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admin · 2020-03-01

  

  现在首要有Intel的VT-x和AMD的AMD-V这两种技能。其中枢理念都是经由过程引入新的指令和运转形式,使VMM和Guest OS不同运转正在分歧形式(ROOT形式和非ROOT形式)下,且Guest OS运转正在Ring 0下。广泛处境下,Guest OS的中枢指令可能直接下到达揣测机体系硬件履行,而不需求源委VMM。当Guest OS履行到特别指令的工夫,体系会切换到VMM,让VMM来管理特别指令。

  1、Intel VT-x技能

  为补偿x86管理器的虚构化缺点,商场的驱动催生了VT-x,Intel推出了基于x86架构的硬件辅助虚构化技能Intel VT(Intel Virtualization Technology)。

  现在,Intel VT技能包孕CPU、内存和I/O三方面的虚构化技能。CPU硬件辅助虚构化技能,分为对应安腾架构的VT-i(Intel Virtualization Technology for ltanium)和对应x86架构的VT-x(Intel Virtualization Technologyfor x86)两个版本。内存硬件辅助虚构化技能征求EPT(Extended Page Table)技能。I/0硬件辅助虚构化技能的代外hatelVY-d(Intel Virtualization Technology for Directed I/0)。

  IntelVT-x技能办理了初期x86架构正在虚构化方面存正在的缺点,可以使未经修正的GuestOS运转正在特权级0,同时裁汰VMM对Guest OS的干涉。Intel VT-d技能经由过程使VMM将特定I/O修立直接分拨给特定的Guest OS,裁汰VMM对I/O管理的束缚,非但加快数据传输,且排挤了大片面职能开支。如下图所示。CPU硬件辅助虚构化技能扼要声明流程图:

  CPU硬件辅助虚拟化技术

  师法IBM 大型机,VT-x供给了2 个运转处境:根(Root)处境和非根(Non-root)处境。根处境特意为VMM计算,很像原先没有VT-x 的x86,只是众了对VT-x 支撑的几条指令。非根处境行动一个受限处境用来运转众个虚构机。

  CPU硬件辅助虚拟化技术

  如上图所示,根操纵形式与非根操纵形式都有响应的特权级0至特权级3。VMM运转正在根形式的特权级0,GuestOS的内核运转正在非根形式的特权级0,GuestOS的行使措施运转正在非根形式的特权级3。运转处境之间互相转化,从根处境到非根处境叫VMEntry;从非根处境到根处境叫VMExit。VT-x界说了VMEntry操纵,使CPU由根形式切换到非根形式,运转客户机操纵体系指令。若正在非根形式履行了敏锐指令或产生了间断等,会履行VMExit操纵,切换回根形式运转VMM。

  根形式与非根形式之问的互相转换是经由过程VMX操纵完成的。VMM 可能经由过程VMXON 和VMXOFF翻开或封闭VT-x。如下图所示:

  CPU硬件辅助虚拟化技术

  VMX操纵形式流程:

  1)、VMM履行VMXON指令进入VMX操纵形式。

  2)、VMM可履行VMLAUNCH指令或VMRESUME指令出现VM Entry操纵,进入到Guest OS,此时CPU处于非根形式。

  3)、Guest 0S履行特权指令等处境招致VMExit的产生,此时将堕入VMM,CPU切换为根形式。VMM依照VMExit的原故作出响应管理,管理完工后将转到2),不绝运转GuestOS。

  4)、VMM可决议能否退出VMX操纵形式,经由过程履行VMXOFF指令来完工。

  为更好地支撑CPU虚构化,VMX新界说了虚构机驾御构造VMCS(Virtual Machine ControlStructure)。VMCS是保管正在内存中的数据构造,其征求虚构CPU的合系存放器的实质及合系的驾御讯息。CPU正在产生VM Entry或VMExit时,都市查问和更新VMCS。VMM也可经由过程指令来装备VMCS,到达对虚构管理器的束缚。VMCS架构图如下图所示:

  CPU硬件辅助虚拟化技术

  每一个虚构管理器都需将VMCS与内存中的一块地区团结起来,此地区称为VMCS地区。对VMCS地区的运用是经由过程VMCS指针来完成的,这个指针是一个指向VMCS的64位的地方值。VMCS地区是一个最大不超越4KB的内存块,且需4KB对齐。

  VMCS地区分为三个片面:偏移0起是VMCS版本标识,经由过程分歧的版本号,CPU可保护分歧的VMCS数据花式;偏移4起是VMX中断指导器,正在VMX中断产生时,CPU会正在此处存入中断的原故;偏移8起是VMCS数据区,这一片面驾御VMX非根操纵及VMX切换。

  VMCS 的数据区包孕了VMX配相信息:VMM正在启动虚构机前装备其哪些操纵会触发VMExit。VMExit 出现后,管理器把履行权交给VMM 以完工驾御,而后VMM 经由过程指令触发VMEntry 前往原先的虚构机或调换到另一个虚构机。

  VMCS 的数据构造中,每一个虚构机一个,加之虚构机的各类状况讯息,共由3个片面构成,如以前的VMCS架构图所示:

  1)、Gueststate:该地区保管了虚构机运转时的状况,正在VMEntry 时由管理器装载;正在VMExit时由管理器保管。它又由两片面构成:

   Guest OS存放器状况。它征求驾御存放器、调试存放器、段存放器等各种存放器的值。 Guest OS非存放器状况。用它可能记载以后管理器所处状况,是活泼、停机(HLT)、合机(Shutdown)仍是等候启动管理器间间断(Startup-IPI)。

  2)、Hoststate:该地区保管了VMM 运转时的状况,首要是极少存放器值,正在VMExit 时由管理器装载。

  3)、Control data:该地区包孕几片面数据讯息,不同是:

   虚构机履行驾御域(VM-Execution control fields)。VMM 首要经由过程装备该地区来驾御虚构机正在非根处境中的履行活动。基于针脚的虚构机履行驾御。它决议正在产生外部间断或弗成屏障间断(NMI)要不要产生VMExit。基于管理器的虚构机履行驾御。它决议虚构机履行RDTSC、HLT、INVLPG 等指令时要不要产生VMExit。 VMExit 驾御域(VMExit control fields)。该地区驾御VMExit 时的活动。当VMExit 产生后管理器能否处于64 位形式;当由于外部间断产生VMExit 时,管理器能否呼应间断驾御器而且得到间断向量号。VMM 可能用它来定制当VMExit 产生时要保管哪些MSR 而且装载哪些MSR。MSR是CPU的形式存放器,创立CPU的事务处境和标识cpu的事务状况。 VMEntry 驾御域(VMEntry control fields)。该地区驾御VMEntry 时的活动。它决议管理器VMEntry 后能否处于IA-32e 形式。与VMExit 的MSR驾御雷同,VMM 用它来定制当VMEntry 产生时要装载哪些MSR。VMM 可能装备VMEntry 时经由过程虚构机的IDT向其发送一个事宜。正在此可能装备将行使IDT 的向量、间断范例(硬件或软件间断)、毛病码等。 VMExit 讯息域(VMExit information fields)。该只读地区征求迩来一次产生的VMExit 讯息。试图对该地区履行写操纵将出现毛病。。此处寄存VMExit 的原故以及针对分歧原故的更众形容讯息、间断或很是向量号、间断范例和毛病码、经由过程 IDT 发送事宜时出现的VMExit 讯息、指令履行时出现的 VMExit 讯息。

