虚拟化技术ppt课件

1、虚拟化技术虚拟化技术 agenda 虚拟化技术概述 根本虚拟化技术 硬件对虚拟化的支持 VMware虚拟化技术秘密认识虚拟化认识虚拟化指令仿真全虚拟化半虚拟化操作系统虚拟化LIB库仿真低高性能QEMUKVM/VmwareXenVServerWine计算机系统硬件操作系统程序库运用程序指令集合ISA系统调用SysCall运用编程接口API秘密虚拟化技术的历史虚拟化技术的历史资源池IBM推出虚拟化技术，提高了昂贵的大型机的利用率；VMware公司处理了X86虚拟化问题，推出了X86平台的虚拟机软件，使虚拟化技术开场走向普通用户。开源虚拟化技术Xen推出，使虚拟化技术的研讨和运用更加普及；Intel

2、和AMD推出支持虚拟化技术的处置器和芯片组，实现了硬件辅助虚拟化技术；1960s199920032005Amazon采用虚拟化技术提供云计算平台，获得了商业上的胜利，虚拟化技术成为云计算的基石；2006虚拟化技术将物理资源转化为便于切分的资源池，符合云计算的根本条件；虚拟化给资源以动态调配的才干，符合云计算按需分配的要求；秘密虚拟化前虚拟化后虚拟化将硬件、操作系统和运用程序一同封装一个可迁移的虚拟机档案文件中软件必需与硬件相结合每台机器只能 运转单一的操作系统每个操作系统有一个或多个运用程序负载通常只需一个添加虚拟化层裸金属架构每台机器上有多个操作系统和多个运用负载未更矫正的运用未更矫正的运用

3、未更矫正的未更矫正的OS虚拟硬件虚拟硬件效力器虚拟化的根底概念效力器虚拟化的根底概念秘密虚拟化计算系统体系构造虚拟化计算系统体系构造虚拟机管理器VMM单计算系统虚拟化多计算系统虚拟化操作系统运用程序VMMVMMVMM运用系统传统计算系统计算方式虚拟化计算系统计算方式运用系统运用系统运用系统操作系统操作系统操作系统操作系统8秘密虚拟技术虚拟技术: 四大特性四大特性相对于硬件独立相对于硬件独立无需修正即可在任何效力器上运转虚拟机分区分区在单一物理效力器上同时运转多个虚拟机隔离隔离在同一效力器上的虚拟机之间相互隔离封装封装整个虚拟机都保管在文件中，而且可以经过挪动和复制这些文件的方式来挪动和复制该虚

4、拟机秘密虚拟化益处：实现资源最优利用虚拟化益处：实现资源最优利用经过虚拟化进展效力器整合优势：大大提高硬件利用率添加系统的可管理性简化效力器安装过程，节约时间50%70%减少10倍或更多的硬件购买需求，节约一半的购买和维护本钱HypervisorHypervisorHypervisorHypervisor虚拟机秘密虚拟化益处：动态负载平衡资源虚拟化益处：动态负载平衡资源n当VMM监测到某个计算节点的负载过高时，可以在不中断业务的情况下，将其迁移到其它负载较轻的节点或者在节点内经过重新分配计算资源n执行紧迫计算义务的虚拟机得到更多的计算资源，保证关键义务的呼应才干HypervisorHyperv

5、isorHypervisor利用虚拟机与硬件无关的特性的虚拟机迁移技术，按需分配资源秘密虚拟化益处：系统自愈功能提升可靠性虚拟化益处：系统自愈功能提升可靠性n系统效力器硬件缺点时，可自动重启虚拟机n消除在不同硬件上恢复操作系统和运用程序安装所带来的困难，其中任何物理效力器均可作为虚拟效力器的恢复目的n减少硬件本钱和维护本钱HypervisorHypervisorHypervisor实现经济高效、独立于硬件和操作系统的运用程序高可用性秘密虚拟化益处：提升系统节能减排才干虚拟化益处：提升系统节能减排才干 与效力器管理硬件配合实现智能电源管理 优化虚拟机资源的实践运转位置，到达耗电最小化 可为运营商

