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　　一、Xen 起源

　　Xen VMM(virtual machine monitor)是由劍橋大學計算機實驗室開發(fā)的一個Open Source 項目，目前穩(wěn)定版本為Xen3.0，主要目的是為了建立更多的虛擬機器。XenSource 的創(chuàng)始人Ian Pratt表示，Xen 在2002年前誕生于英國的劍橋大學，這家新創(chuàng)公司有意把Xen虛擬功能變成標準的計算機功能。「我們第一部是在Linux系統(tǒng)上普及化。」他說。 Xen 這類能將一臺計算機劃分為多個不同分割區(qū)的方法依賴一種被稱為虛擬化(virtualization)的概念，它們使軟件能夠仿真真實的硬件來作執(zhí)行。在VMware中，這一基礎被稱作是虛擬機器(virtual machine)。 VMware和Xen 之間的差異點在于：前者完全仿真計算機，因此理論上操作系統(tǒng)可不需更動就直接在虛擬機器上執(zhí)行;Xen 則使用了被稱為「paravirtualization」的技術，Pratt表示，它的效能更快，但需要對操作系統(tǒng)進行適當?shù)男薷摹２贿^較高階的軟件并不需經(jīng)過修正，VMware 和Xen 之間的差異點在于：VMware 完全仿真計算機，因此理論上操作系統(tǒng)可不需更動就直接在虛擬機器上執(zhí)行;Xen 則使用了被稱為「Paravirtualizatio」的技術，它的效能更快。

　　2005年12月Xen開發(fā)組發(fā)布了Xen 3.0，這是第一款支持芯片輔助技術的免費hypervisor軟件。有了VT-x或AMD-V的硬件支持，Xen 3.0能支持任何沒修改過的操作系統(tǒng)。XEN 3.0 所采用的虛擬技術為半虛擬化(Paravirtualization)，與VMware所采用的完全虛擬化的差異，在于對底層硬件的控制效率接近實機操作，包括中斷控制(IRQ)等，以及等同于實體處理器的運作效能，但也因此對硬件的支持度并不高。由于半虛擬化(Paravirtualization)技術需要對操作系統(tǒng)進行適當?shù)男薷模阅壳癤en 只能夠在一些Linux-based 的系統(tǒng)上運作，也陸續(xù)受到一些信息大廠的支持，Xen 并不是第一個提出半虛擬化的軟件，但執(zhí)行Xen 時，消秏系統(tǒng)資源非常少，大約占3%，所以Xen 可算是技術上的突破。半虛擬化必須修改系統(tǒng)的內核，不過如果處理器能支持虛擬化，所就內核就無需異動了，例如Intel 的VT 和AMD 的Pacifica 處理器都將包括這種支持。AMD 的CPU 只有Opteron 支持AMD-V 技術，而INTEL則有Intel Core 2 Duo 及Xeon 系列才支持VT 技術。

　　二、Xen支持的操作系統(tǒng)

　　主機操作系統(tǒng)即(Host Operating System) 在物理計算機(宿主機)上運行的操作系統(tǒng)，在它之上運行虛擬機軟件。客戶操作系統(tǒng) (Guest Operating System) 運行在虛擬機中的操作系統(tǒng)。注意，在此它不等于桌面操作系統(tǒng)(Desktop Operating System)和客戶端操作系統(tǒng)(Client Operating System)，因為虛擬機中的客戶操作系統(tǒng)可以是服務器操作系統(tǒng)。表1是 Xen 3.0支持的主機操作系統(tǒng)和客戶操作系統(tǒng)。

　　表1 Xen 3.0支持的主機操作系統(tǒng)和客戶操作系統(tǒng)

　　Xen Enterprise 3.2明顯擴大了支持范圍，新增了對Windows 2000的支持。另外，可以使用對稱多處理(Symmetric Multiprocessing ，SMP)技術支持Windows Server 2003和Windows XP操作系統(tǒng)，使得Exchange和SQL Server可以運行地更好。客戶操作的支持還增加了Red Hat的企業(yè)版Linux服務器RHEL 5和Novell的SUSE Linux企業(yè)服務器10 SP1。另外Linux的兩個最成功的商業(yè)版，紅帽企業(yè)版Linux 5.0和Novell的Suse Linux 10.0企業(yè)服務器版都集成了Xen。

　　三、Xen的原理和體系結構

　　虛擬化CPU對guest OS(客戶操作系統(tǒng))提出了幾個要求。因為hypervisor插在操作系統(tǒng)的下層違背了慣常的關于操作系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中特權最高的假設。為了保護hypervisor不會受到操作系統(tǒng)不正確行為的影響(即domain不受另一個domain的影響)，guest OS就必須被改造為能夠運行在較低的特權級上。很多處理器體系結構只是提供了兩個特權級。在這些情況下，guest OS和應用程序共享較低的特權級。同時，guest OS運行在單獨的地址空間中以保護自己不會受到應用程序執(zhí)行的影響。guest OS通過hypervisor設定虛擬的特權級和改變當前的地址空間來間接地和應用之間進行控制傳遞。另外，如果處理器的TLB支持地址空間標記，那么也就可以避免TLB刷新帶來的高昂代價。在x86架構上有效地實現(xiàn)特權級的虛擬化是可能的，因為x86架構在硬件上支持四個不同的特權級。x86架構的特權級往往用圈(ring)來表示，從ring 0(最高特權)到ring 3(最低特權)。操作系統(tǒng)的代碼運行在ring 0這個特權級上，因為再沒有其它的ring能夠執(zhí)行那些特權指令。ring 3通常用于執(zhí)行應用代碼。就我們所知，自OS/2起到現(xiàn)在的各個知名的x86 架構上的操作系統(tǒng)都還沒有利用ring 1和ring 2這兩個特權級的。那么，任何遵循這個通常的安排的操作系統(tǒng)就都可以移植到Xen上來。這個移植過程只需要做一些改動使操作系統(tǒng)改為運行在ring 1特權級上。這就防止了guest OS會直接執(zhí)行特權指令，也保證了操作系統(tǒng)與運行在ring 3上的應用程序之間相隔離的安全性。圖1是Xen 和Ring 關系圖。圖2 是Xen的體系結構。

圖1是Xen 和Ring 關系圖


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