云系统架构KVM 懂了！VMware、KVM、Docker原来是这么回事儿
发布时间：2022-09-17 12:42:58 所属栏目：系统 来源：
导读： 云计算时代，计算资源如同小马哥当年所言，已经成为了互联网上的水和电。
云系统架构KVM_华为云系统架构及服务_传统架构与云架构区别
虚拟主机、web服务器、数据库、对象存储等等各种服务我们都
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虚拟主机、web服务器、数据库、对象存储等等各种服务我们都
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云计算时代，计算资源如同小马哥当年所言，已经成为了互联网上的水和电。 云系统架构KVM_华为云系统架构及服务_传统架构与云架构区别 虚拟主机、web服务器、数据库、对象存储等等各种服务我们都可以通过各种各样的云平台来完成。 而在云计算欣欣向荣的背后，有一个重要的功臣，那就是虚拟化技术。可以毫不客气的说，没有了虚拟化技术，云计算无从谈起。 说起虚拟化你会想到什么？从我们常用的虚拟机三件套VMware、VirtualPC、VirutalBox到如今大火的KVM和容器技术Docker？ 华为云系统架构及服务_传统架构与云架构区别_云系统架构KVM 这些技术是什么关系，背后的技术原理是怎样的，又有什么样的区别，各自应用的场景又是什么样的？ 看完这篇文章，相信大家都能回答上面问题。 历史背景 什么是虚拟化技术？ 维基百科中的解释是这样的： 虚拟化（技术）是一种资源管理技术，是将计算机的各种实体资源（CPU、内存、磁盘空间、网络适配器等），予以抽象、转换后呈现出来并可供分割、组合为一个或多个电脑配置环境。 对于一台计算机，我们可以简单的划分为三层：从下到上依次是物理硬件层，操作系统层、应用程序层 云系统架构KVM_传统架构与云架构区别_华为云系统架构及服务 1974年，两位计算机科学家Gerald Popek 和 Robert Goldberg发表了一篇重要的论文 《虚拟化第三代体系结构的正式要求》，在这篇论文中提出了虚拟化的三个基本条件： 那如何实现对计算机底层的物理资源的虚拟化分割呢？在计算机技术的发展历史上，出现了两种著名的方案，分别是I型虚拟化和II型虚拟化 云系统架构KVM_华为云系统架构及服务_传统架构与云架构区别 云系统架构KVM_传统架构与云架构区别_华为云系统架构及服务 图中的VMM意为Virtual Machine Monitor，虚拟机监控程序，或者用另一个更专业的名词：HyperVisor 从图中可以清楚的看到两种虚拟化方案的区别： Type I: 直接凌驾于硬件之上，构建出多个隔离的操作系统环境 Type II: 依赖于宿主操作系统，在其上构建出多个隔离的操作系统环境 我们熟知的VMware事实上有两个产品线，一个是VMware ESXi，直接安装在裸金属之上，不需要额外的操作系统，属于第一类虚拟化。另一个是我们普通用户更加熟知的VMware WorkStation，属于第二类虚拟化。 如何实现上述的虚拟化方案呢？ 一个典型的做法是——陷阱 & 模拟技术 什么意思？简单来说就是正常情况下直接把虚拟机中的代码指令放到物理的CPU上去执行，一旦执行到一些敏感指令，就触发异常，控制流程交给VMM，由VMM来进行对应的处理，以此来营造出一个虚拟的计算机环境。 不过这一经典的虚拟化方案在Intel x86架构上却遇到了问题。 全虚拟化：VMware 二进制翻译技术 不同于8086时代16位实地址工作模式，x86架构进入32位时代后，引入了保护模式、虚拟内存等一系列新的技术。同时为了安全性隔离了应用程序代码和操作系统代码，其实现方式依赖于x86处理器的工作状态。 这就是众所周知的x86处理器的Ring0-Ring3四个“环”。 