虛擬化技術(shù)的影響力

無(wú)論是何種軟件方法，隔離性都是由Hypervisor軟件提供的，過(guò)多的隔離必然會(huì)導(dǎo)致性能的下降。這些問題主要跟x86設(shè)計(jì)時(shí)就沒有考慮虛擬化有關(guān)。我們先來(lái)看看x86處理器的Privilege特權(quán)等級(jí)設(shè)計(jì)。虛擬化技術(shù)x86架構(gòu)為了保護(hù)指令的運(yùn)行，提供了指令的4個(gè)不同Privilege特權(quán)級(jí)別，術(shù)語(yǔ)稱為Ring，從Ring 0～Ring 3。Ring 0的優(yōu)先級(jí)***1高，Ring 3***1低。

各個(gè)級(jí)別對(duì)可以運(yùn)行的指令有所限制，vmware虛擬化，例如，GDT，IDT，LDT，TSS等這些指令就只能運(yùn)行于Privilege 0，也就是Ring 0。要注意Ring/Privilege級(jí)別和我們通常認(rèn)知的進(jìn)程在操作系統(tǒng)中的優(yōu)先級(jí)并不同。Xeon Stoakley平臺(tái)操作系統(tǒng)必須要運(yùn)行一些Privilege 0的特權(quán)指令，因此Ring 0是被用于運(yùn)行操作系統(tǒng)內(nèi)核，Ring 1和Ring 2是用于操作系統(tǒng)服務(wù)，Ring 3則是用于應(yīng)用程序。然而實(shí)際上并沒有必要用完4個(gè)不同的等級(jí)，一般的操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)都僅僅使用了兩個(gè)等級(jí)，即Ring 0和Ring 3，如圖所示：虛擬化技術(shù)也就是說(shuō)，在一個(gè)常規(guī)的x86操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)核必須運(yùn)行于Ring 0，而VMM軟件以及其管理下的Guest OS卻不能運(yùn)行于Ring 0——因?yàn)槟菢泳蜔o(wú)法對(duì)所有虛擬機(jī)進(jìn)行有效的管理，就像以往的協(xié)同式多任務(wù)操作系統(tǒng)（如，Windows 3.1）無(wú)法保證系統(tǒng)的穩(wěn)健運(yùn)行一樣。在沒有處理器輔助的虛擬化情況下，vmware虛擬化公司，挑戰(zhàn)就是采用Ring 0之外的等級(jí)來(lái)運(yùn)行VMM (Virtual Machine Monitor，虛擬機(jī)監(jiān)視器）或Hypervisor，以及Guest OS。

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系統(tǒng)調(diào)用

系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)提供給用戶的服務(wù)例程，使用非常頻繁。***1新的操作系統(tǒng)一般使用 SYSENTER/SYSEXIT 指令對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)快速系統(tǒng)調(diào)用。SYSENTER 指令通過(guò)IA32_SYSENTER_CS，IA32_SYSENTER_EIP 和 IA32_SYSENTER_ESP 這 3 個(gè) MSR（Model Specific Register）寄存器直接轉(zhuǎn)到 Ring 0級(jí)；而 SYSEXIT 指令不在 Ring 0 級(jí)執(zhí)行的話將觸發(fā)異常。因此，如果 VMM 只能采取 Trap-And-Emulate 的方式處理這 2 條指令的話，整體性能將會(huì)受到極大損害。

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I/O 虛擬化

服務(wù)器使用一個(gè)輸入/輸出內(nèi)存管理單元(Input/Output Memory Management Unit，IOMMU)將DMA I/O總線(如PCIe)連接到主存儲(chǔ)器，vmware虛擬化技術(shù)，和傳統(tǒng)的內(nèi)存管理單元一樣，它將CPU可見的虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址，IOMMU會(huì)將設(shè)備可見的虛擬地址映射到物理地址，vmware虛擬化價(jià)格，這些單元也提供了內(nèi)存保護(hù)功能。

I/O虛擬化可以隔離和限制設(shè)備訪問由分區(qū)管理設(shè)備擁有的資源。VT-d 通過(guò)減少 VMM 參與管理I/O流量的需求，消除了大部分的性能開銷，從而加速數(shù)據(jù)傳輸?；诩冘浖奶摂M化技術(shù)中，用戶操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備通過(guò)VMM來(lái)通信，而借助VT-d，完成初始分配之后，數(shù)據(jù)即可直接在客戶操作系統(tǒng)與為其分配的設(shè)備之間進(jìn)行傳輸。這樣，I/O 流量的流動(dòng)將更加迅速，減少的 VMM 工作運(yùn)行則會(huì)進(jìn)一步縮減服務(wù)器處理器的負(fù)載。此外，由于用于特定設(shè)備或客戶操作系統(tǒng)的 I/O 數(shù)據(jù)不能被其它任何硬件或客戶軟件組件訪問，VMM將特定 I/O 設(shè)備安全分配給特定客戶操作系統(tǒng)。每個(gè)設(shè)備在系統(tǒng)內(nèi)存中都有一個(gè)專用區(qū)域，只有該設(shè)備及其分配的客戶操作系統(tǒng)才能對(duì)該區(qū)域進(jìn)行訪問，增強(qiáng)了虛擬化的安全性能。

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