KVM虚拟化基本原理介绍(以ARM64架构为例)_kvm arm

一、虚拟化基本概念

         最近学习KVM，做了些代码分析，把学习的过程(主要是基于4.15版本内核arm64架构kvm的代码分析)形成几个技术文档。初步计划分为guest os退出处理分析、内存虚拟化分析和guest以及host之前切换分析等几个部分，如果后期有时间的话，补充初始化、中断虚拟化和时钟虚拟化的内容。本文先做一些ARM64架构虚拟化的基本原理的介绍。

系统级虚拟化

         系统级虚拟化是指将一台物理计算机虚拟成一台或多台虚拟计算机系统，每个虚拟计算机系统有自己的虚拟硬件(内存、CPU和外设)，来提供一个独立的计算机执行环境，能够运行完整的操作系统。
         虚拟机可以看做是物理机的一种高效隔离的复制。它有三个特性：

• 同质：虚拟机的执行环境与物理机在本质上是相同的，除了表现上的一些差异(属于同一套ISA架构)
• 高效：虚拟机中运行的软件需要有接近在物理机上直接运行的性能。
• 资源受控：VMM拥有对资源完全的管理权限而不是虚拟机上的操作系统。

系统虚拟化好处

• 封装性
• 多实例：虚拟机一般会有多个实例
• 隔离：虚拟机之间相互隔离，从而提供较高的安全性
• 硬件无关性： 与封装性类似，虚拟机与物理环境解耦，从而提供了很高的灵活性和可维护性。

虚拟化漏洞

• 可虚拟化架构：并不是所有的CPU架构都是可虚拟化的。其中不可虚拟化的CPU架构就存在虚拟化漏洞。
• 在虚拟化环境中，VMM管理所有的硬件资源及特权操作。管理硬件资源和执行特权操作的指令称作敏感指令。在没有VMM之前，由操作系统来执行特权指令和操作硬件资源，在出现VMM之后，操作系统不再有执行敏感指令的权限，因此它的敏感指令必须能够自陷到特权级别被VMM截获，从而对其进行虚拟化。CPU一般都分为多个执行模式，所有敏感指令都能自陷到特权级别执行的架构称为可虚拟化架构。
• 不可虚拟化架构，则称为存在虚拟化漏洞。arm/arm64/x86架构都存在虚拟化漏洞。

辅助虚拟化

为了避免虚拟化漏洞，需要借助一些手段对虚拟化进行一些辅助，一般有两种方式：

• 软件辅助虚拟化：解释执行(二进制翻译)：这种效率较低。
• 硬件辅助虚拟化：Intel VT技术和AMD-V技术，arm64架构也支持硬件辅助虚拟化。KVM就是硬件辅助虚拟化技术。

arm64硬件辅助虚拟化架构

ARM64 CPU虚拟化

ARM64 CPU架构如图所示，里面包括了虚拟化支持，主要有一下特点：

• 增加了一个特权模式EL2。VMM运行在EL2层，guest os运行在EL1层，应用程序运行在EL0层。
• EL2的VMM负责管理硬件资源和调度虚拟机执行。
• 在EL2打开的模式下，EL1和EL0下的一些特权操作会陷入到EL2模式下(CPU自动检测)，VMM可以模拟这些特权操作骗过guest OS。
• 可以说EL2的出现主要是为了解决虚拟化漏洞，从而使ARM64编成可虚拟化架构。
• ARM64架构为一部分寄存器提供虚拟寄存器，guest os读取虚拟寄存器，从而加快虚拟机的切换过程。
• 中断路由，一个中断的目标可以配置为hypervisor或者current guest os或者not running gutest os。从而为中断虚拟化提供支持。
• HVC指令，增加了HVC指令，从而让guest os必要时可以主动的进入EL2执行，类似于系统调用。

ARM64内存虚拟化

• arm64在不考虑安全模式的情况下，存在三种内存地址转换方式：
  1. EL1 & EL0 VA --> PA :E1和EL0执行模式下的虚拟地址直接转换为物理地址。
  2. EL2 VA --> PA ：EL2下的虚拟地址转为为物理地址。
  3. EL1 & EL0 VA --stag1–> IPA --stag2–> PA：EL1/EL0下的虚拟地址转换为中间地址，中间地址再经过一次转换转为物理地址。
• 上述每个阶段都有单独的页表。
• 1中是在没有开启EL2模式的stag2转换时，host os(运行在EL1)执行的地址转换。
• 2是EL2下的VMM执行的地址转换。
• 3是开启虚拟机时的地址转换.分为两个阶段。stag1:guest os把进程的虚拟地址转换为IPA，stag2: VMM把IPA转换为真正的物理地址PA。这样，为guest os提供了虚假的物理内存，从而让guest os能够像管理物理内存一样管理自己的虚拟内存，从而骗过了guest os，同时真实的物理内存资源由VMM管理。

arm64 KVM

• ARM64下KVM虚拟化的系统的总体结构
  

• 其中hyperis(VMM)or由KVM + host Linux共同担任

• 在ARM 64下分为两种情况，根据CPU是否支持VHE特性：

  1. 如果CPU支持VHE特性，则Linux内核和KVM都在EL2执行，这样可以减少EL1和EL2之间模式切换的次数，性能更高。
  2. 在不支持VHE的CPU上(飞腾是这种情况)，KVM部分必须在EL2执行的代码(比如捕获guset OS退出异常)在EL2执行，其他的KVM代码和host Linux都在EL1模式执行，这样Hypervisor在进行资源管理和虚拟机调度时需要在EL1和EL2之间进行切换，效率比1要低。

• KVM虚拟化系统的执行流
  
          这张图是在网上找的图，非常形象的反应了KVM虚拟化系统的总体执行流程。

1. 当位于应用层的qemu创建好虚拟机，准备为虚拟机执行代码时，调用ioctl进入内存层的KVM，然后KVM负责从host切换到guest(VMEntry)模式执行虚拟机代码。
2. 虚拟机正常执行代码，当执行到敏感指令或者要进行IO操作时，会自陷到EL2模式，进入VMM，这就是VMEXIT。
3. kvm(VMM）处理guest的退出原因，比如模拟敏感指令，如果是IO操作，得进入用于层qemu就行设备模拟。
4. qemu模拟完IO操作再此ioctl进入kvm,如此循环执行。