解讀開源Xen虛擬服務(wù)器
2018-06-11 來源：
一、Xen 起源
Xen VMM(virtual machine monitor)是由劍橋大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一個(gè)Open Source 項(xiàng)目，目前穩(wěn)定版本為Xen3.0，主要目的是為了建立更多的虛擬機(jī)器。XenSource 的創(chuàng)始人Ian Pratt表示，Xen 在2002年前誕生于英國的劍橋大學(xué)，這家新創(chuàng)公司有意把Xen虛擬功能變成標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)功能�！肝覀兊谝徊渴窃�Linux系統(tǒng)上普及化。」他說。 Xen 這類能將一臺計(jì)算機(jī)劃分為多個(gè)不同分割區(qū)的方法依賴一種被稱為虛擬化(virtualization)的概念，它們使軟件能夠仿真真實(shí)的硬件來作執(zhí)行。在VMware中，這一基礎(chǔ)被稱作是虛擬機(jī)器(virtual machine)。 VMware和Xen 之間的差異點(diǎn)在于：前者完全仿真計(jì)算機(jī)，因此理論上操作系統(tǒng)可不需更動(dòng)就直接在虛擬機(jī)器上執(zhí)行;Xen 則使用了被稱為「paravirtualization」的技術(shù)，Pratt表示，它的效能更快，但需要對操作系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷�。不過較高階的軟件并不需經(jīng)過修正，VMware 和Xen 之間的差異點(diǎn)在于：VMware 完全仿真計(jì)算機(jī)，因此理論上操作系統(tǒng)可不需更動(dòng)就直接在虛擬機(jī)器上執(zhí)行;Xen 則使用了被稱為「Paravirtualizatio」的技術(shù)，它的效能更快。
2005年12月Xen開發(fā)組發(fā)布了Xen 3.0，這是第一款支持芯片輔助技術(shù)的免費(fèi)hypervisor軟件。有了VT-x或AMD-V的硬件支持，Xen 3.0能支持任何沒修改過的操作系統(tǒng)。XEN 3.0 所采用的虛擬技術(shù)為半虛擬化(Paravirtualization)，與VMware所采用的完全虛擬化的差異，在于對底層硬件的控制效率接近實(shí)機(jī)操作，包括中斷控制(IRQ)等，以及等同于實(shí)體處理器的運(yùn)作效能，但也因此對硬件的支持度并不高。由于半虛擬化(Paravirtualization)技術(shù)需要對操作系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷�，所以目�?/span>Xen 只能夠在一些Linux-based 的系統(tǒng)上運(yùn)作，也陸續(xù)受到一些信息大廠的支持，Xen 并不是第一個(gè)提出半虛擬化的軟件，但執(zhí)行Xen 時(shí)，消?系統(tǒng)資源非常少，大約占3%，所以Xen 可算是技術(shù)上的突破。半虛擬化必須修改系統(tǒng)的內(nèi)核，不過如果處理器能支持虛擬化，所就內(nèi)核就無需異動(dòng)了，例如Intel 的VT 和AMD 的Pacifica 處理器都將包括這種支持。AMD 的CPU 只有Opteron 支持AMD-V 技術(shù)，而INTEL則有Intel Core 2 Duo 及Xeon 系列才支持VT 技術(shù)。
二、Xen支持的操作系統(tǒng)
主機(jī)操作系統(tǒng)即(Host Operating System) 在物理計(jì)算機(jī)(宿主機(jī))上運(yùn)行的操作系統(tǒng)，在它之上運(yùn)行虛擬機(jī)軟件�？蛻舨僮飨到y(tǒng) (Guest Operating System) 運(yùn)行在虛擬機(jī)中的操作系統(tǒng)。注意，在此它不等于桌面操作系統(tǒng)(Desktop Operating System)和客戶端操作系統(tǒng)(Client Operating System)，因?yàn)樘摂M機(jī)中的客戶操作系統(tǒng)可以是服務(wù)器操作系統(tǒng)。表1是 Xen 3.0支持的主機(jī)操作系統(tǒng)和客戶操作系統(tǒng)。
表1 Xen 3.0支持的主機(jī)操作系統(tǒng)和客戶操作系統(tǒng)
Xen Enterprise 3.2明顯擴(kuò)大了支持范圍，新增了對Windows 2000的支持。另外，可以使用對稱多處理(Symmetric Multiprocessing ，SMP)技術(shù)支持Windows Server 2003和Windows XP操作系統(tǒng)，使得Exchange和SQL Server可以運(yùn)行地更好�？蛻舨僮鞯闹С诌�增加了Red Hat的企業(yè)版Linux服務(wù)器RHEL 5和Novell的SUSE Linux企業(yè)服務(wù)器10 SP1。另外Linux的兩個(gè)最成功的商業(yè)版，紅帽企業(yè)版Linux 5.0和Novell的Suse Linux 10.0企業(yè)服務(wù)器版都集成了Xen。
