虚拟化技术简介
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虚拟化技术简介
Li Yangwei
虚拟化技术简介
▪ 虚拟化技术概述 ▪ 虚拟化技术的基本要素与分类 ▪ VMM,虚拟化技术中软件的作用 ▪ 硬件对虚拟化的支持 ▪ 虚拟化技术实践 ▪ 虚拟化的未来
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虚拟化技术概述
▪ 在虚拟化技术中，可 以同时运行多个操作 系统，而且每一个操 作系统中都有多个程 序运行，每一个操作 系统都运行在一个虚 拟的CPU或者是虚拟 主机上。
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虚拟化技术的分类
• (3)泛虚拟化技术或准虚拟化技术。这种虚拟技术以xen为 代表，它在硬件上覆盖一层xen Hypervisor，并需要修改 操作系统的内核。
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虚拟化技术的分类
• (4)抽象仿真虚拟机。这种虚拟机的典型实例是Java虚拟 机。它们在实际的计算机上通过软件模拟来实现一些抽象 的指令，拥有自己的处理器、堆栈、寄存器和相应的指令 系统等。
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虚拟化能做什么?
• 帮助客户在单个物理系统上运行多个操作系统“实例”, 节省硬件成本
– 混合操作系统 －－ Linux、Windows，等等
• 隔离应用软件与硬件 • 在新硬件上运行遗留操作环境 • 优化应用开发
-在单一系统上进行测试和开发 • 提高系统灵活性
-在系统之间迁移虚拟环境
3
虚拟化技术概述 • 虚拟机技术出现于上世纪60年代，当时为了提高
对珍贵的计算资源的利用率促使虚拟机技术得到 了广泛的研究和应用。
4 Page 4
• 到了80和90年代，多任务多用户操作系统的普及 以及硬件成本下降使虚拟机技术无法发挥其优势， 人们冷却了对它的研究热情。
5 Page 5
• 现在，在计算机硬件强大性能的前提下，如何降 低系统成本、提高系统资源利用率、降低管理成 本，如何提高安全性和可靠性、增强可移植性以 及提高软件开发效率等课题使虚拟机技术的重要 性越来越明显。使虚拟机技术重新成为计算机技 术研究的焦点之一。
内存虚拟化
I/O虚拟化
Page 21
CPU虚拟化
传统CPU等级划分
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CPU虚拟化
传统CPU等级划分
▪x86处理器响应有4个不同优先级，称为Ring 0～ Ring3，其中Ring 0的优先级最高，Ring 3最低。 Ring 0用于操作系统内核， Ring 1和Ring 2用于 操作系统服务，Ring 3用于应用程序。
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虚拟化技术基本要素
• Guest OS • 在虚拟机里运行的操作系统叫Guest OS
• Application • 应用程序
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虚拟化技术基本要素
• User • 终端用户
13 Page 13
虚拟化技术的分类
• (1)分区技术。这种虚拟化技术是最早诞生的，原因是当时 人们想要提高大型机的利用率。硬件分区技术是将硬件资 源划分成数个分区，每个分区享有独立的CPU、内存，并 安装独立的操作系统。
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VMM,虚拟化技术中软件的作用
VMM的分类
宿主型VMM 需要运行在Host OS之上,由其提供驱动程 序和与硬件通信 独立监控型VMM 直接运行于硬件层之上
混合型VMM
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VMM分类-I
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VMM分类-II
20
VMM,虚拟化技术中软件的作用
VMM的实现
CPU虚拟化
得直接接触 • 高效性
10 Page 10
虚拟化技术基本要素
• Devices • 计算机设备,如CPU,内存,硬盘等
• Device Driver • 设备驱动程序, 即为了控制计算机设备而添加到操作系统
中的一系列代码，其中包含有关硬件设备的信息和通信, 控制接口。有了此信息，计算机就可以与设备进行通信。 没有驱动程序，计算机中的硬件就无法工作。
7 Page 7
虚拟化技术的体系结构与要素
• VM 虚拟机（Virtual Machine）指通过软件模拟 的具有完整硬件系统功能的、运行在一个 完全隔离环境中的完整计算机系统。
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虚拟化技术基本要素
• 现有的虚拟机系统是通过在现有平台(裸机 或操作系统)上增加一个虚拟层VMM(虚拟 机监视器，virtual Machine Monitor或 Hypervisor)来实现的。
Page 23
CPU虚拟化
特权指令来自百度文库非特权指令
指令集通常可分为非特权指令和特权指令两种。
非特权指令不能改变共享资源的值或状态。共享资源包括处理器、
内存、计时器和特殊目的的寄存器等。非特权指令如算术运算指令、逻 辑运算指令等。
特权指令是所有用来访问共享资源的值或状态的指令，这类指令包
括关机、设置计时器、设置程序计数器、改变重定位寄存器的值和I/O 相关的指令。 VMM执行非特权指令,可以直接执行,而对特权指令,则需要仿真执行.