6、节省大量电力资源，减少供电本钱，节能减排HypervisorHypervisorHypervisor休眠秘密虚拟化技术的驱动力虚拟化技术的驱动力IT本钱的消减本钱的消减n虚拟化技术可以显著提高硬件平台的利用率，节省50%以上的IT投资；n硬件效力器的减少同时可以节省机房电力、空间和制冷方面的投入；IDC统计的每用户年度破费秘密虚拟化技术的驱动力虚拟化技术的驱动力管理和可用性的提升管理和可用性的提升n虚拟机与物理效力器的隔离，使物理效力器的变化不涉及虚拟机，简化了管理难度；n虚拟机间可以提供对上层透明灾难恢复机制，灾难恢复过程简单灵敏，能显著提高系统可用性；物理设备虚拟机OSApp虚拟机OSAp

7、p缺点晋级维护秘密数据中心整合案例数据中心整合案例整合之前整合之后服务器1,000 台80 台存储270 TB DAS140 TB SAN 和 NAS网络3,000 个电缆/端口300 个电缆/端口设备200 个服务器机架400 个电源开关10 个服务器机架20 个电源开关客户例如：领先的北美公共设备公司客户例如：领先的北美公共设备公司VMware 对其产生的影响对其产生的影响硬件本钱节省硬件本钱节省数据中心空间、电力和制冷本数据中心空间、电力和制冷本钱节省钱节省 70-80%2 年节省年节省 800 万美圆万美圆运营效率运营效率效力器重建和运用程序载入时效力器重建和运用程序载入时间从间从 2

8、0-40 小时缩短到小时缩短到 15-30 分钟分钟每年节省每年节省 10,000 工时工时agenda 虚拟化技术概述 根本虚拟化技术 硬件对虚拟化的支持 VMware虚拟化技术秘密VMM作为一个运用程序运转在主机操作系统上，兼容性好但效率低。虚拟化技术的关键组件虚拟化技术的关键组件VMM组织架构组织架构Host OSVMMAPP Guest OS1AppGuest OS2Service OSVMMAPPGuest OS1APPGuest OS2HardwareHardwareOS-Hosted OS-Hosted 方式方式VMMAPPGuest OS1APPGuest OS2Hardwar

9、eVMM又称为Hypervisor，担任为虚拟机一致分配CPU、内存和外设，调度虚拟资源；VMM直接运转在物理硬件上，效率更高，但硬件兼容性差。Stand-alone HypervisorStand-alone Hypervisor 方式方式前两种方式的综合，VMM直接运转在物理硬件上，但驱动程序由Service OS提供。HybridHybrid方式方式秘密例如：ESX Server依赖虚拟层内核代理和协助运用的效力控制台VMM组织架构举例组织架构举例VMware产品虚拟化架构产品虚拟化架构例如：GSX Server, VMware Server, Workstation安装和运转运用程序依

10、赖于主机操作系统对设备的支持和物力资源的管理寄居架构寄居架构Hosted Hosted ArchitectureArchitecture裸金属架构裸金属架构 (“Bare Metal Architecture)秘密X86平台虚拟化的三种方式平台虚拟化的三种方式秘密X86平台平台 Full virtualization虚拟化技术虚拟化技术n客户操作系统运转在Ring 1级，VMM运转在Ring 0级，VMM提供应操作系统各种虚拟资源虚拟BIOS、虚拟设备和虚拟内存管理等。对于不能虚拟化的特权指令，经过二进制转换方式转换为同等效果的指令序列运转，而用户级指令可直接运转。n客户操作系统与底层硬件资源

11、完全隔离，操作系统不感知运转在虚拟机上，也不需求修正操作系统，虚拟机具有较好的隔离性和平安性。AppRing 3Ring 2Guest OSRing 1VMMRing 0X86 硬件平台对特权指令进展二进制转换用户指令直接执行秘密X86平台平台 Paravirtualization虚拟化技术虚拟化技术n这种方式需求修正操作系统内核，将不能虚拟化的指令交换为hypercall，hypercall直接与虚拟层通讯，虚拟层提供内核操作的关键接口，如内存管理、中断处置和时间管理等。n这样显著减少了虚拟化开销，性能较高，但是由于需求修正操作系统内核，对于非开放的操作系统，如windows 2000/xp

