虚拟化基本原理

关于Xen虚拟化基本原理详解

Zen是由剑桥大学计算机实验室开发的开源项目。
它是运行在计算机硬件上的软件层，可以在硬件上同时运行多个客户操作系统。
Zen支持多种处理器架构，包括x86、x86-64、Itanium、PowerPC和ARM，并支持Linux、NetBSD、FreeBSD、Solaris、Windows等常用操作系统。
其虚拟化分为半虚拟化（paravirtualization）和全虚拟化（硬件虚拟机）。
半虚拟化技术允许虚拟机操作系统识别其正在XenHypervisor上运行，并识别在同一环境中运行的其他来宾虚拟机。
半虚拟化来宾包含用于网络和磁盘操作的PV驱动程序。
在半虚拟化技术中，操作系统需要进行相应的修改。
全虚拟化技术让虚拟机在运行时始终感觉自己是直接在硬件上运行，而无需意识到其他虚拟机的存在。
完全虚拟化的来宾使用标准操作系统版本，无需修改。
在Xen上虚拟化的Windows虚拟机必须使用全虚拟化技术。
为了提高性能，完全虚拟化的来宾可以使用特殊的半虚拟设备驱动程序(PVHVM)来替代PV驱动程序。
优化和模拟磁盘和网络IO，以提高HVM环境中的性能。
XenHypervisor是运行在硬件和操作系统之间的基础软件层，它负责为硬件上运行的不同操作系统进行CPU调度和内存分配。
Domain0是经过修改的Linux内核，具有对物理I/O资源的特权访问权限并管理其他虚拟来宾。
DomainU是一个来宾虚拟机，无法直接访问物理硬件。
Xen通过虚拟化硬件资源为上层操作系统提供服务。
在Xen架构中，XenHyperviso位于操作系统和硬件之间，提供虚拟化的硬件资源。
Domain0包含可直接访问物理硬件的实际设备驱动程序。
在Xen架构中，后端设备运行在特权域（Dom0）中，并使用本地设备驱动程序来完成硬件访问。
前端设备转发数据，无需请求调度。
在半虚拟化环境中，Domain0和DomainU通过事件通道进行通信，以满足网络和磁盘操作请求。
XEN支持三种网络工作模式：桥接模式、路由模式和NAT模式。
NAT模式使用虚拟LANvirbr0。
在Xen中，Guest虚拟机发送的数据包的处理流程涉及到向导程序，例如包括安装了Zen的设备。

虚拟化技术的原理如何解释？

虚拟化是一个广泛的术语，在计算机术语中，通常指的是在虚拟而不是真实的基础上运行的计算元素。
虚拟化技术允许您扩展硬件的功能并简化软件重新配置的过程。
CPU虚拟化技术可以用单个CPU并行模拟多个CPU，让多个操作系统在单个平台上同时运行，应用程序可以在独立的空间运行而不互相影响，从而大大提高计算机效率。
这是从百度百科给你复制的信息！简单来说，就是将硬件或者硬件环境虚拟化，让软件与软件不冲突！例如虚拟机软件vm和vpc在你的电脑上虚拟出另一台电脑。
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简述虚拟化存储技术的三种实现方法及工作原理

1、服务器虚拟存储技术通过安装在服务器上的代理或管理软件来进行存储虚拟化。
这种方法的优点是成本较低且易于部署，特别是对于大型机和小型存储区域网络(SAN)。
但由于占用服务器处理时间，可扩展性受到限制，性能和稳定性也可能受到影响。
然而，基于服务器的虚拟化在负载平衡方面表现出色。
2、基于存储设备的虚拟化技术，利用存储设备集成的功能模块来实现虚拟化。
这种方法的优点是对用户和运营商来说管理简单、透明。
缺点是它可能只提供不完整的解决方案，并且可能与特定的托管提供商绑定。
此外，灵活性较差，定制和监控也很困难。
3、基于网络的虚拟存储技术，实现网络设备之间虚拟化存储的功能。
其中包括：-基于连接设备的虚拟化：此方法通常在专用服务器上运行，使用标准操作系统，例如Windows、SunSolaris、Linux或供应商提供的操作系统。
它具有基于服务器的方法的优点，例如易于使用和设备成本低，但也具有与基于服务器的方法相同的局限性。
-基于路由器的虚拟化：在这种方法中，路由器的固件负责执行存储虚拟化功能，而其他软件在服务器上运行以增强存储的可管理性。
由于路由器为每台服务器提供服务，并且控制模块主要存在于路由器的固件中，因此性能和安全性更好。
但是，路由器错误可能会阻止所连接路由器上的服务器访问存储系统。