  有了VMCS构造后,对虚构机的驾御便是读写VMCS构造。前面临vCPU创立间断,查抄状况本质上都是正在读写VMCS数据构造。

  2、AMD-V技能

  咱们正在下面大节先容了 Intel 的硬件辅助虚构化技能,那末 AMD 的硬件辅助虚构化技能又有甚么特征呢?AMD 从 2006 年便动手戮力于硬件辅助虚构化技能的研商,AMD-V全称是AMD Virtualization,AMD-V从代码的角度不同称为 AMD和 SVM,AMD斥地这项虚构化技能时的外部名目代码为Pacifica,是AMD推出的一种硬件辅助虚构化技能。

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  Intel VT-x 和 AMD-V 供给的特色群众功效雷同,但称号或者分歧样,如 Intel VT-x 将用于寄存虚构机状况和驾御讯息的数据构造称为 VMCS, 而 AMD-V 称之为VMCB;Intel VT-x 将 TLB 记载顶用于标帜 VM 地方空间的字段为 VPID, 而AMD-V 称之为 ASID;Intel VT-x 将二级地方翻译称之为 EPT, AMD 则称为 NPT,等等极少差别。虽然其好像性,Intel VT-x 和 AMD-V 正在完成上对 VMM 而言是不兼容的。

  AMD-V 正在 AMD 守旧的x86-64 根蒂上引入了guest操纵形式。guest操纵形式便是 CPU 正在进入客操纵体系运转时所处的形式。guest操纵形式为客操纵体系设定了一个分歧于 VMM 的运转处境而不需求改良客操纵体系已有的 4 个特权级机制,也便是说正在guest形式下,客操纵体系的内核照旧运转正在 Ring 0, 用户措施照旧正在 Ring 3。裸机上的操纵体系和 VMM 所正在的操纵形式依旧和守旧的 x86 中同样,且称之为host操纵形式。VMM 经由过程履行 VMRUN 指令使CPU 进入guest操纵形式而履行客操纵体系的代码;客操纵体系正在运转时,碰到敏锐指令或事宜,硬件就履行 VMEXIT 活动,使 CPU 回到host形式而履行 VMM 的代码。VMRUN 指令运转的参数是一个物理地方指针,其指向一个 Virtual Machine Control Block (VMCB) 的内存数据构造, 该数据构造包孕了启动和驾御一个虚构机的一概讯息。

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  guest形式的道理正在于其让客操纵体系处于统统分歧的运转处境,而不需求改良客操纵体系的代码。guest形式的设立正在体系中扶植了一个比 Ring 0 更强的特权驾御,即客操纵体系的 Ring 0 特权务必让位于 VMM 的 Ring 0 特权。客操纵体系上运转的那些特权指令,即使是正在 Ring 0 上也变的可能被 VMM 截取的了,Ring Deprivileging由硬件主动搞定。别的,VMM 还可能经由过程 VMCB 中的各类截取驾御字段取舍性的对指令和事宜举办截取,或创立有前提的截取,全豹的敏锐的特权或非特权指令都正在其驾御当中。

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  VMCB 数据构造首要包孕如下实质 :

  1. 用于形容需求截取的指令或事宜的字段列外。此中 :

   2 个 16 位的字段用于驾御对 CR 类驾御存放器读写的截取 2 个 16 位的字段用于驾御对 DR 类调试存放器的读写的截取 一个 32 位的字段用于驾御 exceptions 的截取 一个 64 位的字段用于驾御各类引发体系状况变动的事宜或指令的截取,如 INTR, NMI, SMI 等事 件, HLT, CPUID,INVD/WBINVD,INVLPG/INVLPGA,MWAIT 等指令, 还征求两位不同标记能否对 IO 指令和 MSR 存放器的读写举办驾御 指向IO端口拜望驾御位图和MSR读写驾御位图的物理地方指针字段。该位图用于差异性地驾御虚构机对分歧的 IO 端口和 MSR 存放器举办读写拜望。 形容虚构机CPU状况的讯息。包孕除通用存放器外的大片面驾御存放器,段存放器,形容符外存放器,代码指针等。RAX 存放器也正在此中,由于 RAX 正在 VMM 履行 VMRUN 时是用来寄存VMCB 物理地方的。关于段存放器,该讯息中还包孕段存放器对应的段形容符,也就那些守旧 x86 上对软件潜伏的讯息。 对虚构机的履行举办驾御的字段。首要是驾御虚构机间断和 NPT 的字段。 指导虚构机进入guest形式后要履行的作为的字段。征求用来形容 VMM 向虚构机注入的间断或很是的讯息的字段。注入的间断或很是正在 VMRUN 进入guest形式后顿时履行,就象统统产生正在虚构机内同样。 供给VMEXIT讯息的字段。征求招致 VMEXIT 的事宜的代码,很是或间断的号码,page fault 的线性地方,被截获的指令的编码等。CPU硬件辅助虚拟化技术

