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Intel 虚拟化技术参考

简介

VT，就是虚拟化技术（Virtualization Technology）的缩写。Intel VT就是指Intel的虚拟化技术。这种技术简单来说就是可以让一个CPU工作起来就像多个CPU并行运行，从而使得在一台电脑内可以同时运行多个操作系统。只有部分Intel 的CPU才支持这种技术。

技术对比

IntelVT虚拟化技术和多任务（Multitasking）、Hyper-Threading超线程技术是完全不同的。多任务是指在一个操作系统中多个程序同时并行运行，而在虚拟化技术中，你可以拥有多个独立的操作系统同时运行，每一个操作系统中都有多个程序运行，每一个操作系统都运行在一个虚拟的CPU或虚拟主机（虚拟机）上。而Hyper-Threading超线程只是在SMP系统（SymmetricMultiProcessing）中单CPU模拟双CPU来平衡程序运行性能，这两个模拟出来的CPU是不能分离的，只能协同工作。

当然了，如果一个CPU同时支持Hyper-Threading和虚拟化技术的话，每一个虚拟CPU在各自的操作系统中都被看成是两个对称多任务处理的CPU。

技术发展

最早出现

虚拟化技术可能让人联想到早期IntelCPU上的“Virtual8086”技术，这种V86模式技术是用来兼容早期的8086/8088处理器而设计的，最早出现386机器上。使用V86模式你可以创建好几个并行虚拟8086计算机来运行多个DOS程序.同样道理，使用VT技术你也可以创建几个完整的虚拟机来运行几个完整的操作系统。

改进原因

可是既然已经有VMware这类可以达到虚拟目的的软件，为什么还要努力来实现硬件CPU内部的虚拟化技术呢？这是因为硬件CPU的虚拟化技术有许多优势。支持虚拟化技术的CPU带有多余的指令集来控制虚拟过程，通过这些指令集，控制软件VMM（VirtualMachineMonitor）会很容易提高性能，相比纯软件的虚拟化实现方式，会在很大程度上提高性能。

IntelVT虚拟化技术的实施需要处理器、芯片组、BIOS、VMM软件的同时支持，这些特定的硬件、软件必须全部到位。性能要视不同的硬件、软件而定。支持Intel虚拟化技术的VMM（Hypervisor）已有开源项目和版本，并在持续优化中，某些厂商也已推出了成熟的商用版本。Intel将硬件辅助虚拟化集成到主要的服务器组件中，帮助IT机构在每台服务器上整合更多的应用和更繁重的工作负载，从而进一步提高灵活性、可靠性并降低总体拥有成本TCO（TotalCostofOwnership）。

核心技术

IntelVT虚拟化技术包括分别针对处理器、芯片组、网络的IntelVT-x、IntelVT-d和IntelVT-c技术：

1． Intel VT-x技术：增强处理器的VT虚拟化技术，包括IntelVTFlexPriority、IntelVTFlexMigration（Intel虚拟化灵活迁移技术）、ExtendedPageTables（IntelVT扩展页表）。

IntelVT-x可以让一个CPU工作起来像多个CPU在并行运行，从而使得在一台物理服务器内可以同时运行多个操作系统。能够降低（甚至消除）多个虚拟机操作系统之间的资源争夺和限制，从硬件上极大地改善虚拟机的安全性和性能，有助于提高基于软件的虚拟化解决方案的灵活性与稳定性。IntelVT-x技术可以消除VMM（VirtualMachineMonitor虚拟机监视器）参与虚拟机“中断”请求的处理与特定指令的执行，这样VMM操作和控制虚拟机时，将更加快速、可靠和安全。

此外，IntelVT-x具备的虚拟机迁移特性还可为IT投资提供有力保护，并进一步提高故障切换、负载均衡、灾难恢复和维护的灵活性。

IntelVTFlexPriority（灵活优先级）：当处理器执行任务时，往往会收到其它设备或应用发出的请求或“中断”命令。为了最大程度减少对性能的影响，处理器内的一个寄存器专用来监控任务优先级，只有优先级高于当前运行任务的请求或“中断”才被及时处理。

