Xen虚拟化技术(华中科技大学出版社计算机丛书)
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品牌: 石磊
基本信息·出版社：华中科技大学出版社
·页码：418 页
·出版日期：2009年
·ISBN：7560952038/9787560952031
·条形码：9787560952031
·包装版本：1版
·装帧：平装
·开本：16
·正文语种：中文
·丛书名：华中科技大学出版社计算机丛书
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内容简介《Xen虚拟化技术》主要讲述了：目前，无论是学术界还是工业界，虚拟化技术的研究和应用都是热点。在不断涌现出的虚拟化解决方案中，开源解决方案Xen以其独特的虚拟化设计模式，以及接近单机操作系统的性能被学术界和工业界广泛看好，被认为是未来最有前途的虚拟化解决方案之一。
《Xen虚拟化技术》以Xen 3.1.0源码为基础，以通过源码剖析原理的方式深入细致地分析了Xen的半虚拟化技术；着重介绍了在x86平台上Xen半虚拟化技术提供的用以控制和管理虚拟机的内核接口，以及相关的原理和操作应用，包括半虚拟化技术的基本机制和策略，Xen的子系统及与安全相关的应用模块。
（1）基本机制和策略，即Xen半虚拟化技术的3大核心机制：与虚拟机启动和管理相关的信息页机制，与虚拟机特权级控制和通信相关的超级调用和事件通道机制，以及与虚拟机数据共享和传输相关的授权表机制。
（2）虚拟化子系统，即CPU虚拟化子系统、内存虚拟化子系统及I/O设备虚拟化子系统。CPU虚拟化子系统主要包括虚拟CPU原理和结构、新架构下中断和异常处理机制的变化、时间和计时器相关操作，以及虚拟CPU的调度原理等；内存虚拟化子系统主要包括分页分段机制、内存分配和地址转换等；I/O设备虚拟化子系统主要包括分离驱动模型（前后端设备模型）、虚拟块设备和网络设备的基本原理机及相关操作等。
（3.）安全相关模块，包括两个模块：访问控制模块（ACM）和虚拟化可信平台模块（vTPM）。详细介绍各个模块的基本原理及相应的实现和使用方法。
（4）Xen前沿工作：对Xen全虚拟化技术的原理进行介绍，通过硬件虚拟化技术实现对Xen全虚拟化的支持，并以Intel VT技术为重点介绍硬件虚拟化的知识。
作者简介金海博士，华中科技大学教授、博士生导师，华中科技大学计算机学院院长，华中科技大学“服务计算技术与系统”教育部重点实验室暨“集群与网格计算”湖北省重点实验室主任。973计划“计算系统虚拟化基础理论与方法研究”首席科学家、教育部重大专项“中国教育科研网格计划ChinaGrid”专家组组长、863计划信息技术领域（高效能计算机及网格服务环境）重大／重点项目总体专家组成员、中国网格论坛执行委员及体系结构工作小组主席，教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队学术带头人、湖北省自然科学基金创新团队学术带头人。国家杰出青年基金获得者、霍英东高等院校青年教师基金获得者、首批新世纪百千万人才工程国家级人选。2003年获留学回国人员成就奖，2004年获中国软件行业十大杰出青年称号，第五届湖北省青年科技奖获得者，湖北省第六届十大杰出青年获得者。获国家科技进步二等奖1项、国家发明二等奖1项、教育部科技进步／技术发明一等奖3项、湖北省科技进步／技术发明一等奖2项、湖北省科技进步／技术发明二等奖1项、国家自然科学四等奖1项。在国内外正式发表学术论文300余篇，其中被SCI、EI等权威检索刊物收录160余篇次。获国家发明专利21项、申报国家发明专利45项，申报美国发明专利1项， 获国家软件著作权52项。IEEE及lEEE计算机学会高级会员、ACM会员，全球网格论坛指导委员会（GFSG）委员，多个国际学术期刊的编委。先后40余次担任国际学术会议／程序委员会主席／副主席、190余次担任国际学术会议学术委员会委员，并50余次在国际、国内学术会议上作大会主题演讲或特邀报告。
