【云计算奇妙学习之旅】第四期：华为计算虚拟化精讲

在上一期中，我们讲到华为的虚拟化Fusioncompute，它包含两个部分CNA和VRM。而虚拟化开发的难点在CNA上，因为所有计算、存储、网络的虚拟化是在CNA上实现完成的。其实华为的虚拟化也不是它自己一层层开发写出来的，而是基于开源的虚拟化，进行二次开发而来的，以前是基于XEN 现在是基于KVM。

计算虚拟化的重要概念

虚拟化是指通过虚拟化技术将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机。在一台计算机上同时运行多个逻辑计算机，每个逻辑计算机可运行不同的操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。

这也是我们学习虚拟化最初的概念，在传统物理机场景里：底层是硬件Host Machine、中间是操作系统Host OS、最上层是应用程序；而在虚拟化场景里，是在底层硬件之上多加了一个虚拟化层，也是虚拟化最核心的Hypervisor，在Hypervisor之上运行虚拟机，在虚拟机里安装操作系统，最终运行应用程序。

说明一下，如果大家以后看到VM是代表虚拟机（Virtual Machine），VMM是代表虚拟机监视器（Virtual Machine Monitor），它是虚拟化开发最重点也是难度最大的地方。那它为什么有难度呢？因为它要做很多事情。比如说，一台机器有128G内存，它要虚拟出164G内存来；还有底层是一个intel的网卡，它还能虚拟出多个网卡，分配给多个多个虚拟机等等，这些都是需要Hypervisor来实现。

计算虚拟化的类型

在CPU的架构里，这里先要了解一下CPU特权环这个概念，是指在CPU里面存在4个逻辑的环，分别是ring0、ring1、ring2、ring3。在原来物理机的世界里，以前做CPU的厂商也没有意识到未来会有虚拟化的存在，所以当时CPU被分为4个逻辑环，只有ring0可以与操作系统内核交互，ring3运行应用程序。但是在虚拟化的里，又是另外一种世界了，虚拟机运行在ring3这一层，而虚拟机也有内核，在ring3这一层无法和虚拟机的内核交互，只有ring0这层才可以和内核交互，所以这个时候会产生19条敏感指令集的问题，也就是说ring3这层没有办法把这19条指令进行翻译和转换，因为ring3没法和虚拟机的内核进行交互，就会导致虚拟机无法运行，也就意味着装不了虚拟机。

| 特权环与虚拟机 |

那么，现在为什么又能安装虚拟机了呢？

其实在原来就出现了两种技术，一种是全虚拟化，另一种是半虚拟化，就是为了解决那19条敏感指令集的问题。

这怎么说呢？

只有虚拟化世界的老大，VMware在这一点上做的最好。它在当时90年代，2000年的时候就可以装windows的操作系统了，而半虚拟化是装不了windows的，只能安装Linux的操作系统。这是为什么呢？

这是因为当时CPU的指令集不支持转换敏感指令集，所以需要在操作系统内核中写入一个系统调用程序Hypercall进行拦截和转换 ，因为Windows不开源，所以无法写入Hypercall，而Linux开源，支持写入Hypercall，所以半虚拟化只支持Linux系统。

那是怎么做到的呢？

其实是ring3拦截后，把指令给了ring0，对于虚拟机而言，它以为它直接进行交换了，其实是ring3在中间做了转换，模拟欺骗它说可以执行指令，但是这样的话开销特别大。但是vmware老强大了，自己可以拦截的，叫全虚拟化。只是这样来做转换，性能特别低下。所以，后来在CPU里加了一个特殊的指令集VT-X（VT-X是不是大家就熟悉一些啦）。

拿到一台机器，可以用lscpu这个命令来进行查询，如果有VT-X，说明CPU是支持虚拟化的。

还可以用这个命令cat /proc/cpuinfo来查询，flags这栏就是指令集，如果里面有vmx（代表intel的）、svm（代表AMD的），就说明支持硬件虚拟化。因为在一些就版本没有lscpu这个命令，所以可以用这条命令来查询。