三、Xen的原理和體系結(jié)構(gòu)
虛擬化CPU對guest OS(客戶操作系統(tǒng))提出了幾個(gè)要求。因?yàn)?/span>hypervisor插在操作系統(tǒng)的下層違背了慣常的關(guān)于操作系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中特權(quán)最高的假設(shè)。為了保護(hù)hypervisor不會受到操作系統(tǒng)不正確行為的影響(即domain不受另一個(gè)domain的影響)，guest OS就必須被改造為能夠運(yùn)行在較低的特權(quán)級上。很多處理器體系結(jié)構(gòu)只是提供了兩個(gè)特權(quán)級。在這些情況下，guest OS和應(yīng)用程序共享較低的特權(quán)級。同時(shí)，guest OS運(yùn)行在單獨(dú)的地址空間中以保護(hù)自己不會受到應(yīng)用程序執(zhí)行的影響。guest OS通過hypervisor設(shè)定虛擬的特權(quán)級和改變當(dāng)前的地址空間來間接地和應(yīng)用之間進(jìn)行控制傳遞。另外，如果處理器的TLB支持地址空間標(biāo)記，那么也就可以避免TLB刷新帶來的高昂代價(jià)。在x86架構(gòu)上有效地實(shí)現(xiàn)特權(quán)級的虛擬化是可能的，因?yàn)?/span>x86架構(gòu)在硬件上支持四個(gè)不同的特權(quán)級。x86架構(gòu)的特權(quán)級往往用圈(ring)來表示，從ring 0(最高特權(quán))到ring 3(最低特權(quán))。操作系統(tǒng)的代碼運(yùn)行在ring 0這個(gè)特權(quán)級上，因?yàn)樵贈]有其它的ring能夠執(zhí)行那些特權(quán)指令。ring 3通常用于執(zhí)行應(yīng)用代碼。就我們所知，自OS/2起到現(xiàn)在的各個(gè)知名的x86 架構(gòu)上的操作系統(tǒng)都還沒有利用ring 1和ring 2這兩個(gè)特權(quán)級的。那么，任何遵循這個(gè)通常的安排的操作系統(tǒng)就都可以移植到Xen上來。這個(gè)移植過程只需要做一些改動(dòng)使操作系統(tǒng)改為運(yùn)行在ring 1特權(quán)級上。這就防止了guest OS會直接執(zhí)行特權(quán)指令，也保證了操作系統(tǒng)與運(yùn)行在ring 3上的應(yīng)用程序之間相隔離的安全性。圖1是Xen 和Ring 關(guān)系圖。圖2 是Xen的體系結(jié)構(gòu)。
圖1是Xen 和Ring 關(guān)系圖
圖2 Xen的體系結(jié)構(gòu)
在完全虛擬化環(huán)境下需要仿真現(xiàn)有的硬件設(shè)備，而Xen不同于此。Xen給出了一套清楚、簡單的設(shè)備抽象。這就使得我們能夠設(shè)計(jì)一個(gè)接口以有效地滿足我們對保護(hù)性和隔離性的需求。為了做到這一點(diǎn)，I/O和各個(gè)domain之間的數(shù)據(jù)傳遞都是要經(jīng)過Xen的，可以使用的方法有共享內(nèi)存，異步緩沖區(qū)描述符環(huán)等。這些方法能夠在Xen有效地執(zhí)行確認(rèn)檢查的同時(shí)，為在系統(tǒng)中的豎直方向上傳遞緩沖區(qū)信息提供了一個(gè)高性能的通信機(jī)制。圖3是Xen的網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)構(gòu)。圖4 是邏輯網(wǎng)絡(luò)接口連接dom1和dom0示意圖。
圖3 Xen的網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)構(gòu)
講到Xen，不能不提Xensource公司，它由原Xen項(xiàng)目組主要成員創(chuàng)立，坐落在美國硅谷的Palo Alto市。Xensource是一個(gè)典型的將學(xué)校研究成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的創(chuàng)業(yè)型企業(yè)。2006年11月，XenSource對外發(fā)布了他的第一個(gè)正式產(chǎn)品XenEnterprise。XenEnterprise基于Xen
圖4 邏輯網(wǎng)絡(luò)接口連接dom1和dom0示意圖
表-2是xen家族產(chǎn)品參數(shù)
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性能參數(shù) |
XenEnterprise XenServer Multi-OS |
Windows XenExpress Virtualization |
Virtualization On-Ramp to Xen |
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物理內(nèi)存 |
無限制 |
8GB 最大 |
4GB最大 |
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物理CPU |
最大32 路 |
最大2 路 |
最大2 路 |
