如何理解Linux中Xen的奇異架構(gòu)

如何理解Linux中Xen的奇異架構(gòu)，針對(duì)這個(gè)問題，這篇文章詳細(xì)介紹了相對(duì)應(yīng)的分析和解答，希望可以幫助更多想解決這個(gè)問題的小伙伴找到更簡(jiǎn)單易行的方法。

　　這一篇我要體驗(yàn)的虛擬機(jī)系統(tǒng)是Xen。在虛擬機(jī)領(lǐng)域，Xen具有非常高的知名度，其名字經(jīng)常在各類文章中出現(xiàn)。同時(shí)Xen也具有非常高的難度，別說玩轉(zhuǎn)，就算僅僅只是理解它，都不是那么容易。之所以如此，那是因?yàn)閄en采用了和我前面介紹的那幾個(gè)虛擬機(jī)完全不同的架構(gòu)。在這里，我稱之為令人腦洞大開的奇異架構(gòu)。

　　比如說在經(jīng)典的虛擬機(jī)架構(gòu)中，虛擬機(jī)軟件運(yùn)行于Host System之中，而Guest System運(yùn)行于虛擬機(jī)軟件之中。為了提高Guest System的運(yùn)行速度，虛擬機(jī)軟件一般會(huì)在Host System中使用內(nèi)核模塊開一個(gè)洞，將Guest System的運(yùn)行指令直接映射到物理硬件上。但是在Xen中，則根本沒有Host System的概念，傳說它所有的虛擬機(jī)都直接運(yùn)行于硬件之上，虛擬機(jī)運(yùn)行的效率非常的高，虛擬機(jī)之間的隔離性非常的好。

　　當(dāng)然，傳說只是傳說。我剛開始也是很納悶，怎么可能讓所有的虛擬機(jī)都直接運(yùn)行于硬件之上。后來我終于知道，這只是一個(gè)噱頭。虛擬機(jī)和硬件之間，還是有一個(gè)管理層的，那就是Xen Hypervisor。當(dāng)然Xen Hypervisor的功能畢竟是有限的，怎么樣它也比不上一個(gè)操作系統(tǒng)，因此，在Xen Hypervisor上運(yùn)行的虛擬機(jī)中，有一個(gè)虛擬機(jī)是具有特權(quán)的，它稱之為Domain 0，而其它的虛擬機(jī)都稱之為Domain U。

　　Xen的架構(gòu)如下圖：

從圖中可以看出，Xen虛擬機(jī)架構(gòu)中沒有Host System，在硬件層之上是薄薄的一層Xen Hypervisor，在這之上就是各個(gè)虛擬機(jī)了，沒有Host System，只有Domain 0，而Guest System都是Domain U，不管是Domain 0還是Domain U，都是虛擬機(jī)，都是被虛擬機(jī)軟件管理的對(duì)象。

　　既然Domain 0也是一個(gè)虛擬機(jī)，也是被管理的對(duì)象，所以可以給它分配很少的資源，然后將其余的資源公平地分配到其它的Domain。但是很奇怪的是，所有的虛擬機(jī)管理軟件其實(shí)都是運(yùn)行在這個(gè)Domain 0中的。同時(shí)，如果要連接到其它Guest System的控制臺(tái)，而又不是使用遠(yuǎn)程桌面（VNC）的話，這些控制臺(tái)也是顯示在Domian 0中的。所以說，這是一個(gè)奇異的架構(gòu)，是一個(gè)讓人很不容易理解的架構(gòu)。