虚拟机主要是什么原理的

其实这件事不是一两句话就能说清楚的。
要回答这个问题，我们首先要考察为什么一个操作系统不能与另一个操作系统直接共存。
答案很简单：作为硬件上的第一个软件层，操作系统假定它拥有所有硬件的访问和控制权，并且是唯一的控制器。
在这种情况下，两个操作系统共存时不可避免地会出现问题。
操作系统主要负责管理CPU和内存以及众多的IO设备。
所以我们可以分开讨论。
hypervisor是实现虚拟化的关键，将作为内核模式驱动程序存在。
CPU虚拟化：背景知识：x86CPU有一个权限机制，将CPU的状态设置为RING0到RING3，这样CPU分别拥有最高和最低的权限。
以Linux为例，内核运行在RING0上，而所有其他用户进程都运行在RING3上（Xen很奇怪，Linux在Xen下运行在RING1上）。
在用户权限下，所有I/O设备均不可操作。
另外，一些控制寄存器无法访问，一些授权语句无法执行。
因此，当用户进程想要读写文件并执行某些操作时，需要依赖于内核。
系统调用可以使CPU运行在RING0上并执行内核代码（具体方法请参见一些操作系统教程）。
背景结束。
CPU的整个状态实际上就是所有寄存器的值。
只要每次操作后注册的值在操作系统看来都是正确的，GuestOS就可以正常运行。
虚拟机管理程序为每个虚拟CPU创建一个数据结构，模拟所有CPU寄存器的值，并根据需要跟踪和更改这些值。
然后考虑虚拟化一个CPU。
在虚拟化客户操作系统中，CPU无论如何都不能在RING0上运行，因为在这种情况下主机操作系统将不可避免地崩溃。
因此，当来宾操作系统想要进入RING0执行内核代码时，虚拟机管理程序会向来宾操作系统撒谎并告诉它您已经在RING0上，但实际上所有指令仍在RING3上。
当GuestOS访问权限时，虚拟机管理程序会收到错误。
此时hypervisor判断是哪条指令，改变对应虚拟寄存器的状态，然后返回。
这样GuestOS就可以正常运行了。
需要注意的是，对于大多数指令来说，代码是直接在硬件上执行的，不需要软件干预。
只有对于一些高权限请求，软件才会干预并维护虚拟CPU状态。
内存虚拟化：背景知识：虚拟内存、页表结构等，操作系统的基本就不展示了。
虚拟机管理程序虚拟化存储的方式是创建影子页表。
一般情况下，页表可以用来从虚拟内存到物理内存的翻译。
在虚拟化的情况下，由于所谓的物理内存仍然是虚拟的，所以Shadowpagetable需要做以下事情：虚拟内存-虚拟物理内存-真实物理内存。
以下是详细信息。
如果它们看起来具有破坏性，请忽略它们。
虚拟机管理程序维护从虚拟内存到物理内存的映射。
如果是GuestOS它的页表发生变化，即h.CR3寄存器的值，管理程序将收到一个一般异常，因为用户模式权限不足，需要更改创建一个新的页表，添加一个空的shadowpagetable并返回。
这个空的shadowpagetable会导致CPU在后续执行时无法进行地址转换，从而导致页面错误。
发生故障后，Hypervisor获取虚拟地址，然后根据用户之前记录的页表结构将其翻译成虚拟机地址，然后将虚拟机地址和Hypervisor管理的映射翻译成实际机器地址，然后加载shadowpagetable并返回执行。
这样就实现了：虚拟内存-虚拟物理内存-真实物理内存。
I/O虚拟化：背景知识：MemorymappedI/Odevice。
大多数PCI设备将自己的一些控制寄存器直接映射到物理存储空间。
CPU访问这些控制寄存器的方式与访问内存的方式相同。
CPU通过修改和读取这些寄存器来操作I/O设备。
虚拟化方法非常简单。
当Hypervisor收到页面错误并确定虚拟物理内存地址实际上对应于一个I/O设备时，Hypervisor使用软件模拟这个设备的工作情况并返回。
例如，当CPU想要写入磁盘时，hypervisor将相应的东西写入hostOS文件。
该文件实际上模拟了一个虚拟硬盘。

懂了！VMware、KVM、Docker原来是这么回事儿

云计算时代，水、电等计算资源成为互联网基础设施的支柱。
我们可以通过云平台轻松创建虚拟主机、Web服务器、数据库、对象存储等服务。
其中的主角就是虚拟化技术，它使云计算成为可能。
当您想到虚拟化时，您首先想到的是什么？VMware、KVM、Docker等技术，它们之间有何联系？这篇文章将帮助您找出答案。
虚拟化技术是将物理资源抽象、转换为可分割的资源，并将其组合成多个虚拟环境的技术。
在计算机体系结构中，分为三层：物理硬件层、操作系统层、应用层。
1974年，GeraldPopek和RobertGoldberg提出了虚拟化的三个基本条件。
实现虚拟化有两种选择：类型I（直接覆盖硬件）和类型II（依赖主机操作系统）。
VMware是著名的虚拟化工具，分为ESXi（直接安装在裸机上，属于TypeI虚拟化）和WorkStation（基于主机操作系统，属于TypeII虚拟化）。
常见的陷阱和模拟技术用于实现虚拟化技术，但它们在Intelx86架构上面临问题。
为了解决这个问题，VMware想出了二进制翻译技术，而QEMU则完全基于软件模拟。
全虚拟化技术模拟底层硬件，使虚拟机的操作系统不知道自己处于虚拟环境中。
VMware的性能仅限于完整的软件模拟，而QEMU更喜欢解释执行。
Xen等半虚拟化技术通过定制和修改内核来简化虚拟化过程，但需要修改操作系统源代码。
IntelVT和AMD的AMD-v等硬件辅助虚拟化技术引入了操作模式以实现更多功能通过CPU提供的接口进行高效的虚拟化。
VMware从5.5版本开始支持硬件虚拟化。
KVM也集成了该技术，并且只能运行在Linux服务器上。
KVM和QEMU组合成KVM-QEMU架构。
Docker等容器技术侧重于操作系统层面的虚拟化，隔离程序执行环境。
它比完全虚拟化更简单、更高效，但安全性相对较差。
近年来，Firecracker等超轻量级虚拟化技术将隔离性和轻量化结合起来，引入了microVM的概念，实现了性能和安全性的平衡。
随着虚拟化技术的发展，从虚拟端到端桌面到轻量级操作系统和微服务环境，Docker等容器技术正成为人们关注的焦点。
虚拟化未来如何发展，取决于市场和技术的进一步发展。
本文的目的是揭示虚拟化技术的基本原理和应用。
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