邹德清博士，副教授，华中科技大学计算机学院信息安全系副主任。当前正负责“服务计算技术与系统”教育部重点实验室暨“集群与网格计算”湖北省重点实验室的安全研究工作，以及华中科技大学计算机学院信息安全系的科研工作。涉及研究领域包括：虚拟化技术、系统安全、可信计算等。主持国家自然科学基金项目1项，作为主要成员参与了包括973项目、国家自然科学基金重大研究计划、国家杰出青年基金项目等多项重要课题的研发工作。发表论文40余篇，被SCI、EI索引20余篇。申请6项国家发明专利（已获得1项授权），获得5项软件著作版权。获1项教育部技术发明一等奖，1项湖北省科技进步一等奖，是教育部创新团队成员。承担了30余个国际学术会议的程序委员会主席／副主席／委员等职务，是4个国际杂志的专刊客座编委或编委会成员。
石磊硕士，2005年毕业于武汉大学国际软件学院，获得软件工程学士学位以及市场营销学士学位。2007年9月~2009年5月，在华中科技大学“服务计算技术与系统”教育部重点实验室暨“集群与网格计算”湖北省重点实验室从事研究工作，主攻虚拟化技术及虚拟化安全技术，2009年8月赴美留学。
编辑推荐《Xen虚拟化技术》特色内容
（1）综述虚拟化技术的发展历程实现层次及分类，详细分析x86架构下的虚拟化问题；
（2）分析Xen体系结构的设计理念，包括虚拟机管理器和不同类型的虚拟域；
（3）分析Xen采用的两种重要的共享信息页结构，包括启动信息页和共享信息页；
（4）分析从虚拟机到Xen的同步调用机制超级调用，以及从Xen到虚拟机的异步调用机制事件通道；
（5）分析Xen授权表机制，以及授权表在系统中的应用I／O环；
（6）分析与CPLJ虚拟化相关的机制和原理，包括在Xerl系统中中断和异常处理机制的变化、Xen和GuestOS的时间和计时器，以及相关操作、VCPU的设置和调度等：
（7）分析与内存虚拟化相关的机制和原理，包括Xen的分段、分页机制，以及对Guest OS内存空间的分配和管理等：
（8）分析与I／O设备虚拟化相关的机制和原理，包括设备虚拟模型、前后端设备分离驱动模型，以及两种应用虚拟块设备和虚拟网络设备：
（9）分析Xen相关安全机制，主要包括访问控制模块ACM及可信平台虚拟化模块vTPM；
（10）分析Xen硬件辅助虚拟化技术的基本原理，主要包括VMX指令集和VMCS数据结构。
目录
第1部分 Xen和虚拟化技术
第1章 概述
1.1 虚拟化技术
1.1.1 虚拟化技术的发展历史
1.1.2 虚拟化技术的实现层次及分类
1.1.3 虚拟机与虚拟机监视器
1.1.4 x86的虚拟化技术
1.2 Xen 虚拟机系统
1.2.1 x86架构的虚拟化
1.2.2 Xen的设计理念
1.2.3 Xen的发展历史
1.3 本章小结
第2章 Xen体系结构
2.1 Xen Hypervisor
2.1.1 基本概念
2.1.2 虚拟域（Domain）
2.1.3 控制面板
2.2 CPU虚拟化
2.2.1 半虚拟化
2.2.2 硬件虚拟化
2.3 内存虚拟化
2.4 I/O虚拟化
2.5 本章小结
第2部分 Xen基本机制和策略
第3章 Xen信息页
3.1 启动信息页
3.1.1 启动信息页的数据结构
3.1.2 结构体start-info成员字段说明
3.2 共享信息页
3.2.1 共享信息页的数据结构
3.2.2 结构体shared_info成员字段说明
3.3 本章小结
第4章 超级调用和事件通道
4.1 系统调用
4.1.1 系统调用的过程
4.1.2 系统调用的实现
