了得網計算機/網絡_Xen 虛擬化技術(石磊)

內容簡介

目前，無論是學術界還是工業界，虛擬化技術的研究和應用都是熱點。在不斷湧現出的虛擬化解決方案中，開源解決方案Xen以其獨特的虛擬化設計模式，以及接近單機操作繫統的性能被學術界和工業界廣泛看好，被認為是未來有前途的虛擬化解決方案之一。
本書以Xen 3.1.0源碼為基礎，以通過源碼剖析原理的方式深入細致地分析了Xen的半虛擬化技術；著重介紹了在x86平臺上Xen半虛擬化技術提供的用以控制和管理虛擬機的內核接口，以及相關的原理和操作應用，包括半虛擬化技術的基本機制和策略，Xen的子繫統及與安全相關的應用模塊。
（1）基本機制和策略，即Xen半虛擬化技術的3大核心機制：與虛擬機啟動和管理相關的信息頁機制，與虛擬機特權級控制和通信相關的超級調用和事件通道機制，以及與虛擬機數據共享和傳輸相關的授權表機制。
（2）虛擬化子繫統，即CPU虛擬化子繫統、內存虛擬化子繫統及I/O設備虛擬化子繫統。CPU虛擬化子繫統主要包括虛擬CPU原理和結構、新架構下中斷和異常處理機制的變化、時間和計時器相關操作，以及虛擬CPU的調度原理等；內存虛擬化子繫統主要包括分頁分段機制、內存分配和地址轉換等；I/O設備虛擬化子繫統主要包括分離驅動模型（前後端設備模型）、虛擬塊設備和網絡設備的基本原理機及相關操作等。目前，無論是學術界還是工業界，虛擬化技術的研究和應用都是熱點。在不斷湧現出的虛擬化解決方案中，開源解決方案Xen以其獨特的虛擬化設計模式，以及接近單機操作繫統的性能被學術界和工業界廣泛看好，被認為是未來有前途的虛擬化解決方案之一。
本書以Xen 3.1.0源碼為基礎，以通過源碼剖析原理的方式深入細致地分析了Xen的半虛擬化技術；著重介紹了在x86平臺上Xen半虛擬化技術提供的用以控制和管理虛擬機的內核接口，以及相關的原理和操作應用，包括半虛擬化技術的基本機制和策略，Xen的子繫統及與安全相關的應用模塊。
（1）基本機制和策略，即Xen半虛擬化技術的3大核心機制：與虛擬機啟動和管理相關的信息頁機制，與虛擬機特權級控制和通信相關的超級調用和事件通道機制，以及與虛擬機數據共享和傳輸相關的授權表機制。
（2）虛擬化子繫統，即CPU虛擬化子繫統、內存虛擬化子繫統及I/O設備虛擬化子繫統。CPU虛擬化子繫統主要包括虛擬CPU原理和結構、新架構下中斷和異常處理機制的變化、時間和計時器相關操作，以及虛擬CPU的調度原理等；內存虛擬化子繫統主要包括分頁分段機制、內存分配和地址轉換等；I/O設備虛擬化子繫統主要包括分離驅動模型（前後端設備模型）、虛擬塊設備和網絡設備的基本原理機及相關操作等。
（3）安全相關模塊，包括兩個模塊：訪問控制模塊（ACM）和虛擬化可信平臺模塊（vTPM）。詳細介紹各個模塊的基本原理及相應的實現和使用方法。
（4）Xen前沿工作：對Xen全虛擬化技術的原理進行介紹，通過硬件虛擬化技術實現對Xen全虛擬化的支持，並以Intel VT技術為重點介紹硬件虛擬化的知識。

作者簡介

石磊碩士，2005年畢業於武漢大學國際軟件學院，獲得軟件工程學士學位以及市場營銷學士學位。2007年9月～2009年5月，在華中科技大學“服務計算技術與繫統”*重點實驗室暨“集群與網格計算”湖北省重點實驗室從事研究工作，主攻虛擬化技術及虛擬化安全技術，2009年8月赴美

