虚拟机体验之 Xen 篇 —— 令人脑洞大开的奇异架构

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总结：

这一篇我要体验的虚拟机系统是 Xen。在虚拟机领域，Xen 具有非常高的知名度，其名字经常在各类文章中出现。同时 Xen 也具有非常高的难度，别说玩转，就算仅仅只是理解它，都不是那么容易。之所以如此，那是因为 Xen 采用了和我前面介绍的那几个虚拟机完全不同的架构。在这里，我称之为令人脑洞大开的奇异架构。

比如说在经典的虚拟机架构中，虚拟机软件运行于 Host System 之中，而 Guest System 运行于虚拟机软件之中。为了提高 Guest System 的运行速度，虚拟机软件一般会在 Host System 中使用内核模块开一个洞，将 Guest System 的运行指令直接映射到物理硬件上。但是在 Xen 中，则根本没有 Host System 的概念，传说它所有的虚拟机都直接运行于硬件之上，虚拟机运行的效率非常的高，虚拟机之间的隔离性非常的好。

当然，传说只是传说。我刚开始也是很纳闷，怎么可能让所有的虚拟机都直接运行于硬件之上。后来我终于知道，这只是一个噱头。虚拟机和硬件之间，还是有一个管理层的，那就是 Xen Hypervisor。当然 Xen Hypervisor 的功能毕竟是有限的，怎么样它也比不上一个操作系统，因此，在 Xen Hypervisor 上运行的虚拟机中，有一个虚拟机是具有特权的，它称之为 Domain 0，而其它的虚拟机都称之为 Domain U。

Xen的架构如下图：

从图中可以看出，Xen 虚拟机架构中没有 Host System，在硬件层之上是薄薄的一层 Xen Hypervisor，在这之上就是各个虚拟机了，没有 Host System，只有 Domain 0，而 Guest System 都是 Domain U，不管是 Domain 0 还是 Domain U，都是虚拟机，都是被虚拟机软件管理的对象。

既然 Domain 0 也是一个虚拟机，也是被管理的对象，所以可以给它分配很少的资源，然后将其余的资源公平地分配到其它的 Domain。但是很奇怪的是，所有的虚拟机管理软件其实都是运行在这个 Domain 0 中的。同时，如果要连接到其它 Guest System 的控制台，而又不是使用远程桌面（VNC）的话，这些控制台也是显示在 Domian 0 中的。所以说，这是一个奇异的架构，是一个让人很不容易理解的架构。

这种架构桌面用户不喜欢，因为 Host System 变成了 Domain 0，本来应该掌控所有资源的主操作系统变成了一个受管理的虚拟机，本来用来打游戏、编程、聊天的主战场受到限制了，可能不能完全发挥硬件的性能了，还有可能运行不稳定了，自然会心里不爽。（Domain 0确实不能安装专用显卡驱动，确实会运行不稳定，这个后面会讲。）但是企业级用户喜欢，因为所有的 Domain 都是虚拟机，所以可以更加公平地分配资源，而且由于 Domain U 不再是运行于 Domian 0 里面的软件，而是和 Domain 0 平级的系统，这样即使 Domain 0 崩溃了，也不会影响到正在运行的 Domain U。（真的不会有丝毫影响吗？我表示怀疑。）

下面开始在 Ubuntu 系统中体验 Xen。使用如下命令可以在 Ubuntu 的软件源中搜索和 Xen 相关的软件包以及安装 Xen Hypervisor：

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

传说在旧版本的 Xen Hypervisor 上只能运行经过修改过的 Linux 内核。但是在目前的版本中不存在该问题。我机器上的 Ubuntu 14.10 系统不经任何修改，就可以当成 Domain 0 中的系统运行。至于是否让该系统运行于 Xen Hypervisor 上，在启动时可以选择，如下图：

通过查看 Grub 的配置文件，可以看到通过 Xen 虚拟机启动 Ubuntu 系统时，Grub 先启动的是 /boot/xen-4.4-amd64.gz，然后才把 Linux 内核以及 initrd 文件作为模块载入内存。也就是说，Grub 启动 Xen Hypervisor，然后 Xen Hypervisor 运行 Domian 0。