云系统架构KVM_华为云系统架构及服务_传统架构与云架构区别 操作系统内核代码运行在最高权限的Ring0状态，应用程序工作于最外围权限最低的Ring3状态，剩下的Ring1和Ring2主流的操作系统都基本上没有使用。 这里所说的权限，有两个层面的约束： 来关注一下第二点，特权指令。 CPU指令集中有一些特殊的指令，用于进行硬件I/O通信、内存管理、中断管理等等功能，这一些指令只能在Ring0状态下执行，被称为特权指令。这些操作显然是不能让应用程序随便执行的。处于Ring3工作状态的应用程序如果尝试执行这些指令，CPU将自动检测到并抛出异常。 回到我们的主题虚拟化技术上面来，如同前面的定义所言，虚拟化是将计算资源进行逻辑或物理层面的切割划分，构建出一个个独立的执行环境。 按照我们前面所说的陷阱 & 模拟手段，可以让虚拟机中包含操作系统在内的程序统一运行在低权限的Ring3状态下，一旦虚拟机中的操作系统进行内存管理、I/O通信、中断等操作时，执行特权指令，从而触发异常，物理机将异常派遣给VMM，由VMM进行对应的模拟执行。 这本来是一个实现虚拟化很理想的模式，不过x86架构的CPU在这里遇到了一个跨不过去的坎。 到底是什么问题呢？ 回顾一下前面描绘的理想模式，要这种模式能够实现的前提是执行敏感指令的时候能够触发异常，让VMM有机会介入，去模拟一个虚拟的环境出来。 但现实是，x86架构的CPU指令集中有那么一部分指令，它不是特权指令，Ring3状态下也能够执行，但这些指令对于虚拟机来说却是敏感的，不能让它们直接执行。一旦执行，没法触发异常，VMM也就无法介入，虚拟机就露馅儿了！ 这结果将导致虚拟机中的代码指令出现无法预知的错误，更严重的是影响到真实物理计算机的运行，虚拟化所谓的安全隔离、等价性也就无从谈起。 怎么解决这个问题，让x86架构CPU也能支持虚拟化呢？ VMware和QEMU走出了两条不同的路。 VMware创造性的提出了一个二进制翻译技术。VMM在虚拟机操作系统和宿主计算机之间扮演一个桥梁的角色，将虚拟机中的要执行的指令“翻译”成恰当的指令在宿主物理计算机上执行，以此来模拟执行虚拟机中的程序。你可以简单理解成Java虚拟机执行Java字节码的过程，不同的是Java虚拟机执行的是字节码，而VMM模拟执行的就是CPU指令。 云系统架构KVM_华为云系统架构及服务_传统架构与云架构区别 另外值得一提的是，为了提高性能，也并非所有的指令都是模拟执行的，VMware在这里做了不少的优化，对一些“安全”的指令，就让它直接执行也未尝不可。所以VMware的二进制翻译技术也融合了部分的直接执行。 对于虚拟机中的操作系统，VMM需要完整模拟底层的硬件设备，包括处理器、内存、时钟、I/O设备、中断等等，换句话说，VMM用纯软件的形式“模拟”出一台计算机供虚拟机中的操作系统使用。 这种完全模拟一台计算机的技术也称为全虚拟化，这样做的好处显而易见，虚拟机中的操作系统感知不到自己是在虚拟机中，代码无需任何改动，直接可以安装。而缺点也是可以想象：完全用软件模拟，转换翻译执行，性能堪忧！ 而QEMU则是完全软件层面的“模拟”，乍一看和VMware好像差不多，不过实际本质是完全不同的。VMware是将原始CPU指令序列翻译成经过处理后的CPU指令序列来执行。而QEMU则是完全模拟执行整个CPU指令集，更像是“解释执行”，两者的性能不可同日而语。 云系统架构KVM_传统架构与云架构区别_华为云系统架构及服务 半虚拟化：Xen 内核定制修改 既然有全虚拟化，那与之相对的也就有半虚拟化，前面说了，由于敏感指令的关系，全虚拟化的VMM需要捕获到这些指令并完整模拟执行这个过程，实现既满足虚拟机操作系统的需要，又不至于影响到物理计算机。 但说来简单，这个模拟过程实际上相当的复杂，涉及到大量底层技术，并且如此模拟费时费力。 