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（云计算HCIP）HCIP全笔记（十三）本篇介绍虚拟化技术，内容包含：虚拟化资源、虚拟化过程、I/O虚拟化、虚拟化架构KVM和Xen介绍、主流虚拟化技术介绍

news 来源：原创 2025/4/29 6:22:06

1. 虚拟化资源

1.1 虚拟化对象

CPU虚拟化：

目标是使虚拟机上的指令能被正常执行，且效率接近物理机
内存虚拟化：

目标是能做好虚拟机内存空间之间的隔离，使每个虚拟机都认为自己拥有了整个内存地址，且效率页能接近物理机。
I/O虚拟化：

目标使不仅让虚拟机访问到他们所需要的I/O资源，而且要做好它们之间的隔离工作，更重要的是减轻由于虚拟化所带来的开销。

1.2 虚拟化过程

全虚拟化：

使用VMM实现CPU、内存、设备I/O的虚拟化，而Guest OS和计算机系统硬件都不需要进行修改。

优点	缺点
不需要修改guest os	虚拟化层的开销大

半虚拟化：

使用VMM实现CPU和内存虚拟化，设备I/O虚拟化由Guest OS实现。

优点	缺点
虚拟化层开销小，性能好	需要修改guest os

硬件辅助虚拟化：
借助硬件(主要是处理器)的支持来实现高效的全虚拟化。
- 该技术将逐渐消除软件虚拟化之间的差别，成为未来的发展趋势。

优点	缺点
让物理硬件直接支持虚拟化功能能够识别敏感指令	需要CPU支持虚拟化

1.3 IO 虚拟化

全虚拟化
- VM–>Hypervisor–>QEMU（Domain0）–>IO设备
半虚拟化
- VM–>QEMU（Domain0）–>IO设备
设备直通
- VM–>IO设备

1.3.1 I/O虚拟化问题：

设备发现：需要控制各虚拟机能够访问的设备

访问截获：

通过I/O端口或者MMIO对设备的访问；
设备通过DMA与内存进行数据交换

1.3.2 虚拟化

I/O虚拟化可以被看做是位于服务器组件的系统和各种可用I/O处理单元之间的硬件中间件层，使得多个Guest可用复用有限的外设资源

I/O虚拟化的过程，就是模拟设备的这些寄存器和内存，解惑Guest OS对IO端口和寄存器的访问，通过软件的方式来模拟设备行为。

在QEMU/KVM中，客户机可用使用的设备大致可分为三类：

模拟设备：完全由QEMU纯软件模拟的设备
Virtio设备：实现VIRTIO API的半虚拟化设备
PCI设备直接分配(PCI device assignment)

1.3.2.1 I/O虚拟化-全模拟

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用软件完全模拟一个特定的设备
1. 保持一样的软件接口，如：PIO、MMIO、DMA、中断等
2. 可用模拟出跟系统中的物理设备不一样的虚拟设备
每次I/O操作需要多次上下文切换
VM<->Hypervisor
Qemu<->Hypervisor
将模拟的设备对不影响虚拟机中的软件栈
1. 原生驱动

1.3.2.2 I/O虚拟化-Virtio

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虚拟出特殊的设备
1. 特殊的设备驱动，包括VM中的Front-end驱动和主机上的Back-end驱动
2. Front-end和Back-end驱动之间的高效通信
减少VM和主机的数据传输开销
1. 共享内存(Virt RING)
2. Batched I/O
3. 异步事件通知Eventfd轻量级进程间 “等待/通知” 机制

1.3.2.3 PCI设备直接分配:

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KVM虚拟机支持将宿主机中的PCI、PCI-E设备附加到虚拟化的客户机中，从而让客户机以独占的方式方位这个PCI设备。
这样的操作不需要VMM层的参与，从而让客户机对该设备的I/O交互操作和实际的物理设备操作完全一样

KVM使用的Qeumu技术介绍：

QEMU是一套由法布里斯·贝拉所编写的以GPL许可证分发源码的模拟处理器，在GNU/Linux平台上使用广泛。
Qemu有着高速度核跨平台的特性，通过KQEMU这个闭源加速器，QEMU能模拟至接近真实电脑的速度。

1.4 虚拟化架构 KVM和Xen

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1.4.1 Xen

Domain0
- 处于特权级别的虚拟机
- 实现IO的虚拟化
- 管理DomainU
- 管理硬件
DomainU
- 普通用户虚拟机

1.4.2 KVM

KVM（Kernel-based Virtual Machine）是基于内核的虚拟机
架构
- 内核态：启用KVM.KO内核模块以实现CPU和内存的虚拟机
- 用户态：部署QEMU以实现IO虚拟机

1.5 主流虚拟化技术介绍

1.5.1 Xen虚拟化简介

Xen的Hypervisor是服务器经过BIOS启动之后载入的首个程序，然后启动一个具有特定权限的虚拟机，称之为Domain 0（简称Dom0）。

Dom0的操作系统可以是Linux或Unix，Domain 0实现对Hypervisor控制和管理功能。

在所承载的虚拟机中，Dom0是唯一可以直接访问物理硬件（如存储和网卡）的虚拟机，它通过本身加载的物理驱动，为其它虚拟机（Domain U，简称DomU）提供访问存储和网卡的桥梁。

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1.5.2 KVM虚拟化简介

KVM（Kernel-based Virtual Machine）是基于内核的虚拟机。这是一款开源软件，于2007年2月被集成到Linux 2.6.20内核中。

KVM本质是Linux内核中的虚拟化功能模块kvm.ko，利用Linux做大量的事，如任务调度、内存管理与硬件设备交互等。

KVM中，虚拟机其实就是一个Linux进程，由CPU进行调度运行。
KVM运行在内核空间，提供CPU、内存的虚拟化，它本身不执行任何模拟。运行在用户空间的QEMU提供硬件I/O的虚拟化模拟。

1.5.2.1 KVM与QEMU

在KVM虚拟化方案中，KVM主要用于管理CPU和内存的虚拟化，IO设备的虚拟化则由QEMU来完成。
QEMU是一个纯软件实现的开源（模拟）软件，它能够模拟整套虚拟机的实现，包括CPU、内存、IO设备、USB、网卡等。

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1.5.2.2 KVM原理

KVM是Linux Kernel的一个模块，运行在内核空间。

QEMU运行在用户空间，提供硬件I/O设备的虚拟化模拟。
Linux系统安装KVM模块后，会有如下三种运行模式：客户模式、用户模式、内核模式。

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2. 云计算与虚拟化的区别

类别	作用
云计算	一种商业模式或服务模式
虚拟化	实现云计算的重要手段之一

虚拟化技术：

开源：KVM、XEN
闭源：Hyper-v、vSphere、FusionCompute

3. 缩略词

VRM——————————虚拟机资源管理，会与cna进行对接，可以控制多台cna

KVM——————————虚拟机中的模块，存储在linux内核里

XEN——————————虚拟机中的内核模块，06年以前主流的虚拟机架构

libvirt——————————软件包，负责对接驱动和管理工具，它拥有多种语言的api接口，可以用根据对应语言的api直接进行管理libvirt对kvm操作

Guest Os——————————虚拟机操作系统

Huest Os——————————硬件操作系统

driver——————————硬件驱动

HPA——————————物理机的物理内存

HVA——————————物理机的虚拟内存

GPA——————————虚拟机的物理内存

GVA——————————虚拟机的虚拟内存

TLB——————————转译后备缓冲区

CAM——————————结合存储

4. ❤️HCIP专栏——前文链接

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