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CPU虚拟化
虚拟化系统下CPU等级划分的困难
▪一般来说，操作系统当然是要运行在Ring 0下的， 但为了避免Guest OS破坏Host OS，Guest OS必 须运行在低于Ring 0的权限上（如Ring 1权限）。 问题随之而来，为了让Guest OS实现完整的系统 功能，又必须让它发出的线程是Ring 0级的。于 是虚拟软件就要不断协调Guest OS和Host OS之 线程的优先级，这种转换必然会增加系统的复杂 性，会导致软件虚拟技术的性能低下，CPU和内 存的处理能力在这样的协调中被大量耗费了，有 数据表明其 引起的系统性能下降5%～40%。
14 Page 14
虚拟化技术的分类
• (2)完全虚拟化技术。该技术不再对底层硬件资源进行划分， 而是拥有一个统一的宿主系统。该宿主可以是一个传统操 作系统，也可以是一个vMM，其上可以安装多个未经更改 的客户操作系统(Guest Os)。其代表实例有vmware系列、 微软的virtual PC等。
• VMM是一个系统软件，可以维护多个高效 的、隔离的程序环境. VMM管理计算机系统 的真实资源，为虚拟机提供接口
---host OS 一些VMM是安装在已有操作系统 之上的.则原有操作系统为host OS
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虚拟化技术基本要素
• VMM必须满足的三个条件: • 等价性(保真性) • 安全性 ----物理硬件应完全由VMM管理,VM中程序不
Li Yangwei
虚拟化技术简介
▪ 虚拟化技术概述 ▪ 虚拟化技术的基本要素与分类 ▪ VMM,虚拟化技术中软件的作用 ▪ 硬件对虚拟化的支持 ▪ 虚拟化技术实践 ▪ 虚拟化的未来
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虚拟化技术概述
▪ 在虚拟化技术中，可 以同时运行多个操作 系统，而且每一个操 作系统中都有多个程 序运行，每一个操作 系统都运行在一个虚 拟的CPU或者是虚拟 主机上。
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虚拟化技术的分类
• (3)泛虚拟化技术或准虚拟化技术。这种虚拟技术以xen为 代表，它在硬件上覆盖一层xen Hypervisor，并需要修改 操作系统的内核。
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虚拟化技术的分类
• (4)抽象仿真虚拟机。这种虚拟机的典型实例是Java虚拟 机。它们在实际的计算机上通过软件模拟来实现一些抽象 的指令，拥有自己的处理器、堆栈、寄存器和相应的指令 系统等。
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虚拟化能做什么?
