x86硬件輔助虛擬化之虛擬機與VMM
理清虛擬機和虛擬機監(jiān)視器的類別
大家在談到虛擬機時可能會有不同的看法：編程的朋友肯定對JVM不會陌生，JVM本身就是一種虛擬機；而喜歡系統(tǒng)虛擬軟件的朋友則對VMware、Xen和微軟這些虛擬化廠家的虛擬化產(chǎn)品有著更實際的理解。大家只知道它們是不同類別的虛擬機，但是它們之間是如何分類的呢？哪種虛擬機與Intel VT和AMD-V的關(guān)聯(lián)性***呢？
兩類不同的虛擬機
根據(jù)筆者的理解，虛擬機可以分為進程虛擬機和系統(tǒng)虛擬機兩大類，進程虛擬機支持ABI——用戶指令加上系統(tǒng)調(diào)用；系統(tǒng)虛擬機則支持完整的ISA——包括用戶指令和系統(tǒng)指令。在這個分類方法中，又可以根據(jù)客戶機和本地機(Host Machine，在虛擬化資料中也常常稱其為宿主機)是否使用了相同的ISA進行次級細分。
虛擬機大致可分為兩大類，并可進一步細分
為了簡化講解，我們只考慮和硬件虛擬化關(guān)系最為密切的、在相同ISA情況下的系統(tǒng)虛擬機(右圖中黑框圈選的地方，因為大部分讀者接觸不到不同ISA指令集轉(zhuǎn)換的情況)分類情況。前面我們提到的VMware、Xen的虛擬軟件產(chǎn)品都屬于系統(tǒng)虛擬機類別，而Intel VT和AMD-V等x86硬件輔助虛擬化技術(shù)能夠提升系統(tǒng)虛擬機的執(zhí)行性能。
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三種虛擬機監(jiān)視器(VMM)
大家談到虛擬化時最常用的一個詞就是VMM(也稱作Hypervisor，虛擬機監(jiān)控器，基本上大家可以認為就是前文講到的那個虛擬化層，抽象層的替代品)，在系統(tǒng)虛擬機中虛擬軟件常常被稱為VMM，VMM在虛擬機中可以算是最為關(guān)鍵的組件，對于系統(tǒng)虛擬機的分類就是對虛擬機監(jiān)視器(VMM)的分類。VMM一般有三種類型，分別是獨立(Type-1)、宿主(Type-2)和混合(Hybrid)類型。不論是哪一種系統(tǒng)虛擬機模型，只要它能夠提供對Intel VT和AMD-V的支持，都可以在一定程度上減少虛擬化軟件帶來的性能開銷(早期的RISC硬件輔助虛擬化除外)。
虛擬軟件把一個硬件平臺上的ISA翻譯成另一個，以構(gòu)成系統(tǒng)虛擬機。
Type-1型VMM直接安裝在物理機器上，運行在***特權(quán)模式下，而客戶機系統(tǒng)則運行在特權(quán)較少的模式上。這種虛擬機在很多方面都是很高效的，但明顯的缺點是要考慮的方面較多(比如各種驅(qū)動程序)，所以設(shè)計比較復(fù)雜，VMware的ESX server就屬于這種類型。
Type-2型VMM類似于在操作系統(tǒng)上安裝的應(yīng)用程序，VMM可以依賴主機操作系統(tǒng)提供設(shè)備驅(qū)動和其它底層服務(wù)，因此不需要考慮大量的設(shè)備驅(qū)動問題，VMM體積較小。大家最常用的VMware Workstation和JVM都屬于此類型，這種虛擬機的缺點是會損失一些效率，因為當請求操作系統(tǒng)服務(wù)時要通過更多的軟件層次，來回的次數(shù)也更多。
混合型是Type-1和Type-2的結(jié)合體，在這個類型中VMM和主機操作系統(tǒng)處于平行關(guān)系，微軟的Virtual Server 2005R2以及最近非常受大家關(guān)注的Xen就是混合型的典范。
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小知識：ISA和ABI
ISA是Instruction Set Architecture的簡寫，譯為指令集體系結(jié)構(gòu)。在這個結(jié)構(gòu)中有兩個部分是和虛擬機密切相關(guān)的，一個是用戶指令集(User ISA),另一個是系統(tǒng)指令集(Syetem ISA)。
用戶指令集是應(yīng)用程序可直接調(diào)用的，而系統(tǒng)指令集則是操作系統(tǒng)才能看到的，負責管理硬件資源。ABI是Application Binary Interface的簡寫，譯為應(yīng)用二進制接口。它包括兩個主要組件，一個是用戶指令集，另一個則是系統(tǒng)調(diào)用接口(System Calls)。
