全面介紹Xen虛擬機深入學(xué)習(xí)Xen新起點

2019-11-18 13:08:41

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供稿：網(wǎng)友

　　本文主要是寫給新接觸Xen的開發(fā)者及想深入了解Xen的人。
　　
　　Xen VMM（virtual machine monitor）是由劍橋大學(xué)計算機實驗室開發(fā)的一個開源項目，它能夠讓我們創(chuàng)建更多的虛擬機，每一個虛擬機都是運行在同一個操作系統(tǒng)上的實例。
　　
　　這些客戶OS可以是修補過的linux內(nèi)核2.4或2.6，也可以是修補過的NetBSD/FreeBSD內(nèi)核。用戶應(yīng)用程序就運行在這些客戶OS上，并不需要修改任何代碼。
　　
　　我曾經(jīng)緊密跟蹤Xen項目一年多。對Xen產(chǎn)生愛好是在讀了2004年的OLS（Ottawa Linux Symposium）論文集之后。
　　
　　完全虛擬化已經(jīng)被一些硬件仿真程序?qū)崿F(xiàn)了。硬件仿真器的不利因素是它們的性能。
　　
　　Xen項目（半虛擬化）的思想已經(jīng)不是很新鮮了。性能度量和它達到的高效性，能夠被看作是一個突破，運行Xen的系統(tǒng)開銷確實非常小，大約占3％。
　　
　　就像剛才所說的那樣，現(xiàn)在的Xen要為內(nèi)核打補丁，但是，將來的處理器能支持虛擬化，內(nèi)核也就不需要打補丁了。比如說，Intel的VT和AMD的Pacifica處理器都將包括這種支持。
　　
　　XenSource公司2005年8月在Intel開發(fā)者論壇（IDF）上發(fā)表聲明說，它已經(jīng)利用Intel的VT-Enabled平臺和Xen技術(shù)虛擬化了Linux和Windows xp SP 2。
　　
　　假如沒有其它虛擬化方法的話，Intel的VT和AMD的Pacifica將會在對Xen的支持上展開競爭。
　　
　　同時參與競爭的還有VMWare公司的ESX Server，它不是基于Xen的虛擬化解決方案。VMWare公司2005年8月初聲明，他將通過一個叫VMware Community Source的計劃答應(yīng)他的合作伙伴使用VMware ESX Server的源代碼和接口。
　　
　　VMware的一個顯著優(yōu)勢就是它不需要在客戶OS上打補丁。VMware可能比Xen運行地慢一些，因為它使用影子頁表（shadow page tables），而Xen同時使用直接和影子頁表。
　　
　　Xen已經(jīng)在像Fedora Core 4、Debian和SuSE PRofessional 9.3這些產(chǎn)品中捆綁發(fā)行了，它也將被包含在RHEL 5中。
　　
　　針對其它處理器的支持正在有條不紊地進行著。Xen小組致力于x86_64 port，同時IBM著手于提供Power 5芯片的支持。
　　
　　保護環(huán)
　　
　　在Xen中，一個“系統(tǒng)治理程序”運行在0環(huán)，客戶OS運行在1環(huán)，應(yīng)用程序運行在3環(huán)。這種關(guān)系對于x64/64有一點不同，就是客戶內(nèi)核和應(yīng)用程序都運行在3環(huán)上。
　　
　　Xen自身被稱為“系統(tǒng)治理程序”，是因為它比客戶OS的系統(tǒng)治理代碼運行所需的特權(quán)級還高。
　　
　　當(dāng)系統(tǒng)引導(dǎo)的時候，Xen被裝載到0環(huán)的內(nèi)存中。它在1環(huán)上啟動修補過的內(nèi)核，這被稱作是domain 0（譯者注：domain是指一個運行中的虛擬機，在其上有一個guest OS在執(zhí)行）。從這個domain開始，你可以創(chuàng)建更多的domain，也可以銷毀它們，可以進行domain的遷移、設(shè)置參數(shù)等等。你創(chuàng)建的那些domain也運行在1環(huán)它們的內(nèi)核中。用戶應(yīng)用程序運行在3環(huán)。
　　　全面介紹Xen虛擬機深入學(xué)習(xí)Xen新起點（圖一）

