Xen虛擬化技術(shù)研究

李仲龍 楊斌 孫林花

摘要：對(duì)開(kāi)源Xen虛擬化平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)、域的管理與控制、虛擬機(jī)通信機(jī)制、vcpu調(diào)度、虛擬化存儲(chǔ)系統(tǒng)等進(jìn)行了研究，并搭建試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行了測(cè)試和模擬。

關(guān)鍵詞： Xen； 虛擬機(jī)； 調(diào)度； 存儲(chǔ)； 通信

中圖分類(lèi)號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）25-5887-03

Research on Xen Virtual Technology

LI Zhong-long，YANG Bin ，SUN Lin-hua

（Gansu Meteorological Information & Technique Support & Equipment Centre， Lanzhou 730020， China）

Abstract：The paper focus on Xens architecture， domain management and control， virtual machine communication mechanism， vcpu scheduling， virtual memory system，etc. and build a test environment for the conduct of the test and simulation.

Key words：Xen； Virtualization machine； Scheduling； Storage； Communication

Xen是一個(gè)開(kāi)源的虛擬化管理軟件，即VMM，起源于英國(guó)的劍橋大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，支持X86平臺(tái)，目前正在向x86_64、IA64、PPC等平臺(tái)移植。Xen通過(guò)硬件虛擬化抽象出多個(gè)虛擬機(jī)（VM）。原來(lái)運(yùn)行于物理主機(jī)上的操作系統(tǒng)（OS）可以直接運(yùn)行在Xen上（稱(chēng)為客戶操作系統(tǒng)，即GOS），多個(gè)VM透明地復(fù)用物理主機(jī)資源且在邏輯上嚴(yán)格分離。見(jiàn)圖1。

Xen在初始化完成后會(huì)運(yùn)行一個(gè)指定的虛擬機(jī)，這一般稱(chēng)之為Domain 0.其它虛擬機(jī)統(tǒng)稱(chēng)為DomU。Domain 0 一般運(yùn)行Linux kernel，直接在Xen hypervisor之上運(yùn)行，可以訪問(wèn)物理I/O資源。其它DOM U通過(guò)與Domain 0的交互訪問(wèn)硬件資源。Domain 0通過(guò)網(wǎng)絡(luò)后端驅(qū)動(dòng)（Network Backend Driver）和塊設(shè)備后端驅(qū)動(dòng)（block backend driver）為其它Dom U提供網(wǎng)絡(luò)和磁盤(pán)服務(wù)。所有半虛擬化（paravirtualized）的VM被稱(chēng)為半虛擬化域（DOM U PV Guests），而全虛擬化的VM稱(chēng)為硬件虛擬化域（DOM U HVM Guests），其上一般運(yùn)行非開(kāi)源OS，如Windows。

半虛擬化域內(nèi)核不直接訪問(wèn)物理硬件，而硬件虛擬化域直接訪問(wèn)物理硬件。硬件虛擬化域通過(guò)Domain 0里的一個(gè)特殊守護(hù)進(jìn)程，由其負(fù)責(zé)客戶操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)和磁盤(pán)請(qǐng)求。硬件虛擬化域必須初始化為某類(lèi)確定的機(jī)器，所以需要附加X(jué)en固件以模擬bios。

