虚拟化技术原理与实现

第一篇 云计算与虚拟化技术

第1章 虚拟化技术基本原理

1.1 云计算与虚拟化技术

1.2 x86和非x86体系结构基础

1.2.1 x86的发展历程

1.2.2 x86-64

1.2.3 x86内存架构

1.2.4 x86-64的基本模式

1.2.5 x86-64的寄存器组

1.2.6 中断与异常

1.2.7 I/O架构

1.2.8 DMA

1.2.9 时钟

1.3 操作系统与虚拟化

1.3.1 操作系统

1.3.2 进程

1.3.3 系统虚拟化

1.3.4 系统虚拟化的发展历程

1.3.5 可虚拟化条件

1.3.6 虚拟化的原理与分类

1.4 VMM技术架构分类

1.4.1 Hypervisor模型

1.4.2 宿主（Hosted）模型

1.4.3 混合模型

1.5 本章小结

第2章 虚拟化实现技术架构

2.1 处理器虚拟化实现技术

2.1.1 Intel VT

2.1.2 AMD SVM

2.1.3 vCPU

2.2 中断虚拟化实现技术

2.3 内存虚拟化实现技术

2.3.1 影子页表

2.3.2 Intel EPT

2.3.3 AMD NPT

2.4 I/O设备虚拟化实现技术

2.4.1 Intel VT-d

2.4.2 DMA重映射

2.4.3 I/O页表

2.4.4 AMD IOMMU

2.5 网络虚拟化技术

2.5.1 虚拟通道

2.6 时间虚拟化技术

2.6.1 操作系统和客户机的时间概念

2.6.2 客户机时间概念的实现

2.7 主流虚拟化产品及其特点

2.7.1 Xen

2.7.2 VMware

2.7.3 Hyper -V

2.7.4 KVM

2.8 本章小结

第二篇 Xen虚拟化技术篇

第3章 Xen软件系统原理

3.1 Xen软件模块结构

3.1.1 Xen Hypervisor

3.1.2 特权虚拟域0（Dom0）

3.1.3 独立设备驱动域（IDD）

3.1.4 非特权虚拟域U（DomU）

3.1.5 硬件虚拟域（HVM）

3.2 Xen系统启动工作原理及流程

3.2.1 系统引导过程

3.2.2 Hypervisor启动与初始化过程

3.2.3 Dom0启动过程

3.2.4 DomU的启动

3.3 Xen CPU虚拟化工作原理

3.3.1 x86体系虚拟化存在的问题

3.3.2 CPU虚拟化-半虚拟化（又称为泛虚拟化）

3.3.3 CPU虚拟化技术-硬件虚拟化技术支持的全虚拟化

3.4 Xen内存虚拟化工作原理

3.4.1 内存虚拟化-直接模式

3.4.2 内存虚拟化-影子模式

3.5 I/O虚拟化工作原理

3.5.1 半虚拟化I/O

3.5.2 全虚拟化I/O

3.6 Xen虚拟机（DomU）生命周期管理

3.7 本章小结

第4章 Xen Hypervisor技术实现

4.1 Xen Hypervisor关键技术概述

4.2 Hypercall

4.2.1 Hypercall的实现机制

4.2.2 自定义Hypercall的方法

4.2.3 应用程序使用Hypercall的方法

4.3 事件通道

4.3.1 事件通道的初始化

4.3.2 事件通道的绑定

4.3.3 发送事件通知

4.3.4 事件通知的处理

4.4 数据共享

4.4.1 授权表（Grant table）

4.4.2 XenStore和XenBus

4.4.3 分离设备驱动

4.5 本章小结

第三篇 KVM虚拟化技术篇

第5章 qemu-kvm虚拟化解决方案

5.1 概述

5.2 内核模块组成概述

5.3 KVM所提供的API

5.4 KVM内核模块重要的数据结构

5.4.1 KVM结构体

5.4.2 kvm_vcpu结构体

5.4.3 kvm_x86_ops结构体

5.4.4 KVM API中重要的结构体

5.5 KVM内核模块重要流程的分析

5.5.1 初始化流程

5.5.2 虚拟机的创建

5.5.3 vCPU的创建

5.5.4 vCPU的运行

5.6 qemu-kvm软件架构分析

5.6.1 QEMU的三种运行模式

5.6.2 libvirt和virt-manager

5.6.3 KVM的调试接口

5.7 本章小结

