「Hypervisor」- 虚拟机监视器 | Hypervisor | 学习笔记

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认识

Hypervisor，虚拟机监视器，VMM，是种软件、固件、硬件，其用于创建和运行虚拟机（VM）。它允许多个操作系统在同一物理硬件上并行运行，每个操作系统都在独立的虚拟机中。Hypervisor 负责管理和分配硬件资源，确保各虚拟机之间的隔离和安全。

组成

Hypervisor 的组成可以分为多个核心组件，每个组件负责不同的功能，共同协作以实现虚拟化。Hypervisor 的组成包括虚拟机管理器、资源分配器、虚拟硬件抽象层、调度器、设备模拟器、内存管理单元、I/O 管理器、监控和管理接口、安全模块、网络虚拟化模块、存储虚拟化模块以及硬件辅助虚拟化支持。这些组件协同工作，实现高效的虚拟化环境，支持多虚拟机在单一物理硬件上运行。

以下是 Hypervisor 的主要组成部分及其功能：

  1. 虚拟机管理器（Virtual Machine Manager, VMM）
功能：负责创建、管理和销毁虚拟机（VM）。

职责：
分配和管理虚拟机的资源（如 CPU、内存、存储等）。

处理虚拟机的生命周期（启动、暂停、恢复、关闭等）。

确保虚拟机之间的隔离性。

  1. 资源分配器（Resource Allocator）
功能：管理物理硬件资源并将其分配给虚拟机。

职责：
CPU 分配：通过时间片轮转或优先级调度为虚拟机分配 CPU 资源。

内存管理：为每个虚拟机分配独立的内存空间，并确保内存隔离。

I/O 设备管理：虚拟化硬件设备（如网络接口、磁盘控制器等）并将其分配给虚拟机。

  1. 虚拟硬件抽象层（Virtual Hardware Abstraction Layer）
功能：为虚拟机提供虚拟化的硬件环境。

职责：
模拟虚拟硬件设备（如虚拟 CPU、虚拟内存、虚拟网络接口等）。

提供一致的硬件接口，使虚拟机无需修改即可运行。

支持多种虚拟化技术（如全虚拟化、半虚拟化、硬件辅助虚拟化）。

  1. 调度器（Scheduler）
功能：管理虚拟机对物理资源的访问。

职责：
调度虚拟机的 CPU 时间片，确保公平性和性能。

处理多虚拟机并发运行时的资源竞争问题。

支持实时调度策略，以满足特定虚拟机的性能需求。

  1. 设备模拟器（Device Emulator）
功能：模拟物理硬件设备以供虚拟机使用。

职责：
模拟常见的硬件设备（如磁盘、网卡、显卡等）。

支持虚拟设备的动态添加和移除。

提供高性能的设备虚拟化（如通过 Virtio 实现半虚拟化设备）。

  1. 内存管理单元（Memory Management Unit, MMU）
功能：管理虚拟机的内存访问和隔离。

职责：
实现虚拟内存到物理内存的映射。

确保虚拟机之间的内存隔离。

支持内存分页、内存共享和内存气球技术（Memory Ballooning）。

  1. I/O 管理器（I/O Manager）
功能：管理虚拟机与外部设备的 I/O 操作。

职责：
虚拟化网络、存储和其他外设的 I/O 操作。

提供高性能的 I/O 虚拟化（如 SR-IOV、DPDK）。

处理虚拟机与宿主机的 I/O 请求转发。

  1. 监控和管理接口（Monitoring and Management Interface）
功能：提供对虚拟机和 Hypervisor 的监控和管理功能。

职责：
提供 API 或命令行工具以管理虚拟机（如启动、停止、迁移等）。

监控虚拟机的资源使用情况（如 CPU、内存、磁盘、网络等）。

支持高级功能（如虚拟机快照、动态资源调整、高可用性等）。

  1. 安全模块（Security Module）
功能：确保虚拟机和 Hypervisor 的安全性。

职责：
实现虚拟机之间的隔离。

防止虚拟机逃逸（VM Escape）等安全威胁。

支持加密和完整性保护。

  1. 网络虚拟化模块（Network Virtualization Module）
功能：提供虚拟网络功能。

职责：
创建虚拟交换机（vSwitch）和虚拟网络接口（vNIC）。

支持网络隔离（如 VLAN、VXLAN）。

提供网络流量监控和 QoS 支持。

  1. 存储虚拟化模块（Storage Virtualization Module）
功能：管理虚拟机的存储资源。

职责：
提供虚拟磁盘（如 VMDK、VHD、QCOW2）。

支持存储动态扩展和快照。

实现存储资源的共享和隔离。

  1. 硬件辅助虚拟化支持（Hardware-assisted Virtualization Support）
功能：利用硬件特性提升虚拟化性能。

职责：
支持 Intel VT-x 和 AMD-V 等 CPU 虚拟化技术。

支持 Intel VT-d 和 AMD-Vi 等 I/O 虚拟化技术。

优化虚拟机的性能并减少 Hypervisor 的开销。

构造

Hypervisor 是实现虚拟化的关键技术，分为 2 种类型。

  • Type 1 性能更高，适合企业环境；
  • Type 2 则更加灵活，更适合桌面和开发。

针对实现，两者主要的差别有：

  • 硬件交互：
    • Type 1，直接与硬件交互，需要实现硬件驱动程序和资源管理模块；
    • Type 2，通过主机操作系统与硬件交互，依赖主机操作系统的功能。
  • 资源管理：
    • Type 1，直接管理和分配硬件资源（CPU、MEM、NET、……）。
    • Type 2，通过主机操作系统管理和分配资源，Hypervisor 层主要负责虚拟机的创建和管理。
  • ……

Type 1 Hypervisor | 宿主型 Hypervisor

直接运行在物理硬件上，无需宿主操作系统。

性能较高，常用于服务器和数据中心。

典型代表：VMware ESXi、Microsoft Hyper-V、Xen、KVM、……

Type 2 Hypervisor | 宿主型 Hypervisor

运行在宿主操作系统之上，依赖宿主系统管理硬件。

适合桌面和开发环境，性能相对较低。

典型代表：Oracle VirtualBox、VMware Workstation、Parallels Desktop、……

性质

资源虚拟化：将物理资源（如 CPU、内存、存储、网络）抽象为虚拟资源，供多个虚拟机使用。
隔离性：确保虚拟机之间相互独立，一个虚拟机的故障不会影响其他虚拟机。
资源管理：动态分配和调整资源，优化硬件利用率。
快照与迁移：支持虚拟机快照和迁移，便于备份和负载均衡。

成本节约：减少硬件需求，降低维护成本。
灵活性：快速部署和配置虚拟机。
高可用性：通过虚拟机迁移和负载均衡，提升系统可靠性。

应用

广泛应用于服务器、桌面和云计算等领域，能够显著提升资源利用率和系统灵活性。

参考

DeepSeek / Hypervisor 是什么？具体实现有哪些？
DeepSeek / Hypervisor 其组成是什么？
DeepSeek / 介绍 Hypervisor 是什么？
DeepSeek / Type 1 Hypervisor 直接运行在物理硬件上是什么意思？Type 2 Hypervisor 运行在主机操作系统之上是什么意思？两者在代码实现上的差别是什么？