3 Xen運(yùn)行機(jī)制

3.1 Xen初始化

由于Xen是VM和硬件交互的中介，所以其運(yùn)行在X86架構(gòu)的特權(quán)層（Ring0）。Domain 0可以根據(jù)需要選擇運(yùn)行在Ring0或者Ring1層，其它域運(yùn)行在Ring3層。設(shè)備加電后，Xen首先開(kāi)始引導(dǎo)，然后Linux內(nèi)核作為模塊也被引導(dǎo)入內(nèi)存。x86_32.S是從Grub進(jìn)入Xen的入口文件，Grub根據(jù)鏡像頭信息獲得入口地址，然后讀入整個(gè)鏡像，最后把控制權(quán)交給Xen。__startxen（）函數(shù)中會(huì)從啟動(dòng)信息中獲取物理內(nèi)存分配情況，初始化內(nèi)存。之后是分頁(yè)初始化、IRQ中斷初始化、調(diào)度程序初始化、異常處理程序表初始化、時(shí)間設(shè)置、安全機(jī)制設(shè)置等初始化工作。并且Xen會(huì)初始化一個(gè)空閑虛擬域（Idle Domain），當(dāng)沒(méi)有合適的虛擬域可以運(yùn)行的時(shí)候，Xen會(huì)選擇空閑虛擬域來(lái)運(yùn)行，這類(lèi)似于Linux中的init進(jìn)程。當(dāng)Xen初始化工作結(jié)束后，便開(kāi)始設(shè)置Domain0的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。然后Xen將控制權(quán)交給Domain0中的Linux，而自己進(jìn)入idle_loop。Domain0得到控制權(quán)后，開(kāi)始自己的引導(dǎo)過(guò)程。

3.2 域管理

Xen用vcpu結(jié)構(gòu)來(lái)代表一個(gè)虛擬機(jī)，vcpu是物理處理器的虛擬。創(chuàng)建好一個(gè)VM之后，就會(huì)調(diào)用超級(jí)調(diào)用設(shè)置VM的各種狀態(tài)參數(shù)。這個(gè)DOM U都運(yùn)行在vcpu0上，其占有的vcpu個(gè)數(shù)可以由用戶設(shè)定。在處理器的初始化階段，默認(rèn)為每個(gè)物理處理器分配一個(gè)空閑vcpu，這個(gè)空閑vcpu稱(chēng)為空閑域。

在Xen半虛擬化環(huán)境中，Xend是一個(gè)守護(hù)進(jìn)程，是Xen的系統(tǒng)管理員。它使用Libxenctrl類(lèi)庫(kù)向Xen Hypervisor發(fā)送請(qǐng)求，并接收由Xm通過(guò)Xml RPC接口發(fā)送過(guò)來(lái)的請(qǐng)求。

Xen對(duì)各個(gè)域的管理見(jiàn)圖3。

在Xen全虛擬化環(huán)境中，HVM客戶的所有網(wǎng)絡(luò)和磁盤(pán)請(qǐng)求都由Qemu-Dm守護(hù)進(jìn)程處理，Qemu-dm在Domain 0中。Xenstored進(jìn)程保存著客戶注冊(cè)信息，包括內(nèi)存和事件通道信息等。Domain 0通過(guò)這些注冊(cè)信息與其他Dom U建立設(shè)備通道并訪問(wèn)硬件資源。Libxenctrl庫(kù)為Xend提供與Xen Hypervisor通信的能力。Domain 0中的privcmd驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)提交請(qǐng)求到xen hypervisor。HVM客戶中的虛擬化固件是一個(gè)虛擬bios，以保證HVM客戶在啟動(dòng)時(shí)具有兼容標(biāo)準(zhǔn)PC的軟件環(huán)境。

4 Xen通信機(jī)制

事件通道是一種異步事件通知機(jī)制，Xen支持事件通道。Xen虛擬機(jī)中的每個(gè)中斷都是一個(gè)事件，分別對(duì)應(yīng)一條事件通道，中斷時(shí)消息通過(guò)事件通道傳遞。事件通道主要完成中斷和控制信息的傳遞。事件通道是Domain 0與DOM U之間交換信息的通道，這種信息交換一般采用共享內(nèi)存方式。圖4是PV客戶機(jī)與Domain 0及Hypervisor層之間通信的示意。