• 帮助客户在单个物理系统上运行多个操作系统“实例”, 节省硬件成本
– 混合操作系统 －－ Linux、Windows，等等
• 隔离应用软件与硬件 • 在新硬件上运行遗留操作环境 • 优化应用开发
-在单一系统上进行测试和开发 • 提高系统灵活性
-在系统之间迁移虚拟环境
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虚拟化技术概述 • 虚拟机技术出现于上世纪60年代，当时为了提高
对珍贵的计算资源的利用率促使虚拟机技术得到 了广泛的研究和应用。
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• 到了80和90年代，多任务多用户操作系统的普及 以及硬件成本下降使虚拟机技术无法发挥其优势， 人们冷却了对它的研究热情。
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• 现在，在计算机硬件强大性能的前提下，如何降 低系统成本、提高系统资源利用率、降低管理成 本，如何提高安全性和可靠性、增强可移植性以 及提高软件开发效率等课题使虚拟机技术的重要 性越来越明显。使虚拟机技术重新成为计算机技 术研究的焦点之一。
内存虚拟化
I/O虚拟化
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CPU虚拟化
传统CPU等级划分
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CPU虚拟化
传统CPU等级划分
▪x86处理器响应有4个不同优先级，称为Ring 0～ Ring3，其中Ring 0的优先级最高，Ring 3最低。 Ring 0用于操作系统内核， Ring 1和Ring 2用于 操作系统服务，Ring 3用于应用程序。
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虚拟化技术基本要素
• Guest OS • 在虚拟机里运行的操作系统叫Guest OS
• Application • 应用程序
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虚拟化技术基本要素
• User • 终端用户
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虚拟化技术的分类
• (1)分区技术。这种虚拟化技术是最早诞生的，原因是当时 人们想要提高大型机的利用率。硬件分区技术是将硬件资 源划分成数个分区，每个分区享有独立的CPU、内存，并 安装独立的操作系统。
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VMM,虚拟化技术中软件的作用
VMM的分类
宿主型VMM 需要运行在Host OS之上,由其提供驱动程 序和与硬件通信 独立监控型VMM 直接运行于硬件层之上
混合型VMM
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VMM分类-I
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VMM分类-II
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VMM,虚拟化技术中软件的作用
VMM的实现
CPU虚拟化
得直接接触 • 高效性
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虚拟化技术基本要素
• Devices • 计算机设备,如CPU,内存,硬盘等
• Device Driver • 设备驱动程序, 即为了控制计算机设备而添加到操作系统
中的一系列代码，其中包含有关硬件设备的信息和通信, 控制接口。有了此信息，计算机就可以与设备进行通信。 没有驱动程序，计算机中的硬件就无法工作。
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虚拟化技术的体系结构与要素
• VM 虚拟机（Virtual Machine）指通过软件模拟 的具有完整硬件系统功能的、运行在一个 完全隔离环境中的完整计算机系统。
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虚拟化技术基本要素
• 现有的虚拟机系统是通过在现有平台(裸机 或操作系统)上增加一个虚拟层VMM(虚拟 机监视器，virtual Machine Monitor或 Hypervisor)来实现的。
Page 23
CPU虚拟化
特权指令来自百度文库非特权指令
指令集通常可分为非特权指令和特权指令两种。
非特权指令不能改变共享资源的值或状态。共享资源包括处理器、
内存、计时器和特殊目的的寄存器等。非特权指令如算术运算指令、逻 辑运算指令等。
特权指令是所有用来访问共享资源的值或状态的指令，这类指令包
括关机、设置计时器、设置程序计数器、改变重定位寄存器的值和I/O 相关的指令。 VMM执行非特权指令,可以直接执行,而对特权指令,则需要仿真执行.
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CPU虚拟化
虚拟化系统下CPU等级划分的困难
▪一般来说，操作系统当然是要运行在Ring 0下的， 但为了避免Guest OS破坏Host OS，Guest OS必 须运行在低于Ring 0的权限上（如Ring 1权限）。 问题随之而来，为了让Guest OS实现完整的系统 功能，又必须让它发出的线程是Ring 0级的。于 是虚拟软件就要不断协调Guest OS和Host OS之 线程的优先级，这种转换必然会增加系统的复杂 性，会导致软件虚拟技术的性能低下，CPU和内 存的处理能力在这样的协调中被大量耗费了，有 数据表明其 引起的系统性能下降5%～40%。
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虚拟化技术的分类
• (2)完全虚拟化技术。该技术不再对底层硬件资源进行划分， 而是拥有一个统一的宿主系统。该宿主可以是一个传统操 作系统，也可以是一个vMM，其上可以安装多个未经更改 的客户操作系统(Guest Os)。其代表实例有vmware系列、 微软的virtual PC等。
• VMM是一个系统软件，可以维护多个高效 的、隔离的程序环境. VMM管理计算机系统 的真实资源，为虚拟机提供接口
---host OS 一些VMM是安装在已有操作系统 之上的.则原有操作系统为host OS
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虚拟化技术基本要素
• VMM必须满足的三个条件: • 等价性(保真性) • 安全性 ----物理硬件应完全由VMM管理,VM中程序不