System|隔离|虚拟化
ref：CSE,SE,SJTU
虚拟化
我们需要在一个物理机上运行多个不同的OS，从而实现软件上的
- 隔离 - 如果OS崩了，那不会影响其他的OS
- 可维护性 - 易部署克隆移植备份（容器化）
- 安全 - 虚拟机自省
因此，我们在传统的OS的位置放置一个支持虚拟化的系统，称为VMM（VM Monitor) or Host. 每一个其上运行的虚拟机成为一个Guest。（当然也可以在传统OS和VM之间加入一层VMM，但是这样性能会比较差）
VMM具有高优先级，管理多个硬件。但是和传统OS具有不同的抽象，仅负责调度VM。
为了实现虚拟化，需要在三个层面进行隔离
- CPU - 每个虚拟机各自拥有自己的user/kernel mode
- Memory - 每个虚拟机各自拥有自己的虚拟MMU
- IO - 每个虚拟机各自拥有自己的虚拟设备
CPU 虚拟化
尝试I - VM as 进程
对于每个进程而言，CPU似乎都只被自己占有。如果我们直接把VM作为传统的进程，结果会如何？
宿主机作为一般的应用
问题在于，如果按照这样的方式，VM处于user mode，某些特殊的指令（如关中断，change CR3）就无法执行。VM是无法执行高优先级指令的。
尝试II - Trap & Emulation
解决方式显而易见，如果VM无法执行，那么只需要转交给VMM执行即可。
- Trap - 调用高优先级指令时，由于处于user mode，因此trap到宿主机
- Emulate - 实现对应的函数，将VM的系统状态存储到VMM的内存，VM并没有操作硬件的CR3，只是修改了宿主机的内存而已。
问题在于，Intel的指令集一开始并不天然支持虚拟化。
如popf，将pop出的内容存到flag寄存器里。对于IF（中断）而言，如果处于kernel mode，那么popf会更新IF，如果处于user mode，popf只会被忽略掉（而不是发生trap）。然而，我们无法区分同样是在user mode运行情况下，VM究竟是在
这类指令共有17条。
SGDT, SIDT, SLDT, SMSW, PUSHF, POPF, LAR, LSL, VERR, VERW, POP, PUSH, CALL, JMP, INT n, RET, STR, MOV
尝试III - 处理特殊指令
1.指令解释器：软件模拟
软件写个CPU模拟器，容易实现，但是性能非常低。（因为所有指令都是在对内存操作）
2.二进制翻译: 翻译为其他指令
每个basic block进行翻译，将这些指令翻译成VMM提供的函数调用，并存在code cache中。
Inline Call
然而问题依然存在，
首先是某些语言如Java会修改源代码（SMC），因此需要一个机制通知cache已经过期，否则执行的就是错误的代码；
其次，这就导致了每次Guest转交整个basic block，如果发生PC同步的中断，只会在边界处发生，而真实机器则可能在每个指令发生。
总结一下，虚拟机的kernel执行这些代码时，发生二进制翻译，而应用程序执行这些代码时则进行Trap&Emulate
3.半虚拟化: 直接在源代码中替换
这要求虚拟机中的程序清楚地意识到自己处于虚拟化运行
修改OS的代码，使得其中的指令直接变成对VMM的函数调用（hypercall）(eg. Xen)
4.硬件支持虚拟化: 改变 CPU（主流）
CPU分为两种模式，Root和非Root，每个模式都从ring-0至ring-3有四个优先级。由CPU本身存储虚拟化所需求的bit。VMM负责处理Exit
内存虚拟化
在虚拟化设计中，存在着三种地址，GVA, GPA，HPA。（G-guest，H-host）
然而对于虚拟机而言，他并不知道哪些HPA是属于自己的。如果设置VM的CR3直接指向GPT的话，很有可能使得VM访问越界。
尝试I-Shadow Page
我们并不让CR3指向属于VM管理的GPT，而是属于VMM管理的SPT（注意，软件模拟虚拟化的时候VM的虚拟CR3也在VMM上）。相当于两表合一，通过SPT直接寻址到宿主机的物理地址
set_cr3 (guest_page_table):
for GVA in 0 to 220
if guest_page_table[GVA] & PTE_P:
GPA = guest_page_table[GVA] >> 12
HPA = host_page_table[GPA] >> 12
shadow_page_table[GVA] = (HPA<<12)|PTE_P
else
shadow_page_table = 0
CR3 = PHYSICAL_ADDR(shadow_page_table)那么，如何同步GPT和SPT呢？答案很简单，就是将GPT设置为只读，如果要写的话，就会触发Page Fault，然后由VMM处理并且同步SPT。
如果Guest上的应用通过SPT访问的话，同时也能访问到Guest的kernel space。所以需要对两种模式分别创建SPT，其中user态缺失了kernel space。
对于每个VM，需要一张HPT,对于每个VM上的进程，又需要一张GPT，并且两张SPT。
尝试II-直接映射
修改guest OS的源代码，让GVA直接映射到HPA。对于页表的修改只能通过hypercall进行，而对于guest OS只读。
但是这样做对guest OS不那么透明，并且guest OS会了解很多HPA相关的信息，可能会导致rowhammer攻击（见下节）
尝试III-硬件支持虚拟化
Intel EPT(extended)和AMD NPT(nested)为每个VM单独创立了一个表，用于将GPA映射到HPA上，由VMM管理。
IO 虚拟化
for OS lecture
尝试I -Device emulation
尝试II-Para-virtualization driver, e.g., virtio
尝试III- Hardware support, e.g., SR-IOV