第1部分 Xen和虛擬化技術
第1章概述
1.1 虛擬化技術
1.1.1 虛擬化技術的發展歷史
1.1.2 虛擬化技術的實現層次及分類
1.1.3 虛擬機與虛擬機監視器
1.1.4 x86的虛擬化技術
1.2 Xen 虛擬機繫統
1.2.1 x86架構的虛擬化
1.2.2 Xen的設計理念
1.2.3 Xen的發展歷史
1.3 本章小結
第2章 Xen體繫結構
2.1 Xen Hypervisor第1部分 Xen和虛擬化技術
第1章概述
1.1 虛擬化技術
1.1.1 虛擬化技術的發展歷史
1.1.2 虛擬化技術的實現層次及分類
1.1.3 虛擬機與虛擬機監視器
1.1.4 x86的虛擬化技術
1.2 Xen 虛擬機繫統
1.2.1 x86架構的虛擬化
1.2.2 Xen的設計理念
1.2.3 Xen的發展歷史
1.3 本章小結
第2章 Xen體繫結構
2.1 Xen Hypervisor
2.1.1 基本概念
2.1.2 虛擬域(Domain)
2.1.3 控制面板
2.2 CPU虛擬化
2.2.1 半虛擬化
2.2.2 硬件虛擬化
2.3 內存虛擬化
2.4 I/O虛擬化
2.5 本章小結
第2部分 Xen基本機制和策略
第3章 Xen信息頁
3.1 啟動信息頁
3.1.1 啟動信息頁的數據結構
3.1.2 結構體start-info成員字段說明
3.2 共享信息頁
3.2.1 共享信息頁的數據結構
3.2.2 結構體shared_info成員字段說明
3.3 本章小結
第4章超級調用和事件通道
4.1 繫統調用
4.1.1 繫統調用的過程
4.1.2 繫統調用的實現
4.2 超級調用
4.2.1 超級調用的實現方式
4.2.2 超級調用頁
4.2.3 申請超級調用
4.3 事件通道
4.3.1 基本概念
4.3.2 事件通道的初始化
4.3.3 事件通道的操作
4.3.4 事件通道的使用
4.4 本章小結
第5章授權表
5.1 共享內存
5.1.1 Linux中的共享內存
5.1.2 Xen中的共享內存
5.2 授權表
5.2.1 授權項
5.2.2 授權表的操作
5.3 頁面映射
5.3.1 頁面映射操作
5.3.2 撤銷映射操作
5.4 頁面傳遞
5.4.1 頁面傳遞操作
5.4.2 內存拷貝操作
5.5 授權表的使用
5.5.1 授權引用操作
5.5.2 設備驅動gntdev
5.6 本章小結
第3部分 Xen子繫統
第6章 CPU虛擬化
6.1 中斷和異常的處理
6.1.1 基本知識
6.1.2 物理中斷處理
6.1.3 虛擬中斷處理
6.1.4 異常處理
6.2 時間和計時器
6.2.1 時間
6.2.2 計時器
6.2.3 時間和計時器操作
6.3 VCPU設置
6.3.1 VCPU數據結構
6.3.2 VCPU初始化
6.3.3 VCPU操作
6.4 VCPU調度
6.4.1 調度器
6.4.2 調度處理
6.5 本章小結
第7章內存虛擬化
7.1 內存尋址
7.1.1 80386的分段機制
7.1.2 Xen的分段機制
7.1.3 80386的分頁機制
7.1.4 Xen的分頁機制
7.2 內存分配
7.2.1 Xen的內存分配
7.2.2 Guest OS的物理內存
7.2.3 物理內存管理
7.3 虛擬地址轉換
7.3.1 直接模式
7.3.2 頁表更新
7.3.3 可寫頁表
7.4 本章小結
第8章 I/O設備虛擬化
8.1 設備虛擬化的三種模型
8.1.1 仿真設備模型
8.1.2 直接分配設備模型
8.1.3 虛擬設備模型
8.2 虛擬設備模型及其相關機制
8.3 隔離驅動域
8.4 設備I/O環
8.4.1 設備I/O環的基本原理
8.4.2 設備I/O環的實現方式
8.4.3 設備I/O環的實例——塊設備的I/O環
8.5 Xenstore和Xenbus
8.5.1 Xenstore簡介
8.5.2 Xenstore的實現原理
8.5.3 Xenbus簡介
8.5.4 Xenbus的實現原理
8.6 虛擬塊設備
8.6.1 虛擬塊設備I/O環
8.6.2 虛擬塊設備的初始化
8.7 虛擬網絡設備
8.7.1 虛擬網絡設備簡介
8.7.2 虛擬網絡設備的實現原理
8.7.3 虛擬網絡設備的數據傳輸流程
8.8 本章小結
第4部分 Xen安全機制
第9章 Xen訪問控制模塊
9.1 ACM模塊總體介紹
9.1.1 ACM模塊架構
9.1.2 ACM模塊的常用功能
9.1.3 ACM模塊的編譯
9.2 策略文檔的編譯與裝載
9.2.1 策略文檔的格式
9.2.2 策略文檔的編譯
9.2.3 策略文檔的裝載
9.3 ACM模塊分析
9.3.1 ACM模塊的Hooks函數及其接口函數
9.3.2 中國牆策略實現分析
9.3.3 STE策略實現分析
9.4 ACM模塊實際操作示例
9.5 本章小結
第10章可信平臺模塊虛擬化
10.1 可信計算
10.1.1 可信的定義
10.1.2 可信平臺
10.1.3 可信平臺模塊
10.2 虛擬化可信平臺模塊(vTPM)
10.2.1 vTPM的設計
10.2.2 vTPM的實現
10.2.3 vTPM的使用
10.3 本章小結
第5部分 Xen展望
第11章硬件虛擬化
11.1 特權級環
11.2 VMX和VMCS
11.2.1 VMX
11.2.2 VMCS
11.3 HVM中的其他機制
11.4 本章小結
附錄名詞解釋
參考文獻