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共享存儲器 |
ISCSI、SAN |
不支持 |
不支持 |
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Windows 客戶機(jī)類型 |
Windows Server 2003， Windows Server 2003 R2，Windows XP SP2， Windows 2000 SP4 |
Windows Server 2003， Windows Server 2003 R2，Windows XP SP2， Windows 2000 SP4 |
Windows Server 2003， Windows Server 2003 R2，Windows XP SP2， Windows 2000 SP4 |
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Linux 客戶機(jī)類型 |
RHEL 3.6–5.0 RHEL 3.6–5.0 SLES 9.2–10.1 SLES 9.2–10.1 Debian Sarge Debian Sarge 其它標(biāo)準(zhǔn)虛擬主機(jī)（HVM） |
不支持 |
RHEL 3.6–5.0 SLES 9.2–10.1 SLES 9.2–10.1 Debian Sarge Debian Sarge 其它標(biāo)準(zhǔn)虛擬主機(jī)（HVM） |
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動(dòng)態(tài)移植 |
支持 |
不支持 |
不支持 |
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Qos支持 |
支持 |
不支持 |
不支持 |
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用戶定位 |
OEM用戶 |
Windows IT Pro |
IT研究人員 |
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Vlan支持 |
支持 |
不支持 |
不支持 |
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64-bit 客戶機(jī)支持 |
不支持 |
不支持 |
不支持 |
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管理特性 |
一個(gè)管理終端可以多個(gè)Xen host |
一個(gè)管理終端可以多個(gè)Xen host |
一個(gè)管理終端可以一個(gè)Xen host |
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費(fèi)用 |
每客戶端需 $1,000 USD |
每客戶端需 $1,00 USD |
免費(fèi) |
另外全球應(yīng)用程序供應(yīng)基礎(chǔ)架構(gòu)領(lǐng)導(dǎo)廠商 Citrix Systems完成收購企業(yè)級虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)解決方案領(lǐng)導(dǎo)商 XenSource 。透過這項(xiàng)合并， Citrix 成為業(yè)界最完整的虛擬化技術(shù)供應(yīng)商，提供業(yè)界唯一完整涵蓋應(yīng)用系統(tǒng)、服務(wù)器及桌面虛擬化技術(shù)的端對端應(yīng)用供應(yīng) 基礎(chǔ)架構(gòu)。根據(jù) Citrix 預(yù)估，該市場在未來四年將成長至近 50 億美元的規(guī)模。隨著 XenSource 的加入， Citrix 推出 Citrix XenServer 及 Citrix XenDesktop 兩款全新的虛擬化解決方案，分別專攻服務(wù)器及桌面虛擬化市場，也配合 Citrix 原有的應(yīng)用系統(tǒng)虛擬化產(chǎn)品，打造出業(yè)界最完整的端對端虛擬化產(chǎn)品。
總結(jié)：Xen的超虛擬化(paravirtualization)是另外一種流行的虛擬化技術(shù)，它與完全虛擬化有一些類似。這種方法使用了一個(gè) hypervisor 來實(shí)現(xiàn)對底層硬件的共享訪問，還將與虛擬化有關(guān)的代碼集成到了操作系統(tǒng)本身中。這種方法不再需要重新編譯或捕獲特權(quán)指令，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)本身在虛擬化進(jìn)程中會相互緊密協(xié)作。通常通過虛擬化(Virtualization)將同一硬件上的應(yīng)用程序和系統(tǒng)彼此隔離開來。從硬件模擬到完全硬件虛擬化，Linux 支持很多種不同形式的虛擬化。在不斷增加的虛擬化技術(shù)列表中，Xen 是近來最引人注目的技術(shù)之一，它由劍橋大學(xué)開發(fā)。Xen 值得您關(guān)注，因?yàn)樗哂锌涨暗男阅芘c安全性。
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