　　這種架構(gòu)桌面用戶不喜歡，因?yàn)镠ost System變成了Domain 0，本來應(yīng)該掌控所有資源的主操作系統(tǒng)變成了一個(gè)受管理的虛擬機(jī)，本來用來打游戲、編程、聊天的主戰(zhàn)場(chǎng)受到限制了，可能不能完全發(fā)揮硬件的性能了，還有可能運(yùn)行不穩(wěn)定了，自然會(huì)心里不爽。（Domain 0確實(shí)不能安裝專用顯卡驅(qū)動(dòng)，確實(shí)會(huì)運(yùn)行不穩(wěn)定，這個(gè)后面會(huì)講。）但是企業(yè)級(jí)用戶喜歡，因?yàn)樗械腄omain都是虛擬機(jī)，所以可以更加公平地分配資源，而且由于Domain U不再是運(yùn)行于Domian 0里面的軟件，而是和Domain 0平級(jí)的系統(tǒng)，這樣即使Domain 0崩潰了，也不會(huì)影響到正在運(yùn)行的Domain U。（真的不會(huì)有絲毫影響嗎？我表示懷疑。）

　　下面開始在Ubuntu系統(tǒng)中體驗(yàn)Xen。使用如下命令可以在Ubuntu的軟件源中搜索和Xen相關(guān)的軟件包以及安裝Xen Hypervisor：

代碼如下:

sudo aptitude search xensudo aptitude install xen-hypervisor-4.4-amd64

　　傳說在舊版本的Xen Hypervisor上只能運(yùn)行經(jīng)過修改過的Linux內(nèi)核。但是在目前的版本中不存在該問題。我機(jī)器上的Ubuntu 14.10系統(tǒng)不經(jīng)任何修改，就可以當(dāng)成Domain 0中的系統(tǒng)運(yùn)行。至于是否讓該系統(tǒng)運(yùn)行于Xen Hypervisor上，在啟動(dòng)時(shí)可以選擇，如下圖：

　　通過查看Grub的配置文件，可以看到通過Xen虛擬機(jī)啟動(dòng)Ubuntu系統(tǒng)時(shí)，Grub先啟動(dòng)的是/boot/xen-4.4-amd64.gz，然后才把Linux內(nèi)核以及initrd文件作為模塊載入內(nèi)存。也就是說，Grub啟動(dòng)Xen Hypervisor，然后Xen Hypervisor運(yùn)行Domian 0。

　　前面提到Host System一下子變成了Domain 0中的操作系統(tǒng)是讓桌面用戶比較不爽的事，這里詳細(xì)論述。雖然說目前的Xen同時(shí)支持全虛擬化和半虛擬化，支持操作系統(tǒng)不經(jīng)任何修改就運(yùn)行于Xen虛擬機(jī)上（全虛擬），但是系統(tǒng)是否穩(wěn)定還是和內(nèi)核有很大關(guān)系的。比如說我在Ubuntu 14.04剛推出的那段時(shí)間，在Ubuntu 14.04中使用Xen是沒有什么問題的，但是經(jīng)過幾次系統(tǒng)升級(jí)后，Xen就出問題了，沒辦法成功進(jìn)入Domain 0中的Ubuntu 14.04?，F(xiàn)在我用的是Ubuntu 14.10，已經(jīng)升過好幾次級(jí)了，目前使用Xen還是很穩(wěn)定的。其次就是顯卡驅(qū)動(dòng)的問題，我的Ubuntu當(dāng)主系統(tǒng)用時(shí)，使用的是NVIDIA的顯卡驅(qū)動(dòng)，但是當(dāng)Ubuntu運(yùn)行于Domain 0中時(shí)，就不能使用NVIDIA的顯卡驅(qū)動(dòng)了，否則無法進(jìn)入圖形界面。

　　下面來測(cè)試一下Xen虛擬機(jī)的運(yùn)行效果。通過前文的探討，可以看出一個(gè)虛擬機(jī)的運(yùn)行需要兩個(gè)要素：一是一套虛擬的硬件系統(tǒng)，二是一個(gè)包含了操作系統(tǒng)的磁盤鏡像。QEMU虛擬機(jī)關(guān)于硬件的配置全由命令行指定，VirtualBox虛擬機(jī)的硬件配置存在于配置文件中，而Xen呢，它也存在于配置文件中，這個(gè)配置文件要我們自己寫。至于磁盤鏡像，還是復(fù)用我之前創(chuàng)建的那個(gè)WinXP.img吧，記住，它是qcow2格式的。

