用的線性地址，也就是每個進(jìn)程能看到的內(nèi)存地址其實(shí)是整個的物理地址，其中劃分了一部分為內(nèi)核使用，剩余的都是進(jìn)程使用的內(nèi)存空間，而每次在進(jìn)程使用變量的時候，那么這些變量值都是保存在內(nèi)存之中，那么就要將這個地址在CPU中去找，然后就經(jīng)過MMU，找到物理地址，而CPU的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)存的速度，那么為了匹配這種速度，從而也就有了另外一種芯片，也就是TLB，主要就是用來緩存線性地址到物理地址轉(zhuǎn)換的物理結(jié)果，從而每次在尋找地址的時候，都是先找TLB，如果沒有那么就會經(jīng)過MMU轉(zhuǎn)換，然后找到物理內(nèi)存。

在CPU的物理結(jié)構(gòu)中，有一級緩存，有二級緩存，有三級緩存，三級緩存一般是各個CPU共享的，從而有可能發(fā)生資源占用，從而也就從SMP的架構(gòu)轉(zhuǎn)換到了NUMA架構(gòu)，從而也就是非一致性內(nèi)存訪問。主要的目的也就是為了提高性能，那么在使用CPU的時候，不可能去別的物理機(jī)上找到內(nèi)存地址，然后讀取數(shù)據(jù)，從而為了提高速度和性能，也就是CPU和MEM基本上是綁定的，在同一個物理機(jī)上使用。

超賣的概念，CPU是虛擬的，內(nèi)存也是虛擬的，其實(shí)VCPU也就是虛擬CPU，其實(shí)也就是物理機(jī)上的一個進(jìn)程，其實(shí)你虛擬的cpu個數(shù)可以超過物理的核心數(shù)，但是一般超賣的比是1.5，看性能而定，并且要看服務(wù)器的壓力，也就是CPU的平均負(fù)載。內(nèi)存也是虛擬的，而且有的類庫是每個進(jìn)程或者每個虛擬機(jī)都會使用的，從而也可以超過物理內(nèi)存，但是。。。好像沒有一個比例。

在模擬的場景中，一般的步驟就是虛擬機(jī)的的虛擬內(nèi)存轉(zhuǎn)換成虛擬機(jī)的物理內(nèi)存，然后轉(zhuǎn)換成宿主機(jī)的虛擬內(nèi)存，然后找到真正的物理內(nèi)存，需要經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)換，而且存在多個虛擬機(jī)的時候，每個虛擬機(jī)的TLB基本上都不能***，從而導(dǎo)致性能大大降低。

從而在硬件層面，提供了硬件輔助的虛擬化技術(shù)，例如tagged TLB，也就是對TLB加了一個字段，表示為是哪個虛擬機(jī)的線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換；例如提供了MMU的內(nèi)存單元管理功能，也就是直接將虛擬地址換到物理機(jī)的虛擬地址，從而省略了轉(zhuǎn)換到虛擬機(jī)的物理地址的步驟，從而能大大的提高性能。

硬件支持的內(nèi)存虛擬化(AMD Nested Page Tables[NPT]和Intel Extended Page Tables[EPT])

I/O的虛擬化

I/O設(shè)備，一般分為驅(qū)動器和設(shè)備本身，而驅(qū)動程序運(yùn)行在內(nèi)核中，在虛擬話的場景中，如果進(jìn)程需要調(diào)度外部的IO設(shè)備，那么首先進(jìn)程會調(diào)用虛擬機(jī)的驅(qū)動程序，驅(qū)動虛擬機(jī)的硬件，然后被物理機(jī)的vmm捕獲，然后將調(diào)用物理機(jī)的驅(qū)動程序，然后才真正的調(diào)用物理設(shè)備。也就是也分為兩步走。

在IO設(shè)備的虛擬化場景中，一種是使用模擬的方式，也就是通過軟件的模擬，在linux中，一切皆文件，從而也就是提供了一堆的文件進(jìn)行調(diào)用。

一種是使用半虛擬化的方式，這種也是需要硬件的支持的，也就是虛擬機(jī)驅(qū)動程序直接調(diào)用的是物理機(jī)的驅(qū)動程序，然后驅(qū)動硬件，從而省略了虛擬機(jī)的驅(qū)動調(diào)用虛擬機(jī)的設(shè)備步驟。

***一種就是IO透傳技術(shù)，其主要使用的方式就是直接將一些網(wǎng)卡設(shè)備或者硬盤設(shè)備直接綁定給虛擬機(jī)使用，從而基本上達(dá)到物理硬件的性能，不過這些硬件的管理還是需要使用hypervisor來進(jìn)行管理。

硬件支持的設(shè)備和I/O虛擬化(Intel VT-d，AMD IOMMU)

總結(jié)

虛擬化的出現(xiàn)不過是為了更好的利用物理主機(jī)的資源，例如CPU，內(nèi)存，I/O。

當(dāng)前名稱：漫談虛擬化--內(nèi)核和IO
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