VMware虛擬化技術實作問答（上）

2012-01-18

王偉任

硬體性能逐年甚至逐月地大幅提升，與電腦剛問世時相比，真是不可同日而語。為充分利用一般使用時大部分閒置的系統資源，虛擬化技術應運而生，在該項技術領域中，最廣為採用的就是VMware。本文將就VMware虛擬化技術實際應用所可能面臨的各項問題提出詳細的解決對策。

目前市面上已經開發出許多虛擬化相關技術，其中發展最成熟、產品線最為齊全的當屬VMware。雖然大多數人對於VMware所開發出來的技術已經很熟悉，但實作時無可避免地仍然會遭遇到一些細部難解的問題，有鑑於此，本文將分成上下集透過問答的方式來為大家解答疑惑。

Q1：x86虛擬化技術該使用哪種才好？

常常聽到半／全虛擬化技術、CPU硬體輔助虛擬化，到底虛擬化技術應該採用哪一種方案比較好？

在說明x86虛擬化技術之前，應該先從x86架構CPU特權模式（CPU Privileged Mode）談起，由於x86架構一開始設計架構是以「個人電腦」為定位，因此要做到硬體資源虛擬化有很大的困難。

▲圖1 在保護模式下x86架構可用的權限（Privilege rings for the x86 available in protected mode）。圖片來源：維基百科—Ring（Computer Security）

從如圖1的x86CPU特權模式中可以看出，在CPU運作架構上共有從Ring 0～Ring 3四個特權等級。

其中，權限最高為Ring 0，通常為作業系統，它可以與核心（Kernel）溝通，直接控制實體主機硬體資源的使用，如CPU、Memory和Device I/O。而Ring 1和Ring 2很少使用到，通常為周邊裝置的驅動程式。最後，使用者端所碰觸的應用程式則是處於Ring 3特權模式。

虛擬化技術則是在CPU架構中插入Hypervisor來管理硬體資源，Hypervisor為一介於軟體與韌體中一層極小的程式碼，可以提供動態的硬體資源配置及彈性設定和管理虛擬資源，並且由VMM（Virtual Machine Monitor）來取代本來由作業系統所掌管的Ring 0特權模式，而原來的作業系統則降一級成為Ring 1。

但是，某些作業系統中的指令必須在Ring 0特權模式才可正常執行，因此便衍生出半／全虛擬化技術（Para/Full Virtualization），Intel稱之為Software-only Virtualization，來解決特殊指令無法順利執行的問題。

半虛擬化技術（Para Virtualization）
因為必須修改作業系統核心而植入Hypercall，使得作業系統不必為了虛擬化而將CPU特權等級被調降到Ring 1（保持在Ring 0），並且透過Hypercall來存取硬體資源。

優點：此方式虛擬化對於硬體資源消耗相對較少。
缺點：因為必須修改作業系統核心，因此可於半虛擬化平台上運作的作業系統種類較少。

全虛擬化技術（Full Virtualization）
以VMware技術來說，為採用二進位轉譯（Binary Translation）技術，在因為虛擬化而降級的作業系統（Ring 1特權模式）存取硬體資源時，會由VMM將作業系統發出的CPU指令透過二進位轉譯技術進行轉換，進而順利存取硬體資源。簡言之，作業系統並不知道自己被調降到Ring 1特權模式中。（圖2）

圖2 純軟體虛擬化技術（Software-Only Virtualization）。圖片來源：Intel Virtualization Technology – Processor Virtualization

優點：不需要修改作業系統核心，因此可運作大部分的作業系統種類。
缺點：透過二進位轉譯會消耗較多的硬體資源。

CPU硬體輔助虛擬化（Hardware Assisted Virtualization）
因為軟體架構虛擬化的技術各有其優缺點，因此CPU大廠Intel和AMD決定從x86 CPU架構著手來改善x86虛擬化的門檻，分別提出了Intel-VT（Vanderpool）（圖3?4）以及AMD-V（Pacifica）虛擬化技術。