　　先進(jìn)入我主目錄的virtual-os目錄，ls 看一下，里面有我之前創(chuàng)建的WinXP.img。然后，我們創(chuàng)建一個(gè)WinXP_Xen.hvm配置文件，其內(nèi)容如下：

代碼如下:

builder = "hvm"
name = "WinXP_Xen.hvm"
memory = 2048
vcpus = 2
disk = [ '/home/youxia/virtual-os/WinXP.img, qcow2, hda, rw' ]
sdl = 1

　　這段配置文件很簡(jiǎn)單，也很容易懂。 hvm 代表這是一個(gè)全虛擬化的虛擬機(jī)，和全虛擬化相對(duì)的是半虛擬化，半虛擬化只能運(yùn)行經(jīng)過修改的內(nèi)核，但是可以獲得更高的性能。為該虛擬機(jī)分配2個(gè)CPU和2G內(nèi)存，并指定硬盤鏡像文件。最后一個(gè) sdl=1 表示使用SDL圖形庫(kù)顯示虛擬操作系統(tǒng)的界面，如果不想用SDL，也可以寫成 vnc=1，這樣需要使用 vncviewer 才能連接到虛擬機(jī)操作系統(tǒng)的桌面。

　　至于Xen的配置文件怎么寫，管理命令怎么用，這個(gè)必須得有學(xué)習(xí)資料。通過 man xl 和 man xl.cfg 查看手冊(cè)頁(yè)是可以的，但是最全面的資料還是在Xen的官網(wǎng) http://www.xenproject.org 上。

　　使用 sudo xl list 命令可以看到系統(tǒng)中只有一個(gè)Domain 0在運(yùn)行，然后使用 sudo xl create -c WinXP_Xen.hvm 即可運(yùn)行一個(gè)Domian U虛擬機(jī)，該虛擬機(jī)使用WinXP_Xen.hvm配置文件。 xl 命令的 -c 選項(xiàng)表示把Domain U的控制臺(tái)顯示在Domain 0中，如果不用 -c 選項(xiàng)而使用 -V 選項(xiàng)，則創(chuàng)建虛擬機(jī)后使用 vncviewer 進(jìn)行連接。新建的虛擬機(jī)運(yùn)行起來后，再次使用 sudo xl list 命令，可以看到除了Domain 0，還多了一個(gè)名稱為“WinXP_Xen.hvm”的虛擬機(jī)。運(yùn)行效果如下圖：

　　關(guān)于Xen更多更高級(jí)的功能，比如動(dòng)態(tài)遷移什么的，我這里就不試了。至于說到Xen虛擬機(jī)的隔離性，如果一個(gè)Domain U崩潰了，肯定是不會(huì)影響到Domain 0和其它Domain U的，但是如果Domain 0崩潰了，Domain U真的不會(huì)受到任何影響嗎？Domain 0崩潰了怎么重啟它呢？這都是我沒想明白的問題。在折騰Xen的過程中，我曾多次重啟過機(jī)器，重啟后一看，WinXP_Xen.hvm還在繼續(xù)運(yùn)行，似乎是沒有受到Domain 0的影響，但是我就想，我機(jī)器都重啟了，電源都斷了，Domain U它真的能絲毫不受影響嗎？

總結(jié)：

　　1.Xen虛擬機(jī)不應(yīng)該是桌面用戶的首選，因?yàn)樗軜?gòu)比較奇異不容易理解，可能因內(nèi)核升級(jí)而出現(xiàn)不穩(wěn)定，不能充分發(fā)揮桌面硬件的性能，比如顯卡；桌面用戶還是應(yīng)該首選VirtualBox。

　　2.企業(yè)及客戶可以考慮Xen，因?yàn)樗梢蕴峁┹^好的性能和隔離性，企業(yè)級(jí)用戶不需要桌面用戶那么多的功能，所以可以把Domain 0做到很薄，可以完全不要圖形界面，也不用經(jīng)常升級(jí)內(nèi)核，甚至可以選擇一個(gè)經(jīng)過修改優(yōu)化的內(nèi)核，這樣就可以在一套硬件上運(yùn)行盡可能多的虛擬機(jī)。

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