論文學習筆記（一）： Xen and the Art of Virtualization

原文：Xen and the Art of Virtualization

首先說幾個名詞解釋：

• Xen: 它並不是Virtual Machine（VM），而是Virtual Machine Monitor（VMM），或者叫它supervisor。它是虛擬機的管理者或者監視者，並不是虛擬機本身。
• VMM：管理虛擬機的內存，CPU和各種資源的調度，與實體機交互。
• GuestOS：就是虛擬機，Host是主機

剩下的名詞邊學邊解釋。

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Abstract：

Xen的優勢：可允許多個OS共同分享一個常規的硬件，這裏的常規指的是不用經過特殊改造，普通的硬件。這種分享是安全的，資源受管理的，並且不犧牲功能或者性能（在Xen出現以前，其他的VMM要不就不安全，要麼就會犧牲功能或性能）。

Introduction：

機器分割實現多系統併發操作有幾個難點：（機器分割指CPU、內存等的分塊，一部分處理一個VM）
1. VM必須相互隔離：不隔離可能會相互影響，性能、安全性等
2. 不同操作系統都需要支持不同流行應用程序的異構性
3. 虛擬化帶來的性能開銷很小

Xen實現隔離的方法
整個OS粒度上覆用物理資源。

XEN: APPROACH & OVERVIEW

• x86架構不支持 full virturalization

  • 部分超級指令（supervisor instructions）在特權不足時會靜默失敗，而不會導致陷阱（trap）
  • 有效的虛擬化x86的MMU也很困難
    • MMU：Memory Management Unit， 內存管理單元
  • 上述問題可以被解決，但是要犧牲性能

• para-virtualization：

  • 通過提供與底層硬件相似但不完全相同的虛擬機抽象，解決了full virtualization的問題。
  • 不對二進制程序接口（application binary interface ，ABI）進行修改，但是對guestOS進行少許修改
  • 設計原則：
  1. 虛擬化現有標準ABI所需的所有架構功能，以達到對應用程序二進制文件的支持。
  2. 完整支持多任務操作系統，這可以讓單VM實例虛擬化複雜的服務器配置。
  3. 在x86這種不能協調運行OS的機器架構上，半虛擬化是實現高性能和強隔離的必須條件
  4. 即使在協作機器架構上，將資源虛擬化的效果完全隱藏在guestOS之外也可能會帶來正確性和性能風險。

• Xen和Denali的區別不表。
  x86的半虛擬化接口列表
  

• 內存管理

  • x86沒有software TLB（下文稱作STLB）
    • Translation Lookaside Buffer， 一塊用來存放常用頁的緩存區，不用再在內存查找常用地址，以此來提升性能 。
  • x86通過hardware TLB（下文稱作HTLB）遍歷頁表。由於沒有STLB的標記，所以切換地址空間都需要完整刷新HTLB。因此，Xen制定了兩個規則：
    • 讓guestOS管理頁表，Xen最小限度的涉及其中，所以能保證安全性和隔離性
    • Xen存在於每頁地址空間頂部中，因此避免了在進入和離開管理程序時的TLB刷新（用空間換時間的思想）
  • 每次guestOS有新的頁表處理的時候，大概率都是因爲有新的進程出現。guestOS會從自己的內存空間分配並初始化頁表，並將他們給Xen保留並註冊
    • guestOS沒有對頁表的寫權，所有寫權需要由Xen認證
  • 分段處理也是相似的虛擬化處理 ，它授權段表的更新。
    • 段表的優先處理權在Xen之下
    • 段表不允許進入Xen保留的內存區域

• CPU

  • 大部分CPU只支持兩個優先級，而x86架構的CPU支持 4個，從0（最高）到3（最低），被稱爲rings
    • 0被hostOS佔用
    • 3被app佔用
    • 1,2暫時被空置，所以Xen可以佔據1。這樣Xen和Apps就相互獨立了。
  • 錯誤處理略。核心思想是錯誤跑出給Xen，Xen處理這些問題。

• I/O處理

  • 核心思想是「與硬件中斷」相似。給Xen發送非同步消息。
  • 非同步消息的頻繁喚起會極大的造成資源消耗。
    

Detailed Design

本文介紹到此爲止，更多的詳細介紹，比如性能比較，詳細設計請參考原文