前面提到 Host System 一下子变成了 Domain 0 中的操作系统是让桌面用户比较不爽的事，这里详细论述。虽然说目前的 Xen 同时支持全虚拟化和半虚拟化，支持操作系统不经任何修改就运行于 Xen 虚拟机上（全虚拟），但是系统是否稳定还是和内核有很大关系的。比如说我在 Ubuntu 14.04 刚推出的那段时间，在 Ubuntu 14.04 中使用 Xen 是没有什么问题的，但是经过几次系统升级后，Xen 就出问题了，没办法成功进入 Domain 0 中的 Ubuntu 14.04。现在我用的是 Ubuntu 14.10，已经升过好几次级了，目前使用Xen还是很稳定的。其次就是显卡驱动的问题，我的 Ubuntu 当主系统用时，使用的是 NVIDIA 的显卡驱动，但是当 Ubuntu 运行于 Domain 0 中时，就不能使用 NVIDIA 的显卡驱动了，否则无法进入图形界面。

下面来测试一下 Xen 虚拟机的运行效果。通过前文的探讨，可以看出一个虚拟机的运行需要两个要素：一是一套虚拟的硬件系统，二是一个包含了操作系统的磁盘镜像。QEMU 虚拟机关于硬件的配置全由命令行指定，VirtualBox 虚拟机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，这个配置文件要我们自己写。至于磁盘镜像，还是复用我之前创建的那个 WinXP.img 吧，记住，它是 qcow2 格式的。

先进入我主目录的 virtual-os 目录，ls 看一下，里面有我之前创建的 WinXP.img。然后，我们创建一个 WinXP_Xen.hvm 配置文件，其内容如下：

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

这段配置文件很简单，也很容易懂。 hvm 代表这是一个全虚拟化的虚拟机，和全虚拟化相对的是半虚拟化，半虚拟化只能运行经过修改的内核，但是可以获得更高的性能。为该虚拟机分配 2 个 CPU 和 2G 内存，并指定硬盘镜像文件。最后一个 sdl=1 表示使用 SDL 图形库显示虚拟操作系统的界面，如果不想用 SDL，也可以写成 vnc=1，这样需要使用 vncviewer 才能连接到虚拟机操作系统的桌面。

至于 Xen 的配置文件怎么写，管理命令怎么用，这个必须得有学习资料。通过 man xl 和 man xl.cfg 查看手册页是可以的，但是最全面的资料还是在Xen的官网 http://www.xenproject.org 上。

使用 sudo xl list 命令可以看到系统中只有一个Domain 0在运行，然后使用 sudo xl create -c WinXP_Xen.hvm 即可运行一个 Domian U 虚拟机，该虚拟机使用 WinXP_Xen.hvm 配置文件。 xl 命令的 -c 选项表示把 Domain U 的控制台显示在 Domain 0 中，如果不用 -c 选项而使用 -V 选项，则创建虚拟机后使用 vncviewer 进行连接。新建的虚拟机运行起来后，再次使用 sudo xl list 命令，可以看到除了Domain 0，还多了一个名称为“WinXP_Xen.hvm”的虚拟机。运行效果如下图：

关于 Xen 更多更高级的功能，比如动态迁移什么的，我这里就不试了。至于说到 Xen 虚拟机的隔离性，如果一个 Domain U 崩溃了，肯定是不会影响到 Domain 0和其它 Domain U 的，但是如果 Domain 0 崩溃了，Domain U 真的不会受到任何影响吗？Domain 0 崩溃了怎么重启它呢？这都是我没想明白的问题。在折腾 Xen 的过程中，我曾多次重启过机器，重启后一看，WinXP_Xen.hvm 还在继续运行，似乎是没有受到 Domain 0 的影响，但是我就想，我机器都重启了，电源都断了，Domain U 它真的能丝毫不受影响吗？

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