IntelVTFlexMigration（灵活迁移）：虚拟化能够在无需停机的情况下，将运行中的虚拟机在物理服务器之间进行迁移。借助此项技术，管理程序能够在迁移池内的所有服务器中建立一套一致的指令，实现工作负载的无缝迁移。需注意的是，在不同厂商、不同型号的处理器之间迁移，可能由于指令集不同而出现故障或问题。

ExtendedPageTables（扩展页表）：为了降低实现内存虚拟化的难度和提升内存虚拟化的性能，ExtendedPageTables直接在硬件上支持虚拟机内存的逻辑地址->虚拟机内存的物理地址->物理服务器内存的物理地址的两次转换。

IntelVT-x已经扩展到了Intel多个产品系列中，包括Pentium、Celeron、Corei3、Corei5、Corei7、Core2Duo、CoreSolo、Core2Extreme、Core2Quad、Xeon、Quark、Atom、Itanium。

2． Intel VT-d技术：支持直接I/O访问的IntelVT虚拟化技术。

如果每台服务器上部署更多的虚拟机，虚拟机数据进出系统的I/O流量就会增加并且更趋复杂。如果没有硬件支持，VMM必须直接参与每项I/O操作，不仅会减缓数据传输速度，还会由于VMM的频繁活动而增大服务器处理器的负载。这就如同在一个繁忙的停车场，每位车主都不得不通过独一的进出口，并且只由独一的门卫放行。这样不仅会耽误车主的时间，也会使门卫工作紧张无法处理其他事务。英特尔芯片组的IntelVT-d技术可以出色地解决上述问题。

IntelVT-d通过VMM将特定I/O设备安全分配给特定虚拟机来实现，从而减少VMM参与管理I/O流量的工作，不但加速了数据传输，而且消除了大部分的性能开销。每个I/O设备在系统内存中都有一个专用区域，只有该I/O设备及分配到该设备的虚拟机才能对该内存区域进行访问。

VMM完成初始分配之后，数据即可直接在虚拟机与为其分配的I/O设备之间进行传输。这样，就加快了I/O的流动，减少VMM活动及服务器处理器的负载。此外，由于特定设备或虚拟机的I/O数据内存区不能被其它硬件或虚拟机访问，系统的安全性与可用性也得到了增强。

3． Intel VT-c技术：支持网络连接的Intel虚拟化技术，包括虚拟机设备队列（VMDq）、虚拟机直接互连（VMDc）。

随着企业在虚拟化环境中部署越来越多的应用，并利用实时迁移来均衡负载或提升可用性，对虚拟化I/O设备的要求也在显著提高。通过将广泛的硬件辅助特性集成到I/O设备（该设备用于保持服务器与数据中心网络、存储基础设施及其它外部设备的连接）中，IntelVT-c可针对虚拟化进一步优化网络。这套技术组合的功能与邮局非常相似：将收到的信件、包裹分门别类，然后投递到各自的目的地。IntelVT-c在专用网络芯片上执行这些功能，大幅提高了交付速度，减少了VMM与服务器处理器的负载。IntelVT-c包括以下两项关键技术（当前所有的英特尔万兆服务器网卡及千兆服务器网卡均支持）。

虚拟机设备队列（VMDq）：最大限度提高I/O吞吐率。在传统服务器虚拟化环境中，VMM必须对每个单独的数据包进行分类，并将其发送到相应的虚拟机。这样会占用大量的处理器周期。而借助VMDq，该分类功能可由英特尔服务器网卡内的专用硬件来执行，VMM只需负责将预分类的数据包组发送到相应的虚拟机。这将降低I/O延迟，使处理器获得更多的可用周期来处理业务应用。IntelVT-c可将I/O吞吐量提高一倍以上，使虚拟化应用达到接近物理服务器的吞吐率。

虚拟机直接互连（VMDc）：大幅提升虚拟化性能。VMDc支持虚拟机直接访问网络I/O硬件，从而显著提升虚拟机性能。如：通过单个英特尔万兆服务器网卡，可为10个虚拟机中的每个虚拟机分配一个受保护的、1Gb/s的专用链路。这些通信链路直接绕过了VMM交换机，进一步提升了I/O性能并减少服务器处理器的负载。