云计算——内存虚拟化与I/O虚拟化

前言

本章将会讲解云计算，内存虚拟化的知识

一.内存虚拟化

内存虚拟化抽象了物理内存，虚拟机每个进程都被赋予一块连续的，超大的虚拟内存空间。

根据系统结构来定，32位系统寻址空间为2^32，64位系统为2^64。

1.内存虚拟化类型

• 全虚拟化
• 半虚拟化
• 硬件辅助内存虚拟化

全虚拟化

为每个VM维护一个影子页表记录虚拟化内有与物理内存的映射关系。VMM将影子页表提交始CPU的内存管理单元MMU进行地址转换。VM的页表无需改动。

半虚拟化

采用页表写入法，为每个VM创隆一个页表并向点拟化层注册，VM运行过程中VMM不断管理和维护该页表，确保VM能直接访问到合适的地址。

硬件辅助内存虚拟化

EPT/NPT是内存管理单元MMU的扩展，CPU硬件一个特性，通过硬件方式实现GuestOS物理内存地址到主机物理内存地址的转换，系统开销更低，性能更高。

2.内存复用技术

内存复用是指在服务器物理内存一定的情况下，通过综合运用内存复用技术对内存进行分时复用。

内存复用技术有：

• 内存气泡：虚拟化层将较空闲VM内存，分配给内存使用较高的虚拟机。内存的回收和分配由虚拟化层实现，虚拟机上的应用无感知，提高物理内存利用率。
• 内存交换：将外部存储虚拟成内存给VM使用，将VM上长时间未访问的数据存放到外部存储上，建立映射关系。VM再次访问这些数据是通过映射在与内存上的数据进行交换。
• 内存共享：VM只对共用的内存（共享数据内容为零的内存页）做只读操作，有写操作时运用写时复制（VM有写操作时，开辟另一空间，并修改映射）。

3.内存复用Qos

内存资源Qos有：

内存预留：VM预留最低的物理内存

内存份额：适用资源复用场景，按比例分配内存资源。

4.内存复用举例

物理内存6G，部署三台虚拟机。

未开启内存复用每台只能分得2G内存。

开启了内存虚拟化（这里以物理内存150%）物理内存由6G变为逻辑上的9G（虚拟上的9G）则每台虚拟机内存为3G.

二.I/O虚拟化

1.I/O虚拟化类型

全虚拟化

通过软件模拟的形式模拟IO设备，不需要硬件支持，对虚拟机的操作系统也不需要修改（因为模拟的都是一个常见的硬件网卡，如IntelE1000,主流操作系统一般都自带这些驱动，因此默认情下虚拟机不需要再安装驱动。缺点就是性能差了。

半虚拟化

由Hypervisor提供资源调用接口。VM通过特定的调用接口与Hypervisor通信，完成获取完整l/O资源控制操作。（需修改内核及驱动程序，存在移植性和适用性问题，导致其使用受限。）

Pass-through

Hypervisor直接把硬件PCI设备分配给虚拟独占使用，性能当然好啦。但是浪费现件设备，且配置复杂，首先需要在hypervisor指定通过PClid方式分配给指定的虚拟机，然后虚拟机再识别到设备再安装驱动来使用。

硬件辅助虚拟化

通过硬件的辅助可以让虚拟机直接访问物理设备，而不需要通过VMM。最常用的就是SR-IOV(Single Root I/OVirtualizmion)单根I/O虚拟化标准，该技术可以直接虚拟出128-512网卡，可以让虚拟机都拿到一块独立的网卡，直接使用I/O资源。

2.I/O环适配功能

正常我们的I/O分为：

1. 非密集I/O：在一秒钟读的次数很少。
2. 密集I/O：在一秒钟内完成了多次读，但每次读取的内容是少量的。

I/O环适配功能主要用来提升大块（44K以上）多队列（32队列深度以上）类型的IO密集型业务的I/O性能（就是将存储设备资源利用率提高）。

用户可通过开启I/O环适配功能，提升I/O性能。

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