现在这样是通过CPU自身来拦截处理和转换，提升了效率，不用Hypervisor来拦截和转换。

这种方式就是硬件辅助虚拟化。

XEN和KVM

在今天虚拟化的种类很多，商业化的虚拟化有VMware的，还有微软的Hype-V，但是这些都不开源。云时代不用昂贵的虚拟化，用开源的虚拟化。开源可以做二次开发，对于厂商而言，可以不用给虚拟化厂商付钱。

现在主流的开源的虚拟化主要有2种，分别是Xen和KVM。

从Xen开始说起，在2002年，Xen正式被开源，它是英国剑桥大学开发的。因为Xen开源，所以在各个系统中都可以使用，华为在Fusioncompute 6.1之前的版本，它用的虚拟化就是Xen，Fusioncompute 6.1之后的版本就改为KVM了。

而在2007年，红帽发布了第一个企业版的虚拟化，叫RHEL5.0（红帽企业版Linux5.0）。但是在2008年，Xen被思杰citrix收购了，就是大家现在看到的Xen server。按理来说Xen是开源的，谁都可以用，但是被Xen收购后，再继续使用就需要付费给思杰citrix。红帽表示不想给思杰付钱，后来红帽就不用XEN了，反而用KVM，在2008年红帽收购了KVM。因为在继续用Xen是帮别人做嫁衣，不是红帽自己的。

当时2008亚马逊做云最好的，它的底层就是Xen，而后来阿里在2008年成立云计算的底层也是Xen，但是在2017年，亚马逊把虚拟化迁到KVM，阿里云也一样，华为是2018年把虚拟化迁到KVM上的。所以今天Xen的身影看到的就比较少了。

这些就是历史故事了，下面再来讲继续技术。在rhel5.8里可以看到安装的时候有两种选择，Xen和KVM。

这里也有一个故事

红帽5.0用Xen，直到5.4支持KVM，但是红帽的技术支持是7年，有些客户刚买Xen的系统，又不愿意改到KVM，就出现红帽继续支持Xen，直到7年有效期结束，所以当时红帽支持两种虚拟化Xen和KVM。如果客户买5.4的，就推荐KVM，5.4之前的用xen，直到2014年，红帽就再也不用支持xen了，之后红帽发布的RHEL6.0就只有kvm了。但是Xen和KVM都只能在Linux上运行，还有现在云的世界底层也是Linux、不是windows，除了微软。

那么Xen和KVM有什么区别呢？

第一点：先说Xen有什么特点，在Linux系统中有两个内核，一个是是标准内核，一个是Xen内核。运行业务用标准内核，运行虚拟化用xen内核。因为安装一套内核，必须要维护一套全新的内核，标准内核的一些驱动，在Xen内核是用不了。而且内核版本一定要在同版本内编译，才能使用，操作特别麻烦。

第二点：Domain 0。它也是和KVM最大的区别。在Xen内核，Hypervisor它在安装是时候需要安装Domain 0 ，需要预留CPU和内存。一个指令数据包请求先到物理机，再到Domain 0，由Domain 0在给到指定的VM，所以Domain 0的开销特别大，也存在性能瓶颈。如果给Domain 0预留的资源不足，无法维持VM正常运行；如果分配过多，又存在资源浪费。

只要安装xen虚拟化，就出现一个特殊的虚拟机Domain 0。

而KVM不一样，它不需要升级内核，而是直接用标准内核。

每一个虚拟化在内核中是一个进程。一旦进程启动，标准内核有的，进程都可以使用。不需要由Domain 0来处理，相对于来说更轻量一些，这就是KVM和Xen最大的区别。

总结：

Xen有两个不好的地方，升级内核，要有Domain 0，而KVK直接用标准内核实现的,不用Domain 0。后来，KVM吐槽Xen，我们多轻量，Xen太重了；而Xen吐槽KVM就是，那家伙是个小毛孩子太年轻了，发展起来才几年，我们Xen已经特别成熟了。

这些年KVM也逐渐成熟发展起来，弥补了缺点，成为行业的标准，像华为云、阿里云等都是用KVM了。所以，现在不用学Xen，只用学KVM了，但是这段历史还是要知道的。