　　目前，修補過的Linux內(nèi)核2.4和2.6可以作為domain 0。據(jù)Xen開發(fā)者所說，將來domain 0僅支持2.6的內(nèi)核補丁。構(gòu)造domain 0的大部分工作是在xen/arch/x86/domain_build.c中的constrUCt_dom0()方法中實現(xiàn)的。
　　
　　物理設(shè)備驅(qū)動程序只能運行在特權(quán)級，也就是domain 0上。Xen依靠Linux或其它修補過的OS內(nèi)核對它所有的設(shè)備提供虛擬化支持。這樣的好處就是Xen的開發(fā)者不必再去開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序。
　　
　　在一個有標簽TLB的處理器上使用Xen能夠大大提高性能。標簽TLB能夠把ASID（address space identifier）放在TLB入口處。有了這個特性，當(dāng)處理器在系統(tǒng)治理程序和客戶OS之間切換時就不需要刷新TLB了，這大大減少了系統(tǒng)開銷。
　　
　　Xend Deamon
　　
　　首先，我們介紹一下Xend，它是Xen控制器daemon，意思是說它負責(zé)處理創(chuàng)建、銷毀、遷移以及其它許多domain治理的任務(wù)。它很大一部分動作是基于一個HTTP服務(wù)器的。大量對domain的控制請求都是通過發(fā)送HTTP請求來實現(xiàn)的。
　　
　　我們在引導(dǎo)進入Xen后通過命令行命令xend start來啟動Xend daemon。它需要Python2.3的支持。
　　
　　Xend daemon的工作是建立在與XCS server（the control Switch）的交互上。所以，當(dāng)我們啟動Xend daemon時，需要檢查一下XCS是否已經(jīng)啟動和運行了。假如沒有，我們將試著去啟動它。
　　
　　Srv Daemon是Xend的主要程序，啟動Xend daemon就會創(chuàng)建一個Srv Daemon類的實例。
　　
　　接下來在createFactories()方法中創(chuàng)建一個Channel Factory。Channel Factory有一個隱含的notifier對象。Xend daemon的大量工作都是基于這個notifier接收的消息的。這個factory創(chuàng)建一個線程，在一個無限循環(huán)中讀取這個notifier。
　　
　　創(chuàng)建domain
　　
　　創(chuàng)建一個domain是通過使用一個hypercall（DOM0_CREATEDOMAIN）來完成的。Hypercall是Linux內(nèi)核中的一個系統(tǒng)調(diào)用，通過它，用戶空間可以調(diào)用內(nèi)核中的方法，它通過一個中斷（Int 0x80）來完成。在Xen中，類似的系統(tǒng)調(diào)用就是hypervisor，通過它，domain 0 調(diào)用hypervisor中的方法，它也是通過中斷（Int 0x82）來完成的。hypervisor通過它的虛擬CPU訪問每一個domain。
　　
　　XendDomain類和XendDomainInfo類在創(chuàng)建和銷毀domain中扮演著非常重要的角色。我們通過調(diào)用XendDomain中的domain_create()方法創(chuàng)建一個新的domain。
　　
　　XendDomainInfo類和它的方法主要用于一個domain的實際構(gòu)造。
　　
　　XCS Server
　　
　　XCS server有兩個TCP套接字，分別是控制連接和數(shù)據(jù)連接，它們不同的地方在于前者是同步的，后者是異步的。前面提到的notifier對象，就是XCS服務(wù)器的一個客戶端。
　　
　　創(chuàng)建虛擬設(shè)備
　　
　　XendDomainInfo中的create()方法啟動一個創(chuàng)建domain的動作鏈。首先被創(chuàng)建的是這個domain的虛擬設(shè)備。這個create()方法調(diào)用create_blkif()創(chuàng)建一個塊設(shè)備接口（blkif），即使VM不需要磁盤它也是必須被創(chuàng)建的。另一個虛擬設(shè)備通過create_configured_devices()創(chuàng)建。
　　
　　所有的設(shè)備類都從Dev繼續(xù)，Dev是一個聯(lián)系設(shè)備控制器的抽象類。它的attach()抽象方法在每一個Dev類的子類中實現(xiàn)，這個方法把前端和后端聯(lián)系了起來。圖2展示了設(shè)備的層次，圖3展示了設(shè)備控制器的層次。
　　　全面介紹Xen虛擬機深入學(xué)習(xí)Xen新起點（圖二）

　　Domain 0運行后端驅(qū)動，同時最新創(chuàng)建domain運行前端驅(qū)動。許多消息在后端和前端驅(qū)動之間傳送。前端驅(qū)動感覺上是虛擬的，它不需要使用特定硬件的具體信息。
　　
　　聯(lián)系虛擬設(shè)備的中斷是虛擬中斷。
　　
　　結(jié)論
　　
　　Xen項目是一個很有趣同時布滿了希望的項目。它的代碼很復(fù)雜，非凡是虛擬內(nèi)存治理、活動域合并工具和授權(quán)表機制。本文僅僅是介紹性的，并不涉及這些話題。然而，我希望它能夠成為想要了解和深入研究代碼的一個出發(fā)點。

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