12、，那么无法支持。VMMAppRing 3Ring 2Ring 1Guest OSRing 0X86 硬件平台经过Hypercall调用虚拟层操作用户指令直接执行秘密X86平台平台 硬件辅助虚拟化硬件辅助虚拟化n在Intel的VT-x技术中，CPU在Ring 0级之下还提供了一个Root Mode，VMM运转在Root Mode下。特权指令自动被VMM捕获，不需求进展二进制转换或调用Hypercall。nIntel还对外设提供了VT-d和VT-c等技术，提供对外设虚拟化的支持。VMMAppRing 3Ring 2Ring 1Guest OSRing 0X86 硬件平台特权指令被VMM捕获，不需求

13、二进制转换用户指令直接执行非Root modeRoot mode秘密内存虚拟化内存虚拟化nVMM 通常采用分块共享的思想来虚拟计算机的物理内存。即将机器内存分配给虚拟机，并维护机器内存和虚拟机所见的“物理内存的映射关系，使这些内存在虚拟机看来是从地址0开场、延续的物理地址空间秘密I/O设备虚拟化方式设备虚拟化方式n较高性能nIO设备共享n支持虚拟机迁移n虚拟层过于复杂VMMSharedDevicesI/O ServicesDevice DriversVM0Guest OSand AppsVMnGuest OSand Appsn最高性能n虚拟层更简约n需求设备支持共享n迁移才干受影响Assign

14、edDevicesVMMVM0Guest OSand AppsDeviceDriversVMnGuest OSand AppsDeviceDriversn高平安性nIO设备共享n支持虚拟机迁移n性能受影响SharedDevicesI/O ServicesVMMDevice DriversService VMsVMnVM0Guest OSand AppsGuest VMs秘密I/O设备虚拟化设备虚拟化n目前一些常见的VMM系统针对I/O设备虚拟化分别采用了不同的设计思绪，比较典型的有：1全虚拟化，2半虚拟化，3软件模拟全虚拟化半虚拟化软件模拟秘密真假结合的真假结合的I/O设备访问技术设备访问技术

15、n直接设备访问nVMM-Bypass I/On2006年IBM基于Xen实现了InfiniBand设备的直接I/O访问n2006年佐治亚理工提出I/O设备自虚拟化(Self-Virtualization)概念nIntel VT-d，AMD IOMMU，PCI-SIG的IOV规范从硬件层次上试图处理直接设备访问带来的隔离性问题，并支持设备的共享秘密开源虚拟机开源虚拟机XennXen是由剑桥大学计算机实验室发起的开源虚拟机工程；n支持半虚拟化和全虚拟化需求硬件支持；nXen Hypervisor 是虚拟机管理器，担任CPU调度和内存分区，不担任网络和设备IO；nDomain 0 ，担任管理其他虚拟

16、机，提供管理接口； nDomain UnDomain U PV Guest ：半虚拟化虚拟机；nDomain U HVM Guest ：全虚拟化虚拟机；nXen Hypervisor的管理接口可经过Libxenctrl库调用，来实施管理功能；秘密基于基于Linux内核的虚拟机内核的虚拟机KVMnKVM嵌入到Linux内核中，利用Linux内核的调度和资源管理才干管理虚拟资源；n在KVM下，每个虚拟机都是一个Linux进程，它按正常进程方式调度，内存也由Linux分配，也可以按普通进程进展管理。n正常进程有中心和用户两种方式，KVM添加了guest方式，用于执行非IO的客户操作系统代码 ；nKV

17、M主要有两个组件：一个用来管理虚拟硬件的驱动程序，它表达为设备/dev/kvm；一个修正了的qemu进程，运转在用户空间，用来模拟PC硬件。秘密操作系统适配操作系统适配n减少堕入，提高虚拟化性能nVMware：idle被调度时，可以不切换页表nVMware：经过修正Guest OS安装的网卡驱动，减少I/O指令和中断恳求，提高虚拟网卡性能nXen：经过Hypercall堕入VMM，完成一组特权操作n支持虚拟机管理：Virtual Awaren提供负载信息The University of Michigann提供资源运用信息n虚拟机自管理University of CopenhagennSelf

