计算虚拟化通常包含三方面的内容：

  • CPU 虚拟化：有序多个 VM 共享 CPU 资源，需要对 VM 中的敏感指令进行截获并模拟执行。
  • 内存虚拟化：由于多个 VM 共享同一物理内存，需要相互隔离。
  • I/O 虚拟化：由于多个 VM 共享一个物理设备，通过分时多路技术进行复用。

    注：VM 指虚拟机

CPU 虚拟化概述

CPU的结构

X86 体系架构为了能让上层的软件（操作系统、应用程序）能够访问硬件，提供了四个 CPU 特权级别，Ring0 最高，Ring3 最低（只有最高的权限才能访问硬件，二应用程序代码运行在 Ring3 上）。
如果某个应用程序要访问硬件和内存，比如访问设备，写文件（核心指令）等，那么就要执行相关的系统调用，CPU 的运行级别从 Ring3 到 Ring0 的切换（越权），完成操作后再切换返回到 Ring3 。这里完成了用户态和内核态的转换。

image.png

早期虚拟化

VMM 本质上是个 Host OS ，运行在 Ring 0 上，Guest OS 运行在 Ring 1 上，再往上是相应层次的应用程序运行在 Ring2 和 Ring3 上。
当 Guest OS 或上层应用在执行相关的特权指令时，就会发生越权访问，触发异常，此时 VMM 就截获这个指令，然后模拟这个指令，返回给 Guest OS 。

半虚拟化

上述的截获指令再模拟的方式性能较比，怎么才能提高性能？
讲特权指令封装为函数调用的方式（API），让 VMM 执行，这样可提高相当程度的性能。
这种方式（半虚拟化技术）并不通用，要去改 Guest OS 的代码，只能看作是一种定制。为了能够通过，又能提高性能，只能在硬件上做文章。后来，以 Intel 的VT-x 和 AMD 的AMD-V 为主的硬件辅助，被提选出来。

CPU硬件辅助虚拟化

CPU 硬件辅助虚拟化在 Ring 模式的基础上引用了一种新的模式，VMX 模式。它包含根操作模式和非根操作模式。
通常情况下，Guest OS 的核心指令可直接下达到计算机系统硬件执行，而不经过 VMM ，如果执行到特殊指令，系统才会切换到 VMM，让 VMM 去执行指令。

内存虚拟化概述

背景：早期的计算机内存，只有物理内存，并且空间极其有限，每个应用或进程在使用的时候都需要小心，不能覆盖到别的内存区。

概念：抽象物理内存，并对其虚拟化，保证每个进程都被赋予一块连续的，超大的虚拟内存空间，进程可毫无顾忌的使用内存，不用担心申请内存会和别的进程冲突，因为底层有机制帮忙处理这种冲突，能够将虚拟地址根据一个页表映射成相应的物理指。

内存特点

前提：为了确认唯一标识，处理器会采用统一编址的方式将物理内存映射为一个地址空间。

  • 操作系统内存地址从0开始。
  • 内存是连续的
    • 在虚拟环境，我们需要 VMM 通过技术手段也要满足 OS 对内存的这种特点。

面临问题

  1. 物理内存需要被多个 Guest OS 同时使用，但物理内存只有一个，地址 0 也只有一个，无法满足多个 OS 使用内存从 0 开始。
  2. 物理内存能分给多个系统进行使用，解决了多个系统的内存连续性问题，但是灵活性管理欠缺。

解决方式

引入一层全新的地址空间——客户机物理地址空间（GPA）。它让 GuestOS 看到一个虚拟的物理地址。然后通过 VMM 负责转换物理地址交由物理处理器处理。
VMM 掌握整个内存资源，维护虚拟地址到机器地址的映射关系。

  • 影子页表技术：每次内存访问都需要 VMM 介入，由软件多次进行地址转换，效率较低。为 Guset 设计一套影子页表，将这套表装入 Host 的虚拟内存管理单元，当 Guest 访问内存时，可根据影子页表直接完成 GVA 到 HPA 的直接映射。
  • EPT 技术：由硬件进行支持，Intel 的 EPT 技术（VT-d)，AMD 的 NPT（AMD-V）是硬件辅助内存虚拟化的代表。在 GVA->GPA->HPA 的两次都有硬件完成。

I/O虚拟化

背景：

打开虚拟化配置