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x86體系虛擬化遭遇ISA set缺陷
Popek和Goldberg在1974年發(fā)表的那篇論文中給出了一個真正的VMM必須滿足的三個條件：高效性、資源控制和同質(zhì)性。高效性是指所有的安全指令都可以在本地硬件上直接運行而不需要VMM的干預(yù)或仿真，資源控制是指任何客戶機軟件都不能改變它可用的系統(tǒng)資源分配，同質(zhì)性是指拋開性能略微下降的因素，虛擬機上執(zhí)行的任何程序的行為必須和在本地機器上運行一樣。這里面我們之所以重點關(guān)注高效性，是因為x86指令集系統(tǒng)本身存在問題——有少部分指令不能在以前的虛擬化環(huán)節(jié)中進行正常VMM陷入，導(dǎo)致指令執(zhí)行失敗，使得這個條件難以滿足。要理解其中的問題，我們首先要了解CPU虛擬化的基本原理、特權(quán)級別和敏感指令。
VMM通常分為三種類型
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CPU虛擬化
在VMM對硬件資源虛擬化的過程中，CPU虛擬化是非常重要的一個環(huán)節(jié)。CPU虛擬化是為物理機器上的每一個虛擬機提供一個或者多個虛擬CPU(簡稱VCPU)，每個VCPU分時復(fù)用物理CPU，在任意時刻一個物理CPU只能被一個VCPU使用。VMM要在整個過程中合理分配時間片以及維護所有VCPU的狀態(tài)(資深一些的讀者應(yīng)該會聯(lián)想到現(xiàn)代多任務(wù)操作系統(tǒng)中TSS工作機理以及超線程技術(shù)中涉及到的上下文切換，是不是有似曾相識的感覺呢？)，當進行VCPU切換時，要保存當前VCPU的狀態(tài)，將被調(diào)度的VCPU狀態(tài)載入物理CPU，可見如何保證VCPU的正確運行和合理調(diào)度是CPU虛擬化技術(shù)中需要解決的問題。
Type-2型VMM更易使用但是會損失一定效率
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特權(quán)級別
大部分的現(xiàn)代計算機體系結(jié)構(gòu)都有兩個或兩個以上的特權(quán)級別，用來分隔內(nèi)核和應(yīng)用軟件。以x86為例，為了得到更高的保護控制，在x86的保護模式下定義了當前特權(quán)級別(Current Previleged Level，簡稱CPL)，一共有四個特級層次(0 to 3)被定義，我們一般稱之為Ring。Ring后面的數(shù)字越大特權(quán)越小，我們的操作系統(tǒng)一般都運行在Ring0上，而Ring1和2一般用來支持設(shè)備驅(qū)動，Ring3上面跑的就是應(yīng)用軟件了。而在現(xiàn)在的x86處理器中，64位架構(gòu)已經(jīng)非常普遍，64位CPU因為必須支持頁表模式，所以只有兩個特權(quán)級別，我們可以簡單理解為Ring0和Ring3(實際上另有明確定義)，這種模型我們常稱為0/3模型。
系統(tǒng)中有一些關(guān)鍵操作指令只能在***特權(quán)級別上執(zhí)行，它們一般被稱為特權(quán)指令，特權(quán)指令僅僅在當前的特權(quán)級別為零時(CPL=0)才會執(zhí)行。如果在非特權(quán)級別上試圖執(zhí)行特權(quán)指令，將生成一個一般保護異常(這通常會生成一個應(yīng)用程序錯誤)，而非特權(quán)指令則可以在任何一個權(quán)限級別執(zhí)行。
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敏感指令中的漏網(wǎng)之魚
在虛擬化世界的VMM模型中，我們可以看到所有的客戶機操作系統(tǒng)都運行在非特權(quán)模式下，即非Ring0級。因為Guest OS已經(jīng)不處在特權(quán)級別，所以存在一部分原本應(yīng)該在特權(quán)級別執(zhí)行但現(xiàn)在因為層級權(quán)限不夠必須轉(zhuǎn)交VMM進行處理的指令，這部分指令就叫敏感指令。