18、-migration、Self-ClonenVirtual Appliance (VMware)nJeOS：Just enough OS秘密虚拟机系统根本平安隔离虚拟机系统根本平安隔离n因外界入侵、系统缺点等，虚拟机出现平安问题n经过平安隔离机制将“问题虚拟机限定在特定范围n终止“问题虚拟机，对其所运用的磁盘、内存等进展平安清理，隔离系统缺点29VMMVM物理内存虚拟磁盘虚拟物理内存VCPUcore虚拟磁盘虚拟物理内存VCPU物理磁盘VM秘密VMVMVMVMvTPMmanagervTPM instancevTPM instancevTPM instancevTPM instanceTruste

19、d VMM platformOSOSOSattack可信VMM隔离来自VM攻击n TPM提供可信的VMM,并经过虚拟化技术为每个VM提供可信功能n 可信的VMM可以实现VM与VMM之间的攻击隔离,把VM内攻击的的边境限制在VM之内.实现了VM与VMM以及VM之间的平安隔离n 利用虚拟化技术可有效实现硬件的缺点隔离技术failure硬件的缺点对VMs和OS透明虚拟机平安隔离实现机制agenda 虚拟化技术概述 根本虚拟化技术 硬件对虚拟化的支持 VMware虚拟化技术秘密VMMSoftwareSoftware-only VMMs Binary translation Paravirtualiza

20、tion IO-Device EmulationSimpler and moreSecure VMMsthrough foundationof virtualizable ISABetter I/O andCPU Performanceand Robustness vi hardware supportVector 3:I/O Device FocusAssists for endpoint I/O device sharing: Support for PCI-SIG Standards Network Virtualization (VMDq)Richer IO-deviceFunctio

21、nalityand Sharing forlegacy andparavirtualized OSesVector 1:Processor FocusVector 2:Platform FocusBaseline Infrastructure: DMA RemappingPerformance Assists: EPT APIC TPR VPIDs -Arch Opt.Close basicprocessor“virtualization holesin IA-32 CPUsEnhanced support for: APIC Virtualization VM Switching Misc

22、OtherEnhanced Platform Support: Interrupt Remapping Performance Enhancements PCI-SIG IOV SupportIntel VT-x: Intel Virtualization Technology (Intel VT) for IA-32, Intel 64 and Intel ArchitectureIntel VT-d: Intel Virtualization Technology (Intel VT) for Directed I/O Intel VT-c: Intel Virtualization Te

23、chnology (Intel VT) for Connectivity Intel VT Development RoadmapVMM software evolution over time with Intel Virtualization Technology hardware supportVT-cVT-dVT-x秘密Intel Virtualization TechnologyIntel VT refers to all the hardware assists for virtualization that Intel offers across its platform (CP

24、U, Chipset, I/O)Intel VT-xIntel VT refers to all the hardware assists for virtualization in Intel 64 and IA32 processorsIntel VT-iIntel VT refers to all the hardware assists for virtualization in Itanium processorsIntel VT for Directed I/O (Intel VT-d)Intel VT refers to all the hardware assists for

25、virtualization in Intel chipsetIntel VT for Connectivity (Intel VT-c)Intel VT refers to all the hardware assists for virtualization in Intel networking and I/O devicesProcessorChipsetNetwork秘密Pre and Post Intel VT-x/VT-in VMM has its own privileged level where it executesn No need to de-privilege th

26、e guest OSn OSes run directly on the hardwaren VMM de-privileges the guest OS into Ring 1, and takes up Ring 0n OS un-aware it is not running in traditional ring 0 privilegen Requires compute intensive SW translation to mitigateRing 1Ring 3Ring 0VM1VMnShared Physical HardwareVirtual Machine MonitorS

27、hared Physical HardwareIntel Virtualization TechnologyRing 0Ring 3VMX RootVM1VMnVirtual Machine Monitor秘密Intel VT-d in hardware: OverviewnVT-d provides infrastructure for I/O virtualizationnDefines architecture for DMA remappingnWill be supported broadly across Intel chipsetsDRAMSouth BridgeBus to C