4.2 超级调用
4.2.1 超级调用的实现方式
4.2.2 超级调用页
4.2.3 申请超级调用
4.3 事件通道
4.3.1 基本概念
4.3.2 事件通道的初始化
4.3.3 事件通道的操作
4.3.4 事件通道的使用
4.4 本章小结
第5章 授权表
5.1 共享内存
5.1.1 Linux中的共享内存
5.1.2 Xen中的共享内存
5.2 授权表
5.2.1 授权项
5.2.2 授权表的操作
5.3 页面映射
5.3.1 页面映射操作
5.3.2 撤销映射操作
5.4 页面传递
5.4.1 页面传递操作
5.4.2 内存拷贝操作
5.5 授权表的使用
5.5.1 授权引用操作
5.5.2 设备驱动gntdev
5.6 本章小结
第3部分 Xen子系统
第6章 CPU虚拟化
6.1 中断和异常的处理
6.1.1 基本知识
6.1.2 物理中断处理
6.1.3 虚拟中断处理
6.1.4 异常处理
6.2 时间和计时器
6.2.1 时间
6.2.2 计时器
6.2.3 时间和计时器操作
6.3 VCPU设置
6.3.1 VCPU数据结构
6.3.2 VCPU初始化
6.3.3 VCPU操作
6.4 VCPU调度
6.4.1 调度器
6.4.2 调度处理
6.5 本章小结
第7章 内存虚拟化
7.1 内存寻址
7.1.1 80386的分段机制
7.1.2 Xen的分段机制
7.1.3 80386的分页机制
7.1.4 Xen的分页机制
7.2 内存分配
7.2.1 Xen的内存分配
7.2.2 Guest OS的物理内存
7.2.3 物理内存管理
7.3 虚拟地址转换
7.3.1 直接模式
7.3.2 页表更新
7.3.3 可写页表
7.4 本章小结
第8章 I/O设备虚拟化
8.1 设备虚拟化的三种模型
8.1.1 仿真设备模型
8.1.2 直接分配设备模型
8.1.3 虚拟设备模型
8.2 虚拟设备模型及其相关机制
8.3 隔离驱动域
8.4 设备I/O环
8.4.1 设备I/O环的基本原理
8.4.2 设备I/O环的实现方式
8.4.3 设备I/O环的实例——块设备的I/O环
8.5 Xenstore和Xenbus
8.5.1 Xenstore简介
8.5.2 Xenstore的实现原理
8.5.3 Xenbus简介
8.5.4 Xenbus的实现原理
8.6 虚拟块设备
8.6.1 虚拟块设备I/O环
8.6.2 虚拟块设备的初始化
8.7 虚拟网络设备
8.7.1 虚拟网络设备简介
8.7.2 虚拟网络设备的实现原理
8.7.3 虚拟网络设备的数据传输流程
8.8 本章小结
第4部分 Xen安全机制
第9章 Xen访问控制模块
9.1 ACM模块总体介绍
9.1.1 ACM模块架构
9.1.2 ACM模块的常用功能
9.1.3 ACM模块的编译
9.2 策略文档的编译与装载
9.2.1 策略文档的格式
9.2.2 策略文档的编译
9.2.3 策略文档的装载
9.3 ACM模块分析
9.3.1 ACM模块的Hooks函数及其接口函数
9.3.2 中国墙策略实现分析
9.3.3 STE策略实现分析
9.4 ACM模块实际操作示例
9.5 本章小结
第10章 可信平台模块虚拟化
10.1 可信计算
10.1.1 可信的定义
10.1.2 可信平台
10.1.3 可信平台模块
10.2 虚拟化可信平台模块（vTPM）
10.2.1 vTPM的设计
10.2.2 vTPM的实现
10.2.3 vTPM的使用
10.3 本章小结
第5部分 Xen展望
第11章 硬件虚拟化
11.1 特权级环
11.2 VMX和VMCS
11.2.1 VMX
11.2.2 VMCS
11.3 HVM中的其他机制
11.4 本章小结
附录 名词解释
参考文献