  VMCB 以及其触及的驾御位图,统统经由过程物理地方举办指向,这就防止了guest和host形式切换的经过依附于guest空间的线性地方 ( 守旧操纵体系内用户空间到内核的切换确切依附于 IDT 中供给的方针的线性地方 ),使得 VMM 可能采取和客操纵体系统统分歧的地方空间。

  VMCB 的实质正在物理上被分红了俩片面,其顶用于保管虚构机 CPU 状况的讯息盘踞 2048 字节的后半片面,咱们可称之为 VMCB.SAVE;其余讯息,盘踞前 1024 字节范畴,咱们可称之为 VMCB.CONTROL。

  VMRUN 夂箢以 VMCB 为参数,使CPU 进入guest状况, 按 VMCB.SAVE 的实质收复虚构机的 CPU 存放器状况,并按 VMCB.SAVE 中 CS:RIP 字段指导的地方动手履行虚构机 的代码, 并将以前 VMM 的 CPU 状况保管正在MSR_VM_HSAVE_PA 存放器所指向的物理内存地区中。VMRUN 所保管的 VMM 的 CPU状况的 CS:RIP 本质上便是 VMM 的代码中 VMCB 的下一个指令,当虚构机因某种原故而招致 #VMEXIT 时,VMM 会从 VMRUN 后的一条指令动手履行。CPU 履行 #VMEXIT 活动时,会主动将虚构机的状况保管到 VMCB.SAVE 区,并从 MSR_VM_HSAVE_PA 指定的地区加载 VMM 的 CPU 状况。

  VMLOAD 和 VMSAVE 指令是对 VMRUN 的添补,他们用来加载和收复极少并不需求往往行使的 CPU 状况,如 FS, GS, TR, LDTR 存放器以及其合系的隐含的形容符存放器的实质,VMLOAD 和 VMSAVE 可让 VMM 的完成对guest进入和退出的经过举办优化,让大批处境下只行使 VMRUN 举办起码的状况保管和收复。

  VMMCALL 指令是 AMD-V 为客操纵体系内核供给的昭着的功效挪用接口,雷同于 syscall 指令 ( 从 Ring3 到 Ring 0), VMMCALL 让客操纵体系直接履行 #VMEXIT 而进入 VMM,要求VMM 的办事。

  三、总结

  回头一下CPU虚构化技能的完成,纯软件的CPU虚构化行使了堕入-模仿的形式来模仿特权指令,而正在x86架构中因为只可模仿特权指令,无奈模仿某些敏锐指令而无奈完成统统的虚构化。(正在x86架构中,特权指令必定是敏锐指令,然而敏锐指令比特权指令众,形成某系敏锐指令不是特权指令而无奈模仿,使得CPU虚构化很是),而硬件辅助虚构化引入了根形式(root operation)和非根形式(none-root operation),每种形式都有ring0-3的四级特权级别。以是,正在硬件辅助虚构化中,堕入的观念本质上被VM-EXIT操纵代替了,它代外从非根形式退出到根形式,而从根形式切换到非根形式是VM-Entry操纵。

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