5 Xen vcpu調(diào)度

Xen最常用的vcpu調(diào)度算法是Credit調(diào)度算法。Credit調(diào)度算法是Xen3.0版本以來(lái)的缺省的vcpu調(diào)度算法。Credit按照非搶占方式共享處理器資源。Credit算法的關(guān)鍵是credit值的確定。一般每個(gè)物理cpu都和一個(gè)vcpu隊(duì)列相關(guān)聯(lián)，這個(gè)隊(duì)列中的每個(gè)vcpu都有一個(gè)credit值，某個(gè)vcpu個(gè)credit值代表了這個(gè)vcpu占用物理處理器的優(yōu)先級(jí)，也是Xen選擇vcpu的依據(jù)。在Credit算法中，將vcpu劃分成兩個(gè)隊(duì)列，分別稱(chēng)為under隊(duì)列和over隊(duì)列。首先調(diào)度的最早入隊(duì)的under隊(duì)列中的vcpu，隨著時(shí)間片輪轉(zhuǎn)，被調(diào)度選中的vcpu占用物理處理器。一旦某個(gè)vcpu被調(diào)度，其credit值會(huì)減小，當(dāng)變成負(fù)數(shù)時(shí)，該vcpu入over隊(duì)列，將不再繼續(xù)調(diào)度并重算credit值。為保證公平，over隊(duì)列中的vcpu隨著等待時(shí)間的增加會(huì)增大器credit值以利于再次被調(diào)度。

在Credit調(diào)度算法中，Xen管理系統(tǒng)中的所有物理CPU，這種集中管理的好處可以實(shí)現(xiàn)公平。Credit算法只是盡量保證公平地對(duì)vcpu實(shí)現(xiàn)調(diào)度。但對(duì)實(shí)時(shí)性的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種調(diào)度算法的響應(yīng)時(shí)間往往難以滿足。

6 Xen虛擬化存儲(chǔ)

Xen虛擬化平臺(tái)可以使用諸如DAS、NAS、SAN和 iSCSI等各種物理存儲(chǔ)設(shè)備上的存儲(chǔ)空間。Xen虛擬化平臺(tái)支持的存儲(chǔ)方式如下：

直連式存儲(chǔ)（Direct-Attached Storage， DAS ），如直接連接物理硬盤(pán)。

存域網(wǎng)（Storage Area Network ，SAN ），如FC SAN。

網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)（Network Attached Storage， NAS），如CFS、GPFS等并行文件系統(tǒng)。

互聯(lián)網(wǎng)小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口（ Internet Small Computer System Interface， ISCSI）

基于邏輯卷（LogicalVolumn Manager，LVM）；

虛擬磁盤(pán)鏡像（Virtual Disk Image）。

上述各種存儲(chǔ)方案中最簡(jiǎn)單的是磁盤(pán)文件鏡像，這個(gè)磁盤(pán)文件鏡像是通過(guò)宿主操作系統(tǒng)創(chuàng)建的，也是虛擬機(jī)安裝的位置。其它的存儲(chǔ)方案都是使用一個(gè)物理設(shè)備或邏輯設(shè)備作為一個(gè)后端存儲(chǔ)設(shè)備，這個(gè)設(shè)備可以是一個(gè)邏輯卷、一個(gè)分區(qū)或者是SAN上的邏輯單元號(hào)（Logic Unit Numbers，即LUN）。本質(zhì)上可以使用任何存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)完成Xen的虛擬化存儲(chǔ)，由于SAN在性能上比較高效，所以這個(gè)方案現(xiàn)在用得比較廣泛。但在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，使用何種虛擬化存儲(chǔ)技術(shù)決定于價(jià)格等多種因素。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文在SUSE 11sp2平臺(tái)上搭建了Xen試驗(yàn)環(huán)境，研究了Xen虛擬化平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)制、通信機(jī)制、vcpu調(diào)度和虛擬化存儲(chǔ)等技術(shù)。研究結(jié)果可以作為虛擬化數(shù)據(jù)中心建設(shè)的基礎(chǔ)。Xen作為開(kāi)源的虛擬化平臺(tái)，應(yīng)用前景廣闊，后續(xù)會(huì)進(jìn)一步檢驗(yàn)Xen虛擬化平臺(tái)業(yè)務(wù)化能力。

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