云与虚拟化云计算模式( 二 ) 简介：内存虚拟化相比裸机

文章图片

文章图片
由于影子页表管理的是GVA到HPA的直接映射， SPT地址转换路径与物理机路径相当，直接查询一层页表就可以完成地址转换。在使用4级页表时，转换过程如下图所示。

文章图片

文章图片

文章图片

文章图片
优势：SPT地址转换过程的开销低，与物理机相当。
劣势：
1）地址转换关系的建立开销很大，为保证地址转换的合法性，所有的转换关系建立，即虚拟机进程的页表修改，都会被拦截之后陷出到特权的VMM中代为执行；
2）影子页表本身需要占用内存，且一个影子页表只对应虚拟机内一个进程，整体会占用较多内存资源。
EPT：后来的硬件针对虚拟化增加了嵌套页表的支持，使得硬件可以自动完成两层页表转换。EPT即是基于硬件支持的方案，在管理GVA到GPA的虚拟机页表基础上，新增扩展页表管理GPA到HPA的映射，如下图所示。这两层页表相互独立，两层映射关系转换都由硬件自动完成。

文章图片

文章图片
由于虚拟机内各级页表（gL4,gL3,gL2,gL1）内容只是GPA ，查询下一级时必须先经扩展页表（nL4,nL3,nL2,nL1）转换为HPA ，使得整个转换路径很长。在两层页表均为4级时，转换过程如下图所示。

文章图片

文章图片
优势：地址转换关系的建立开销低，独立的EPT页表的存在保证了地址转换的合法性，因此虚拟机的页表可以自行修改而无需VMM的干预。
劣势：转换过程的开销很大，最坏情况下需要24（4+4+4*4）次硬件查表转换。
两种经典的方案在安全上都有坚实的保证，但在性能上各有缺陷。SPT为保证地址转换的合法性在建立转换关系时付出了很大代价，而EPT虽然消除了建立转换关系的开销，转换路径却更长了。其他探索
业界和学术界关于内存虚拟化还有很多的探索，基本思想与SPT或EPT类似，可以据此分为三类来看：
1）一层页表方案。与SPT类似，使用一层页表直接管理GVA到HPA的映射；
【云与虚拟化云计算模式】2）两层页表方案。与EPT类似，使用两层独立页表分别管理GVA到GPA以及GPA到HPA的映射；
3）混合方案。结合前两类方案，进行动态的选择。
DirectPaging：一层页表方案，这是Xen在早期硬件仅支持一层页表时的半虚拟化方案。相比于SPT最大的区别是，没有单独维护GVA到GPA的虚拟机页表，虚拟机知道自己处于虚拟化环境，即知道自己的页表内容是HPA 。虚拟机修改页表也需要陷出，但是采用主动陷出的方式，可以batch化，而SPT则是被动拦截陷出；读取页表时只能拿到HPA ，需要查一张M2P（MachinetoPhysical）表才能得到GPA 。

文章图片

文章图片
DirectPaging同样使用一层页表管理GVA到HPA映射，地址转换的路径与SPT是相同的。在使用4级页表时，最坏只需4次查表。
优势：地址转换过程的开销低，与物理机相当。
劣势：
1）地址转换关系的建立开销很大，所有页表修改都需要主动陷出；
2）需要虚拟机做半虚拟化的适配，虚拟机需要感知自己的页表管理的是GVA到HPA的映射。