在線試讀

第1部分 Xen和虛擬化技術
第2章 Xen體繫結構
2.1.1 基本概念
在Xen繫統中，Xen向Domain提供了基本的虛擬硬件（VCPU、虛擬MMU）和基本機制（事件通道）；同時向Domo提供了虛擬域管理API（控制接口），使Dom0能夠利用運行在其用戶空間的管理工具（控制軟件）控制和管理其他Domain。對於Domain對設備的訪問，Xen提供了相應的硬件接口（安全硬件接口），以保證設備訪問的安全進行。
1．控制接口
Xen提供的控制接口僅能被Dom0使用，用以幫助Dom0控制和管理其他的Domain。通過控制接口，Dom0不僅能夠創建、銷毀Domain，控制Domain的運行、暫停、恢復以及遷移，還能夠實現對其他Domain的CPU調度、內存分配以及設備訪問，如物理磁盤存儲和網絡接口等。
2．安全硬件接口
作為Xen的核心組件之一，安全硬件接口（Safe Hardware Interface）需要完成除虛擬CPU、MMU之外所有的硬件虛擬工作，包括DMA/IO、驅動程序、虛擬的PCI地址空間配置、虛擬硬件中斷等。安全硬件接口隻能被擁有原生設備驅動的Domain（Domo、IDD）使用，向其他Domain僅提供虛擬硬件服務。這些工作是通過建立在擁有原生設備驅動的Domain和其他Domain之間的設備通道（Device Channel）來完成的。設備通道並不是Xen繫統中存在的獨立概念，而是借由事件通道和共享內存來實現的。其他Domain中的Guest OS通過設備通道向擁有原生設備驅動的Domain提交異步I/O請求，再由擁有原生設備驅動的Domain通過安全硬件接口完成I/O請求。
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