芯片輔助為虛擬化鋪平道路

 

基于Hypervisor的服務器虛擬化和操作系統分區(OS partITioning)是當前的兩大主要軟件虛擬化方法，但前者面臨的問題更多。操作系統分區可以讓宿主操作系統(host OS)訪問所有的硬件資源，消除了hypervisor固有的許多問題，但對操作系統的種類數量有限制。

 

而基于Hypervisor的虛擬化在支持多操作系統方面的靈活性更好，但在CPU、內存和I/O資源分配方面卻產生了大量的技術問題，需要通過大量的軟件手段來調配。Vmware之所以成為X86虛擬化領域的領導者，不僅僅因為它是最早的廠商，更重要是因為Vmware能夠克服這些硬件問題，從而為大規模虛擬化提供可行的管理環境。

 

但從架構上來說，傳統的X86平臺并不是為支持多操作系統并行而設計的。因此，AMD和Intel需要重新設計CPU，增加虛擬化特性，以解決上述問題。

 

ring轉換：Intel VT-x和AMD-V異曲同工

 

在傳統的x86運行環境下，操作系統運行在CPU中受保護的ring 0位置。在沒有處理器輔助的虛擬化中，ring 0還需要運行VMM(virtual machine monITor，虛擬機監控器)或Hypervisor，以幫助VM(虛擬機)及其VOS(虛擬操作系統)管理硬件資源。

 

因此，芯片廠商引入了一個新的、具有超級特權和受保護的ring -1位置來運行虛擬機監控器(VMM)。這個新位置可以讓VOS和平共存于ring 0，而通信改道于ring -1，并且，VOS并不知道正在和同一系統的其他OS共享物理資源。

 

芯片上的這一重要創新消除了操作系統的ring轉換問題，降低了虛擬化門檻，支持任何操作系統的虛擬化而無須修改OS內核或run-time。Intel和AMD分別推出了VT-x和 AMD-V(即Pacifica)芯片輔助技術，并得到了虛擬化軟件廠商的支持。

 

Intel VT-x技術是在芯片內創建新的ring -1，并且提供了新的指令集，用來建立、管理和退出各種VM。在帶有虛擬化功能的芯片中，Hypervisor處于ring-1位置，它生成一個VM控制結構來支持每個新VM。可見，這提供了一種機制，可以根據需要來啟動、恢復和退出VM，并且在VMM和大量的VM之間提供了內容交換框架(framework for context-swITching)。

 

對VM的控制，Intel稱之為VMXs，而AMD稱之為SVMs(secure VMs)，雖然名稱不同，但兩家芯片的處理方式是比較相似的。更重要的是，都允許客機操作系統(guest OS)進駐ring 0，從而消除了ring轉換問題。由于許多指令對位置具有敏感性(location-sensITive)，而且被設計為只能在ring 0和ring 3之間轉化，因此，如果VOS運行在ring 0之外的地方，就可能會導致關鍵進程的運行出現無法預知的錯誤，或者在應該出錯的時候卻沒有出錯。

 

以往，虛擬化廠商都是通過軟件機制來截取和糾正相應問題。現在，由于虛擬機可以安全地運行在ring 0位置，因此，這一軟件機制也就無須再考慮了。當VM發生錯誤時，處理器可以將控制權轉給受保護的VMM，從而解決問題和重新控制VM，或者終止出錯進程但不影響同一系統上的其他VM。

 

內存管理：AMD和Intel的不同之處

 

Intel和AMD的不同之處在于：Intel處理器使用外部內存控制器，因此VT-x技術不提供虛擬內存管理功能，這就意味著仍然需要通過軟件來解決物理/虛擬內存資源之間的地址轉換問題。這種方法雖然有效，但不是最好的。

 

集成內存控制器的AMD Opteron 處理器，增加處理器數量就能增加內存帶寬

 

Intel平臺上的所有Xeon處理器都共享一個外部內存控制器

 

而AMD的處理器集成了內存控制器，所以AMD-V虛擬化技術引入了獨特的新指令，可以實現獨特的內存模式和特性。其中大部分指令都是針對MMU(內存管理單元 memory management unIT)設計的，可以進行內存分配。在虛擬化環境下，當需要映射多操作系統和運行多個應用程序時，MMU可以對物理內存尋址進行大量有效的跟蹤協調。AMD-V提供了更高級的內存特性，如Tagged Translation Look-Aside Buffers，可通過幫助VM識別最近訪問的內存頁表來提升性能。AMD-V還提供了Paged Real Mode，支持某些需要在虛擬環境下以真實模式(real-mode)進行尋址的應用程序。

 

另外，最有意思的特性可能是AMD對各種嵌套頁表(NPT，nested page table)的支持。與Intel的軟件方法不同，NPT允許每個VM通過獨立于硬件、虛擬的CR3內存寄存器對其內部內存管理進行更有力的控制。雖然使用NPT增加了內存查找的數量，但NPT卻消除了VT-x必須的軟件層。這種方法通過硬件管理內存的方式大大提高了VM的內存性能。在內存密集型應用，特別是在多個VM共存的環境下，這一方法的效果最為明顯。

 

I/O：芯片/硬件廠商的共同困境

 

CPU和VMM內存管理只是問題的一部分。對于硬件廠商來說，下一個巨大挑戰是要改善共享I/O設備的內存交互和安全性。可能最艱巨的任務會落在I/O硬件廠商身上，需要開發可以在多個VM之間共享存取通道的設備。當前的存儲、網絡和圖形卡等設備都只能向OS提供單一接口界面。這意味著，對于具有多個VM的系統來說，只有通過軟件方法來處理IRQ中斷、內存和記時器功能，除非I/O硬件可以支持多個功能性接口。

 

從處理器的角度來看，挑戰在于要為共享設備開發處理器級的架構。目前，AMD和Intel已經制定了非常相似的規劃，已在06年春季公布，并得到了虛擬化廠商的支持。

 

在這方面，AMD可能率先推出IOMMU(I/O memory mapping unit ，I/O內存映射單元)技術，可以提供額外的指令來支持硬件虛擬化。相應的新特性可以改進DMA(direct memory access，直接內存讀取)映射和硬件設備的訪問，取代當前的圖形尋址機制，支持VM對設備的直接控制，同時在VM中可以直接訪問相應用戶的I/O。

 

Intel的VT-d(Virtualization Technology for Directed I/O，定向I/O虛擬化技術)標準也非常關注直接設備訪問和內存保護的問題。跟IOMMU相似，VT-d提供了在多個VM和I/O設備之間進行直接通信的架構。

 

不過，就目前來說，這些對于推動虛擬化應用還是有名無實，因為I/O虛擬化本身還在探討中。當前的I/O設備還不能管理共享VM對硬件資源的訪問。實際上，現在連通過PCI總線來實現設備共享的合適標準還沒有。可能需要經過2-4年，普遍的、基于設備的I/O硬件虛擬化解決方案才會出現。到那時，虛擬化廠商需要提供一個提取層，來支持對存儲、網絡和其他設備的共享訪問。

 

總的來說，虛擬化象旋風一樣席卷全球IT市場。特別是在Intel和AMD在各自新推出的x86處理器中內置了虛擬化功能，更是為X86平臺虛擬化的廣泛普及鋪平了道路。我們認為AMD的虛擬化策略可能比Intel的更具潛力。微軟和XEN開源廠商推出的基于hypervisor的虛擬化產品都會建立在這種芯片輔助技術之上，但VMware仍會繼續支持沒有芯片輔助的老系統。