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序言当前，计算系统的资源规模不断扩展，处理能力快速增强，资源种类日益丰富，应用需求也灵活多样。虚拟化技术能够动态组织多种计算资源，实现透明化的可伸缩计算系统架构，从而可以灵活构建满足多种应用需求的计算环境，提高计算资源的使用效率。
计算机世界里，“虚拟化”无处不在。从最早的内存虚拟化到存储虚拟化，以及近年来大行其道的资源虚拟化和网格计算。特别是多核／众核技术和系统级虚拟化技术的出现，使得具体的硬件体系结构和软件系统之间的紧密依赖关系得以有效隔离。在各种不同的虚拟化解决方案中，虚拟化软件Xen无疑是佼佼者。Xen是剑桥大学教授Ian Pratt等开发的一个开源的虚拟机项目，其性能接近单机操作系统的性能。由于其具有优越的性能和开源性，所以被业界广泛看好，被认为是未来最有前途的虚拟化解决方案之一。
本书从Xen的体系结构出发，结合Xen 3.1.0源码，对Xen的半虚拟化技术进行了深入细致的分析和研究。根据Xen的技术特点，着重介绍Xen提供的用以控制和管理虚拟机的内核接口，以及相关的原理和操作应用，并详细讨论了Xen的基本机制和策略，核心子系统及安全应用模块。对。Xen相关的核心技术和功能进行了较为细致和详尽的分析和说明，旨在使读者能够在尽量短的时间内对Xen的内部工作原理和机制获得较为全面的理解，为进一步研究Xen打下较为坚实的基础，希望能为国内虚拟化技术的研发做些铺路的工作。同时，作为第一本以“Xen源码分析”为主旨的书，能够为未来同类型的著作起到抛砖引玉的作用。
本书和通常的源码分析的书有所不同，在清晰介绍原理的基础上，辅以源码分析。由于Xen本身是一个复杂系统，因此，本书仅摘取其中的关键代码进行分析，并给出注释，力图达到纲举目张的效果。同时，单独开辟了一章专门介绍全虚拟化技术的基本原理，并阐述了必要的数据结构和接口函数。在章节安排上，本书先总体上介绍虚拟化技术和Xen体系架构，接着介绍Xen的基本机制和策略，以及三个关键子系统，然后针对Xen的内部安全模块进行分析，最后针对Xen全虚拟化技术进行介绍。
文摘这就意味着，不需要对敏感和特权指令进行翻译或者修改Guest OS的内核，VMM也能够很轻松地完成对CPU虚拟化的工作。硬件虚拟化提供了全新的架构，简化了VMM的设计和实现，并提升了其对虚拟机的掌控灵活度和力度，相比VMware那样的纯软件虚拟实现方法会在很大程度上提高性能。
同时，在硬件虚拟化的帮助下，半虚拟化VMM也能够运行不改动内核的OS，使得VMM能够同时支持两种不同的虚拟机架构，这大大加快了半虚拟化技术的发展。而Xen无疑是其中最大的受益者。
2）内存虚拟化
在CPU虚拟化之后，下一个关键是内存虚拟化。由于内存是虚拟机最频繁访问的设备之一，内存虚拟化的效率将对虚拟机的性能产生重大影响；而现代计算机通常都采用段页式存储管理、多级页表等复杂的存储体系结构，又给高性能内存虚拟化的设计带来了很大挑战。
VMM通常采用分块共享的思想来虚拟计算机的物理内存。也就是说，VMM需要将机器的内存分配给各个虚拟机，并维护机器内存和虚拟机所见到的“物理内存”的映射关系，使得这些内存在虚拟机看来是一段从地址O开始的、连续的“物理”地址空间。为此，在操作系统原来的机器地址和虚拟地址之间新增加了一个内存虚拟化层，用来表示这一段连续的“物理”地址空间，如图1-8所示。内存地址的层次由两层向三层的转变使得原来的内存管理单元（Memory Management Unit，MMU）失去了作用，因为普通的MMU只能完成一次虚拟地址到物理地址的映射，但在虚拟机环境下，经过MMU转换所得到的“物理地址”已不是真正硬件的机器地址。如果需要得到真正的物理地址，必须由VMM介入，经过再一次映射才能得到总线上使用的机器地址。