x86的敏感指令中明顯有一部分漏網(wǎng)之魚
而根據(jù)Popek和Goldberg的定義，指令集支持虛擬化的前提是：所有敏感指令都是特權(quán)指令。很可惜x86指令集不能滿足這個要求，這是它和RISC架構(gòu)相比的一個不足。
在IBM之類的RISC指令集方面，因為敏感指令全部是特權(quán)指令，所以敏感指令的執(zhí)行都可以被VMM捕獲，而在x86方面，因為有一部分敏感指令不屬于特權(quán)指令，變成了非特權(quán)指令，而非特權(quán)指令在較低的特權(quán)級別上是可以直接執(zhí)行的，也就是說VMM不會處理這些指令。這樣就勢必會帶來問題，試想一個不受虛擬化軟件層控制的指令卻工作在虛擬化層之上，這是怎樣一個情景？x86至少有十幾條敏感指令是不會引發(fā)異常的非特權(quán)指令，在IA-32指令集中，我們稱這些非特權(quán)級別的敏感指令為臨界指令，它們可以分成兩類：
敏感寄存器指令：它們讀取或者修改敏感寄存器和(或者)敏感內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)所存放的內(nèi)容，比如時鐘寄存器、中斷寄存器。
1.SGDT、SIDT、SLDT
2.SMSW
3.PUSHF、POPF
保護系統(tǒng)指令：涉及存儲保護系統(tǒng)、內(nèi)存或者地址定位系統(tǒng)。
1.LAR、LSL、VERR、VERW
2.POP
3.PUSH
4.CALL、JMP、INT n、RET
5.STR
6.MOV
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臨界指令實例講解
我們用一個實際的例子來解釋x86指令集的虛擬化漏洞。SMSW指令(取機器狀態(tài)字的指令)是為了向下兼容老式處理器，這個指令應(yīng)該由操作系統(tǒng)完成，也就是說需要Ring0才可以，但很可惜它沒有被放在特權(quán)指令中。在虛擬化環(huán)境中，客戶機操作系統(tǒng)都工作在非特權(quán)層次上(一般為Ring1或者Ring3)，前面我們講到非特權(quán)指令在較低特權(quán)級別時可以不被VMM捕獲而直接執(zhí)行。
不同的特權(quán)級別滿足不同程序運行的需求
客戶機操作系統(tǒng)在執(zhí)行這個指令時，直接取到的是真實機器的值(假設(shè)取值1為保護模式，0為實模式)，現(xiàn)在的VMM一般都工作在保護模式下，如果客戶機操作系統(tǒng)正好運行在實模式下，那么問題就出來了，SMSW取到的值是1，表示系統(tǒng)運行在保護模式下，而不是真正的客戶機操作系統(tǒng)的實模式的返回值0，這顯然是不正確的。
寫在***
講到這里，大家應(yīng)該對虛擬化和虛擬機的定義以及VMM有了一個整體的認識，也搞明白了x86指令集為什么是不可虛擬化架構(gòu)，這為我們更好地理解后續(xù)要講解的硬件輔助虛擬化奠定了一定的理論基礎(chǔ)。下一次我們就給大家講解傳統(tǒng)CPU虛擬化模型的技術(shù)(特權(quán)解除和先陷入后模擬)以及軟件CPU虛擬化和硬件CPU輔助虛擬化的解決方法，敬請關(guān)注！
MC特約評論員 林昊翔（虛擬化技術(shù)愛好者）
虛擬化技術(shù)優(yōu)勢日益體現(xiàn)，不僅大幅度降低了IT支出成本、減少能源浪費，而且還極大地增強了系統(tǒng)整體安全性和可靠性。軟硬件廠商未來可能攜手提高虛擬化產(chǎn)品的自身性能以及提供更豐富的功能?；谥鳈C操作系統(tǒng)的虛擬機產(chǎn)品以及硬件虛擬化技術(shù)得到更廣泛應(yīng)用。硬件廠商在操作模式間的轉(zhuǎn)換速度、TLB性能、內(nèi)存虛擬化和I/O虛擬化等方面加以改進和完善；軟件廠商則利用二進制動態(tài)翻譯及程序行為分析的技術(shù)減小性能開銷，利用內(nèi)存和存儲的重復(fù)刪除技術(shù)降低資源開銷。而分布式文件系統(tǒng)和分布式共享內(nèi)存等技術(shù)的引入將有助于打造一個高可用、高容錯的分布式虛擬化軟件平臺，便于虛擬機的部署和動態(tài)遷移。
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