28、PUPCI ExpressPCI, LPC, Legacy devices, IntegratedDevicesNorth BridgeVT-dPCIe* Root Ports*Other names and brands may be claimed as the property of others秘密Intel Virtualization Technology for Directed I/O (VT-d)DMA-Remapping Benefitswith 32-bit devices (Native OS and VMM)秘密Layer 2 Classified SorterRxn

29、Rx1Rx2Rx1RxnRx1IdleTx2TxnTxnIdleTx2TxnTx1MAC/PHYNIC w/VMDqVirtual Machine Device Queues (VMDq)More effective NIC sharing by sorting and grouping packetsVM1(vNIC)VM2(vNIC)VMn(vNIC)Layer 2 Software SwitchVMMLANTransmit Path:Round-robin servicing Ensures transmit fairness across VMsPrevents head-of-lin

30、e blockingReceive PathData packets for different VMs get sorted at the Ethernet silicon based on MAC address/VLAN tagsSorted data packets get parsed to the respective VMsData packets being received by respective VMsRx1Rx2Rx1RxnRx1RxnTx1TxnTx2Tx2TxnTxn*Other names and brands may be claimed as the pro

31、perty of others.agenda 虚拟化技术概述 根本虚拟化技术 硬件对虚拟化的支持 VMware虚拟化技术秘密VMware HAVMware HA：提高系统的可用性：提高系统的可用性功能功能当效力器缺点时，自动重新启当效力器缺点时，自动重新启动虚拟机动虚拟机优势优势经济有效的适用于一切运用的经济有效的适用于一切运用的高可用高可用不需求独占的不需求独占的stand-by stand-by 硬件硬件没有集群软件的本钱和复杂性没有集群软件的本钱和复杂性经济有效的适用于一切运用的高可用途理方案经济有效的适用于一切运用的高可用途理方案X秘密VMotionVMotion：减少方案内宕机时间：

32、减少方案内宕机时间VMotionVMotionVMotion是什么？经过VMware VMotion可以实现虚拟机的动态迁移，而效力不中断。客户优势：零宕机时间: 进展有方案的效力器维护和晋级迁移任务负载，资源利用率最大化效力器的继续可用性, 完好的买卖集成支持Fibre Channel和iSCSI SAN环境以及NAS秘密Storage VMotionStorage VMotion：减少方案内宕机时间：减少方案内宕机时间l虚拟机磁盘存储独立迁移虚拟机磁盘存储独立迁移l无需虚拟机停机无需虚拟机停机lLUN 独立独立l支持光纤通道支持光纤通道 SAN运用程序运用程序操作操作系统系统运用程序运用程

33、序操作操作系统系统运用程序运用程序操作操作系统系统无中断：无中断：刷新到新阵列刷新到新阵列 迁移到不同类别的存储器迁移到不同类别的存储器晋级到新文件系统格式晋级到新文件系统格式虚拟机粒度，虚拟机粒度，LUN 独立独立秘密VMwareVMware分布式资源调度分布式资源调度DRSDRS：按需自动资源调配：按需自动资源调配功能功能跨资源池动态调整计算资源跨资源池动态调整计算资源基于预定义的规那么智能分配资源基于预定义的规那么智能分配资源优势优势使使IT IT和业务优先级对应和业务优先级对应 动态提高系统管理效率动态提高系统管理效率自动化的硬件维护自动化的硬件维护动态负载平衡和延续智能优化，保证一切

34、运用需求的的资源动态负载平衡和延续智能优化，保证一切运用需求的的资源资源池资源池业务需求业务需求围绕业务进展组织和规划围绕业务进展组织和规划而不是您的硬件而不是您的硬件! !秘密实现节能的绿色计算：实现节能的绿色计算：DPMDPM智能化的电源管理智能化的电源管理l是VMware DRS功能的进一步延伸l与效力器管理硬件配合实现智能化的电源管理l优化虚拟机的实践运转位置，到达耗电最小化的目的l可以为大中型计算中心节省大量的电力资源，显著降低用电本钱资源池资源池业务需求业务需求下电These features are representative of feature areas under development. Feature commitments must not be included in contracts, purchase orders, or sales agreements of any kind. Technical feasibility and market demand will affect final de