Xen是一个开放源代码虚拟机监视器(Virtual Machine Monitor,简称为VMM),由剑桥大学开发,它致力于实现在单个计算机上运行多达128个有完全功能的操作系统。Xen通过一种叫做半虚拟化(paravirtualization)的技术获得高效能的表现(较少的效能损失,典型的情况下大约损失 2%,在最糟的情况下会有 8% 的效能耗损;与其它使用完全的虚拟化却造成最高到 20% 损耗的其他解决方案形成一个明显的对比),甚至在某些与传统虚拟技术极度不友好的架构上(x86),Xen也有极佳的表现。

Xen
虚拟化环境由几个虚拟化组件协同实现:Xen HypervisorDomain 0Domain U 

Xen虚拟化之一:Xen环境组件详解_Xen xm paravirtualiz

Xen架构 (图片来源:http://wiki.xen.org/wiki/Xen_Overview)


1.1   Xen Hypervisor

 Xen Hypervisor是计算机硬件的软件抽象层,它直接运行于硬件之上,并将其计算能力通过抽象接口(虚拟机)提供给运行于其上的任何操作系统。它的首要任务在各虚拟机之间进行CPU资源调度、内存资源分配及中断请求管理,并负责控制共享处理环境的各虚拟机的执行。但它并不负责实现计算机系统应该具备的网络、外部存储设备、显示设备或其它通用I/O功能等。

1.2 Dom0

Xen虚拟化环境中用域(domain)来描述各虚拟机,每个域都有其ID等属性,因此各虚拟机常表示为domain 0domain 1等,也可以使用简写的方式,如dom0Dom0是运行Xen Hypervisor上的一个独特的虚拟机,其操作系统内核为经过特殊修改的Linux内核,其能够直接访问硬件I/O资源及与其它虚拟机进行交互。其它的域没有直接直接访问硬件I/O资源的权限,并且彼此间是高度隔离的。因此,dom0也被称作特权域,其它域则统一称为DomU(Unprivileged Domain)。需要注意的是,DomU通过Dom0来实现I/O功能,因此,在DomU运行之前必须先启动Dom0

Linux内核自2.6.37版本起添加了对Xen Dom0的支持,并且自3.0的版本起添加进了Xen所需要的关键性驱动及优化,因此,只需要在3.0及之后版本的内核编译时启用了相应的选项,其就可以直接运行于Dom0

Dom0提供了两种两类特殊驱动:网络后端驱动(Network Backend Driver)和块设备后端驱动(Block Backend Driver),分别用以支持来自DomU的对网络及本地磁盘的访问请求。网络后端驱动通过直接与本地网络设备交互来处理来自于DomU的各网络相关请求,块设备后端驱动则基于与本地磁盘交互来执行DomU的数据读写请求。

Dom0通常会包含一个工具栈(Toolstack),其能够实现让用户完成虚拟机的创建、删除、配置等功能。此工具栈还提供了一个访问接口,因此,其管理功能还可以通过相应的命令行工具、图形化控制台或者如CloudstackOpenstack类的云计算环境来完成。

1.3 DomU

如前所述,DomU是非特权域,它们均无权限直接访问硬件资源。Xen支持两种不同类型的虚拟模式:PV(Paravirtualization)HVM(Hardware-assisted or Full Virtualization),它们可以同时运行于同一个Xen Hypervisor上,并且甚至可以在HVM环境使用PV技术,这也称作PV on HVM

1.3.1 Xen半虚拟化(Xen Paravirtualization)

半虚拟化(Paravirtualization,简称为PV)是由Xen开发的高效且轻量级的虚拟化技术,现已经为众多虚拟化平台所借用。PV不要求CPU支持虚拟化扩展,但依赖于Xen-PV-enabled内核和PV驱动程序,因此,客户机(guest)明确知道自己运行于hypervisor之上,它不需要仿真硬件,从而能高效运行。目前,已经为LinuxNetBSDFreeBSDOpenSolaris实现了Xen-PV-enabled内核,而且自2.6.24起,Linux内核已经通过Linux pvops framework原生支持Xen-PV,因此,大多数的Linux发行版都能直接运行于PV环境。

PV客户机中包含两类特殊驱动:网络前端驱动(Network Frontend Driver)和块设备前端驱动(Block Frontend Driver),分别用以与Dom0中对应的后端驱动通信以完成网络访问和块设备访问。


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Xen PV (图片来源:http://wiki.xen.org/wiki/File:XenPV.png)

