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第1章 开篇1

1.1形形色色的虚拟化2

1.2系统虚拟化3

1.3系统虚拟化简史5

1.4系统虚拟化的好处9

第2章 x86架构及操作系统概述12

2.1x86的历史和操作系统概要12

2.1.1x86的历史12

2.1.2操作系统概述13

2.2x86内存架构13

2.2.1地址空间13

2.2.2地址14

2.2.3x86内存管理机制15

2.3x86架构的基本运行环境23

2.3.1三种基本模式23

2.3.2基本寄存器组23

2.3.3权限控制24

2.4中断与异常25

2.4.1中断架构25

2.4.2异常架构29

2.4.3操作系统对中断/异常的处理流程30

2.5进程30

2.5.1上下文31

2.5.2上下文切换32

2.6I/O架构33

2.6.1x86的I/O架构33

2.6.2DMA33

2.6.3PCI设备34

2.6.4PCI Express38

2.7时钟39

2.7.1x86平台的常用时钟40

2.7.2操作系统的时钟观41

第3章 虚拟化概述42

3.1可虚拟化架构与不可虚拟化架构42

3.2处理器虚拟化44

3.2.1指令的模拟44

3.2.2中断和异常的模拟及注入47

3.2.3对称多处理器技术的模拟48

3.3内存虚拟化51

3.4I/O虚拟化55

3.4.1概述55

3.4.2设备发现56

3.4.3访问截获57

3.4.4设备模拟58

3.4.5设备共享60

3.5VMM的功能和组成60

3.5.1虚拟环境的管理61

3.5.2物理资源的管理62

3.5.3其他模块63

3.6VMM的分类63

3.6.1按虚拟平台分类63

3.6.2按VMM实现结构分类65

3.7典型虚拟化产品及其特点68

3.7.1VMware68

3.7.2Microsoft69

3.7.3Xen70

3.7.4KVM72

3.8思考题72

第4章 基于软件的完全虚拟化74

4.1概述74

4.2CPU虚拟化74

4.2.1解释执行75

4.2.2扫描与修补76

4.2.3二进制代码翻译79

4.3内存虚拟化84

4.3.1概述85

4.3.2影子页表85

4.3.3内存虚拟化的优化93

4.4I/O虚拟化95

4.4.1设备模型95

4.4.2设备模型的软件接口97

4.4.3接口拦截和模拟98

4.4.4功能实现101

4.4.5案例分析：IDE的DMA操作102

4.5思考题103

第5章 硬件辅助虚拟化104

5.1概述104

5.2CPU虚拟化的硬件支持105

5.2.1概述105

5.2.2VMCS107

5.2.3VMX操作模式109

5.2.4VM-Entry/VM-Exit110

5.2.5VM-Exit112

5.3CPU虚拟化的实现116

5.3.1概述116

5.3.2VCPU的创建117

5.3.3VCPU的运行118

5.3.4VCPU的退出123

5.3.5VCPU的再运行125

5.3.6进阶126

5.4中断虚拟化128

5.4.1概述128

5.4.2虚拟PIC129

5.4.3虚拟I/O APIC130

5.4.4虚拟Local APIC131

5.4.5中断采集131

5.4.6中断注入132

5.4.7案例分析133

5.5内存虚拟化135

5.5.1概述135

5.5.2EPT136

5.5.3VPID139

5.6I/O虚拟化的硬件支持140

5.6.1概述140

5.6.2VT-d技术141

5.7I/O虚拟化的实现147

5.7.1概述147

5.7.2设备直接分配147

5.7.3设备I/O地址空间的访问148

5.7.4设备发现149

5.7.5配置DMA重映射数据结构149

5.7.6设备中断虚拟化150

5.7.7案例分析：网卡的直接分配在Xen里面的实现150

5.7.8进阶151

5.8时间虚拟化151

5.8.1操作系统的时间概念151

5.8.2客户机的时间概念152

5.8.3时钟设备仿真153

5.8.4实现客户机时间概念的一种方法154

5.8.5实现客户机时间概念的另一种方法155

5.8.6如何满足客户机时间不等于实际时间的需求156

5.9思考题157

第6章 类虚拟化技术158

6.1概述159

6.1.1类虚拟化的由来159

6.1.2类虚拟化的系统实现160

6.1.3类虚拟化接口的标准化161

6.2类虚拟化体系结构162

6.2.1指令集162

6.2.2外部中断163

6.2.3物理内存空间164

6.2.4虚拟内存空间165

6.2.5内存管理165

6.2.6I/O子系统166

6.2.7时间与时钟服务167

6.3Xen的原理与实现167

6.3.1超调用167

6.3.2虚拟机与Xen的信息共享168

6.3.3内存管理168

6.3.4页表虚拟化169

6.3.5事件通道171

6.3.6授权表172

6.3.7I/O系统172

6.3.8实例分析：块设备虚拟化175

6.4XenLinux的运行176

6.5思考题177

第7章 虚拟环境性能和优化178

7.1性能评测指标178

7.2性能评测工具179

7.2.1重用操作系统的性能评测工具179

7.2.2面向虚拟环境的性能评测工具180

7.3性能分析工具181

7.3.1Xenoprof182

7.3.2Xentrace184

7.3.3Xentop185

7.4性能优化方法185

7.4.1降低客户机退出事件发生频率185

7.4.2降低客户机退出事件处理时间186

7.4.3降低处理器利用率187

7.5性能分析案例187

7.5.1案例分析：Xenoprof187

7.5.2案例分析：Xentrace189

7.6可扩展性192

7.6.1宿主机的可扩展性192

7.6.2客户机的可扩展性193

7.7思考题194

第8章 虚拟化技术的应用模式195

8.1常用技术介绍195

8.1.1虚拟机的动态迁移195

8.1.2虚拟机快照196

8.1.3虚拟机的克隆197

8.1.4案例分析：VMware VMotion和VMware快照197

8.2服务器整合200

8.2.1服务器整合技术200

8.2.2案例分析：VMware Infrastructure3201

8.3灾难恢复202

8.3.1灾难恢复与虚拟化技术202

8.3.2案例分析：VMware Infrastructure3203

8.4改善系统可用性203

8.4.1可用性的含义203

8.4.2虚拟化技术如何提高可用性204

8.4.3虚拟化技术带来的新契机204

8.4.4案例分析：VMware HA和LUCOS205

8.5动态负载均衡206

8.5.1动态负载均衡的含义206

8.5.2案例分析：VMware DRS206

8.6增强系统可维护性207

8.6.1可维护性的含义207

8.6.2案例分析：VMware VirtualCenter208

8.7增强系统安全与可信任性208

8.7.1安全与可信任性的含义208

8.7.2虚拟化技术如何提高系统安全209

8.7.3虚拟化技术如何提高可信任性210

8.7.4案例分析：sHyper、VMware Infrastructure3和CoVirt210

8.8Virtual Appliance211

第9章 前沿虚拟化技术213

9.1基于容器的虚拟化技术213

9.1.1容器技术的基本概念和发展背景214

9.1.2基于容器的虚拟化技术216

9.2系统安全219

9.2.1基于虚拟化技术的恶意软件219

9.2.2虚拟机监控器的安全性221

9.3系统标准化224

9.3.1开放虚拟机格式224

9.3.2虚拟化的可管理性225

9.3.3虚拟机互操作性标准226

9.4电源管理227

9.5智能设备228

9.5.1多队列网卡229

9.5.2SR-IOV229

9.5.3其他231

索引233

参考文献237