而试想一下，如果把操作系统中所有执行敏感指令的地方都改掉，改成一个接口调用（HyperCall），接口的提供方VMM实现对应处理，省去了捕获和模拟硬件流程等一大段工作，性能将获得大幅度提升。 这就是半虚拟化，这项技术的代表就是Xen，一个诞生于2003年的开源项目。 华为云系统架构及服务_云系统架构KVM_传统架构与云架构区别 这项技术一个最大的问题是：需要修改操作系统源码，做相应的适配工作。这对于像Linux这样的开源软件还能接受，充其量多了些工作量罢了。但对于Windows这样闭源的商业操作系统，修改它的代码，无异于痴人说梦。 硬件辅助虚拟化 VT / AMD-v 折腾来折腾去，全都是因为x86架构的CPU天然不支持经典虚拟化模式，软件厂商不得不想出其他各种办法来在x86上实现虚拟化。 如果进一步讲，CPU本身增加对虚拟化的支持，那又会是一番怎样的情况呢？ 在软件厂商使出浑身解数来实现x86平台的虚拟化后的不久，各家处理器厂商也看到了虚拟化技术的广阔市场，纷纷推出了硬件层面上的虚拟化支持，正式助推了虚拟化技术的迅猛发展。 这其中为代表的就是Intel的VT系列技术和AMD的AMD-v系列技术。 华为云系统架构及服务_传统架构与云架构区别_云系统架构KVM 硬件辅助虚拟化细节较为复杂，简单来说，新一代CPU在原先的Ring0-Ring3四种工作状态之下，再引入了一个叫工作模式的概念，有VMX root operation 和 VMX non-root operation 两种模式，每种模式都具有完整的Ring0-Ring3四种工作状态，前者是VMM运行的模式，后者是虚拟机中的OS运行的模式。 VMM运行的层次，有些地方将其称为Ring -1，VMM可以通过CPU提供的编程接口，配置对哪些指令的劫持和捕获，从而实现对虚拟机操作系统的掌控。 换句话说，原先的VMM为了能够掌控虚拟机中代码的执行，不得已采用“中间人”来进行翻译执行，现在新的CPU告诉VMM：不用那么麻烦了，你提前告诉我你对哪些指令哪些事件感兴趣，我在执行这些指令和发生这些事件的时候就通知你，你就可以实现掌控了。完全由硬件层面提供支持，性能自然高了不少。 上面只是硬件辅助虚拟化技术的一个简单理解，实际上还包含更多的要素，提供了更多的便利给VMM，包括内存的虚拟、I/O的虚拟等等，让VMM的设计开发工作大大的简化，VMM不再需要付出昂贵的模拟执行成本，整体虚拟化的性能也有了大幅度的提升。 VMware从5.5版本开始引入对硬件辅助虚拟化的支持，随后在2011年的8.0版本中正式全面支持。于是乎，我们在创建虚拟机的时候，可以选择要使用哪一种虚拟化引擎技术，是用原先的二进制翻译执行，还是基于硬件辅助虚拟化的新型技术。 传统架构与云架构区别_华为云系统架构及服务_云系统架构KVM 同一时期的XEN从3.0版本也加入对硬件辅助虚拟化的支持，从此基于XEN的虚拟机中也能够运行Windows系统了。 KVM-QEMU 有了硬件辅助虚拟化的加持，虚拟化技术开始呈现井喷之势。VirtualBox、Hyper-V、KVM等技术如雨后春笋般接连面世。这其中在云计算领域声名鹊起的当属开源的KVM技术了。 KVM全称for Kernel-based Virtual Machine，意为基于内核的虚拟机。 在虚拟化底层技术上，KVM和VMware后续版本一样，都是基于硬件辅助虚拟化实现。不同的是VMware作为独立的第三方软件可以安装在Linux、Windows、MacOS等多种不同的操作系统之上，而KVM作为一项虚拟化技术已经集成到Linux内核之中，可以认为Linux内核本身就是一个HyperVisor，这也是KVM名字的含义，因此该技术只能在Linux服务器上使用。 （编辑：航空爱好网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
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