1.3.2 Xen完全虚拟化(Xen Full Virutalization)

完全虚拟化也称作硬件辅助的虚拟化(Hardware-assisted virtualizion)技术,它利用CPU的特殊扩展功能实现客户机的虚拟。HVM依赖于Intel VTAMD-V硬件扩展,同时,Xen还使用Qemu来为HVM模拟PC硬件,如BIOSIDE磁盘控制器、VGA图形适配器、USB控制器及网络适配器等,而CPU的虚拟化扩展技术还能够大大提升这些仿真硬件的性能。HVM不要求操作系统做出任何修改即可正常运行,故此,windows等操作系统均可支行于HVM环境。但需要注意的是,HVM虚拟机需要仿真多种硬件,因此其性能不如PV虚拟机。

1.3.3 PV on HVM

为了提高其性能,HVM客户机也可以使用特殊的半虚拟化驱动(PVHVMPV-on-HVM驱动),这类驱动是为HVM环境专门优化的PV驱动,由此可以使得HVM不再依赖于磁盘及网络I/O的仿真,从而在HVM上提供接近甚至优于PV环境的性能。

1.4 工具栈(toolstack)、管理API(Managment APIs)和控制台(Consoles)

Xen能够与多个不同的工具栈结合工作,如默认的工具栈、Libvirt工具栈及XAPI工具栈。通常,每个工具栈都提供了一个API及相应的命令行工具。


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Xen Toolstack (图片来源:http://wiki.xen.org/wiki/File:ToolStacks.png) 

1.4.1 Libxenlight (libxl)

 libxenlight是一个底层的、轻量级C程序库,便于理解、修改和扩展,其目的是为所有的工具栈提供一个通用、简单、健壮的API,也是xen操作的基础代码。共设计目标:

     提供机制,而非策略

     无状态

     向上隐藏xenstorelibxenctrllibxenguest

     尽可能简单 

1.4.2 常见的工具栈

Default / XEND

Xen 4.0及之前的版本中默认使用的工具栈,Xen 4.1提供了新的轻量级工具栈xl,但仍然保留了对Xend/xm的支持,但Xen 4.2及之后的版本已弃用。但xl在很大程度上保持了与xm的兼容。

Default / XL

xl是基于libxenlight创建的轻量级命令行工具栈,并从Xen 4.1起成为默认的工具栈。xlXend的功能对比请参照http://wiki.xen.org/wiki/XL_vs_Xend_Feature_Comparison。xl的运行不需要用到xend服务。

XAPI / XE

XAPIXen管理API(The Xen management API),它是Citrix XenServerXCP默认使用的工具栈。目前,其移植向libxenlight的工作正进行中。XAPI是目前功能最通用且功能最完备的Xen工具栈,CloudStackOpenNebulaOpenStack等云计算解决方案都基于此API管理Xen虚拟机

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工具栈架构 (图片来源:http://www.slideshare.net/xen_com_mgr/xen-summit-amd2010v3) 

libvirt / VIRSH

 libvirt是一个通用的虚拟化API和工具组件,可用于管理众多的虚拟化技术,目前1.0版本业已移植到libxenlight 

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libvirt架构 (图片来源:http://blog.imm.cnr.it/content/collegamento-macchine-virtuali-con-libvirt) 

1.4.3选择合用的工具栈


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三种流行的工具栈功能对比 (图片来源:http://wiki.xen.org/wiki/Choice_of_Toolstacks)

1.4.4 Xen高级管理工具

除了基础的工具栈外,Xen还有许多高级管理工具,它们以各种方式为Xen提供了更为便捷的管理接口。常见的如virt-manager/libvirtxen-toolsZentificConvirtXen OrchestraGaneti等,此外还有基于云平台的管理工具,如EucalyptusOpenNebulaopenQRM等。

具体的工具列表,请参见http://wiki.xen.org/wiki/Xen_Management_Tools 

1.5 XenStore

XenStore是域间共享的信息存储空间,它也是一个有着层级结构的名称空间或数据库,位于Dom0上由Dom0进行管理,支持事务和原子操作,如读写一个“键”。各域通过向XenStore数据进行读写操作完成彼此间的通信。在有新的值写入XenStore时,对应的域则会收到通知。

XenStore通常用作控制DomU中设备的机制,可通过多种不同的方式对其进行访问,比如在Dom0中使用Unix套接字、内核API或者ioctl接口/proc/xen/xenbus。设备驱动可以通过这些接口之一向XenStore写入请求等。尽管驱动程序可以向XenStore存储任何数据,但它主要设计用来存储较少的数据片断,如配置信息或状态信息。XenStore通常存储为Dom0/var/lib/xenstored/tdb文件。

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