第6章 qemu-kvm原理与分析

6.1 QEMU软件架构

6.1.1 qemu-kvm的配置与编译

6.1.2 qemu-kvm的架构与配置

6.2 QEMU组件

6.2.1 模块模型

6.2.2 libkvm模块

6.2.3 virtio组件

6.3 基于KVM的QEMU PC Emulator

6.3.1 KVM中的Machine模块

6.3.2 基于KVM加速支持的CPU虚拟化模块

6.3.3 虚拟机的内存管理

6.3.4 I/O管理

6.4 本章小结

第四篇 虚拟化软件开放接口

第7章 Xen API接口技术及实现

7.1 Xen Management API接口概述

7.2 XML-RPC工作原理

7.2.1 XML-RPC概述

7.2.2 XML-RPC请求

7.2.3 XML-RPC响应

7.3 Xen Managemnet API的实现

7.3.1 C语言和Python语言的扩展与嵌入

7.3.2 Xen Management API类的定义

7.3.3 Xen Management API处理流程分析

7.4 本章小结

第8章 libvirt虚拟化控制中间件

8.1 libvirt概述

8.1.1 libvirt简介及使用样例

8.1.2 基于libvirt所开发的开源应用

8.1.3 安装与配置

8.2 libvirt架构与开发

8.2.1 libvirt架构说明

8.2.2 libvirt API控制接口

8.2.3 libvirt的主机域管理

8.2.4 libvirt的网络架构

8.2.5 libvirt的存储管理

8.3 基于libvirt的XML配置解析

8.3.1 XML配置格式简析

8.3.2 针对Xen的libvirt配置详解

8.3.3 针对KVM/QEMU的libvirt配置详解

8.4 本章小结

参考文献

图目录

图1-1 x86的发展历程

图1-2 线性地址空间构造

图1-3 分段机制流程分布

图1-4 段选择符的结构

图1-5 段寄存器的构造

图1-6 段描述符的结构

图1-7 通过段选择符索引段描述符表

图1-8 分页机制流程分布

图1-9 未启用PAE的4KB页——二级页表

图1-10 启用PAE的4KB页——三级页表

图1-11 四级页表结构

图1-12 APIC系统架构

图1-13 中断门的格式

图1-14 陷阱门的格式

图1-15 DMA传输示意图

图1-16 系统虚拟化结构

图1-17 系统虚拟化的发展历程

图1-18 虚拟环境的组成

图1-19 Hypervisor模型的VMM

图1-20 宿主模型的VMM

图1-21 混合模型的VMM

图2-1 Intel VT的组成

图2-2 VT-x 的基本思想

图2-3 物理平台的中断架构

图2-4 虚拟机的中断架构

图2-5 内存虚拟化示意图

图2-6 影子页表的作用

图2-7 客户机操作系统页表与影子页表

图2-8 EPT原理图

图2-9 传统分页技术下的地址转换

图2-10 嵌套分页技术下的地址转换

图2-11 使用VT-d后访问内存架构

图2-12 BDF结构

图2-13 根条目的结构

图2-14 上下文条目的结构

图2-15 根条目表和上下文条目表构成的两级结构

图2-16 DMA重映射的4KB页面地址转换过程

图2-17 IOMMU技术示意图

图2-18 虚拟化网卡的基本原理

图2-19 SR-IOV原理图

图2-20 操作系统的时间概念

图2-21 客户机时间概念

图2-22 客户机时间概念2（客户机时间与实际时间统一）

《转型时代丛书：虚拟化技术原理与实现》对云计算中关键技术之一的虚拟化技术进行了深入的分析，从x86计算机体系结构以及操作系统的工作原理出发，介绍了虚拟化技术原理以及业界主流虚拟化软件产品，并以Xen、KVM开源软件为例分析了虚拟化软件的架构及其实现方法，最后对虚拟化软件管理接口的工作原理以及实现方法进行了全面的梳理。

《转型时代丛书：虚拟化技术原理与实现》注重技术理论与应用实践的紧密结合，可供从事云计算技术研究开发、设备制造、咨询设计、工程建设、运营维护与管理的技术人员和管理人员阅读，也可供高等院校通信工程专业、计算机专业师生参考，还可作为IT培训机构的培训参考书。