Xen虚拟机技术全面解析

　　Xen VMM(virtual machine monitor)是由剑桥大学计算机实验室开发的一个开源项目，它能够让我们创建更多的虚拟机，每一个虚拟机都是运行在同一个操作系统上的实例。

　　这些客户OS可以是修补过的Linux内核2.4或2.6，也可以是修补过的NetBSD/FreeBSD内核。用户应用程序就运行在这些客户OS上，并不需要修改任何代码。

　　我曾经紧密跟踪Xen项目一年多。对Xen产生兴趣是在读了2004年的OLS（Ottawa Linux Symposium）论文集之后。

　　完全虚拟化已经被一些硬件仿真程序实现了。硬件仿真器的不利因素是它们的性能。

　　Xen项目（半虚拟化）的思想已经不是很新鲜了。性能度量和它达到的高效性，能够被看作是一个突破，运行Xen的系统开销确实非常小，大约占3％。

　　就像刚才所说的那样，现在的Xen要为内核打补丁，但是，将来的处理器能支持虚拟化，内核也就不需要打补丁了。比如说，Intel的VT和AMD的Pacifica处理器都将包括这种支持。

　　XenSource公司2005年8月在Intel开发者论坛（IDF）上发表声明说，它已经利用Intel的VT-Enabled平台和Xen技术虚拟化了Linux和Windows XP SP 2。

　　如果没有其它虚拟化方法的话，Intel的VT和AMD的Pacifica将会在对Xen的支持上展开竞争。

　　同时参与竞争的还有VMWare公司的ESX Server，它不是基于Xen的虚拟化解决方案。VMWare公司2005年8月初声明，他将通过一个叫VMware Community Source的计划允许他的合作伙伴使用VMware ESX Server的源代码和接口。

　　VMware的一个显著优势就是它不需要在客户OS上打补丁。VMware可能比Xen运行地慢一些，因为它使用影子页表（shadow page tables），而Xen同时使用直接和影子页表。

　　Xen已经在像Fedora Core 4、Debian和SuSE Professional 9.3这些产品中捆绑发行了，它也将被包含在RHEL 5中。

　　针对其它处理器的支持正在有条不紊地进行着。Xen小组致力于x86_64 port，同时IBM着手于提供Power 5芯片的支持。

　　保护环

　　在Xen中，一个“系统管理程序”运行在0环，客户OS运行在1环，应用程序运行在3环。这种关系对于x64/64有一点不同，就是客户内核和应用程序都运行在3环上。

　　Xen自身被称为“系统管理程序”，是因为它比客户OS的系统管理代码运行所需的特权级还高。

　　当系统引导的时候，Xen被装载到0环的内存中。它在1环上启动修补过的内核，这被称作是domain 0（译者注：domain是指一个运行中的虚拟机，在其上有一个guest OS在执行）。从这个domain开始，你可以创建更多的domain，也可以销毁它们，可以进行domain的迁移、设置参数等等。你创建的那些 domain也运行在1环它们的内核中。用户应用程序运行在3环。

　　目前，修补过的Linux内核2.4和2.6可以作为domain 0。据Xen开发者所说，将来domain 0仅支持2.6的内核补丁。构造domain 0的大部分工作是在xen/arch/x86/domain_build.c中的construct_dom0()方法中实现的。

　　物理设备驱动程序只能运行在特权级，也就是domain 0上。Xen依靠Linux或其它修补过的OS内核对它所有的设备提供虚拟化支持。这样的好处就是Xen的开发者不必再去开发设备驱动程序。

　　在一个有标签TLB的处理器上使用Xen能够大大提高性能。标签TLB能够把ASID（address space identifier）放在TLB入口处。有了这个特性，当处理器在系统管理程序和客户OS之间切换时就不需要刷新TLB了，这大大减少了系统开销。

　　Xend Deamon

　　首先，我们介绍一下Xend，它是Xen控制器daemon，意思是说它负责处理创建、销毁、迁移以及其它许多domain管理的任务。它很大一部分动作是基于一个HTTP服务器的。大量对domain的控制请求都是通过发送HTTP请求来实现的。

　　我们在引导进入Xen后通过命令行命令xend start来启动Xend daemon。它需要Python2.3的支持。

　　Xend daemon的工作是建立在与XCS server（the control Switch）的交互上。所以，当我们启动Xend daemon时，需要检查一下XCS是否已经启动和运行了。如果没有，我们将试着去启动它。

　　Srv Daemon是Xend的主要程序，启动Xend daemon就会创建一个Srv Daemon类的实例。

　　接下来在createFactories()方法中创建一个Channel Factory。Channel Factory有一个隐含的notifier对象。Xend daemon的大量工作都是基于这个notifier接收的消息的。这个factory创建一个线程，在一个无限循环中读取这个notifier。

　　创建domain

　　创建一个domain是通过使用一个hypercall（DOM0_CREATEDOMAIN）来完成的。Hypercall是Linux内核中的一个系统调用，通过它，用户空间可以调用内核中的方法，它通过一个中断（Int 0x80）来完成。在Xen中，类似的系统调用就是hypervisor，通过它，domain 0 调用hypervisor中的方法，它也是通过中断（Int 0x82）来完成的。hypervisor通过它的虚拟CPU访问每一个domain。

　　XendDomain类和XendDomainInfo类在创建和销毁domain中扮演着非常重要的角色。我们通过调用XendDomain中的domain_create()方法创建一个新的domain。

　　XendDomainInfo类和它的方法主要用于一个domain的实际构造。

　　XCS Server

　　XCS server有两个TCP套接字，分别是控制连接和数据连接，它们不同的地方在于前者是同步的，后者是异步的。前面提到的notifier对象，就是XCS服务器的一个客户端。

　　创建虚拟设备

　　XendDomainInfo中的create()方法启动一个创建domain的动作链。首先被创建的是这个domain的虚拟设备。这个create ()方法调用create_blkif()创建一个块设备接口（blkif），即使VM不需要磁盘它也是必须被创建的。另一个虚拟设备通过 create_configured_devices()创建。

　　所有的设备类都从Dev继承，Dev是一个联系设备控制器的抽象类。它的attach()抽象方法在每一个Dev类的子类中实现，这个方法把前端和后端联系了起来。

　　Domain 0运行后端驱动，同时最新创建domain运行前端驱动。许多消息在后端和前端驱动之间传送。前端驱动感觉上是虚拟的，它不需要使用特定硬件的详细信息。

　　联系虚拟设备的中断是虚拟中断。

　　结论

　　Xen项目是一个很有趣同时充满了希望的项目。它的代码很复杂，特别是虚拟内存管理、活动域合并工具和授权表机制。本文仅仅是介绍性的，并不涉及这些话题。然而，我希望它能够成为想要了解和深入研究代码的一个出发点。