Architektura Hyper-V

Hyper-V je technologie virtualizace založená na hypervisoru pro určité verze systému Windows x64. Hypervisor je jádrem virtualizace. Jedná se o virtualizační platformu specifickou pro procesor, která umožňuje více izolovaným operačním systémům sdílet jednu hardwarovou platformu.

Hyper-V vyžaduje procesor, který zahrnuje virtualizaci s asistencí hardwaru, jako je technologie Intel VT nebo AMD Virtualization (AMD-V).

Následující diagram poskytuje základní přehled architektury Hyper-V prostředí.

Kořenové a podřízené oddíly

Hyper-V podporuje izolaci na úrovni oddílu. Oddíl je logická jednotka izolace podporovaná hypervisorem, ve kterém běží operační systémy. Hypervisor Microsoftu musí mít alespoň jeden nadřazený nebo kořenový oddíl se systémem Windows. Zásobník pro správu virtualizace běží v nadřazené části a má přímý přístup k hardwarovým zařízením. Kořenový oddíl pak vytvoří podřízené oddíly, které hostují hostovaný operační systém. Kořenový oddíl vytvoří podřízené oddíly pomocí programovacího rozhraní (API) aplikace hypercall.

Podřízené oddíly nemají přímý přístup k jiným hardwarovým prostředkům a je jim představena virtuální podoba těchto prostředků jako virtuální zařízení (VDevs). Požadavky na virtuální zařízení se přesměrují přes VMBus nebo hypervisor na zařízení v nadřazené části, která zpracovává požadavky.

Přerušení a zpracování paměti

Oddíly nemají přístup k fyzickému procesoru ani nezpracovávají přerušení procesoru. Místo toho mají virtuální zobrazení procesoru a běží v oblasti adresy virtuální paměti, která je soukromá pro každý oddíl hosta. Hypervisor zpracovává přerušení procesoru a přesměruje je do příslušného oddílu.

Hyper-V může také zrychlit překlad adres mezi různými virtuálními adresními prostory hosta pomocí jednotky ioMMU (Input Output Memory Management Unit), která funguje nezávisle na hardwaru pro správu paměti používaném procesorem. IoMMU slouží k přemapování adres fyzické paměti na adresy, které používají podřízené oddíly.

Poznámka:

Překlad adres druhé úrovně (SLAT) se vyžaduje pro Hyper-V ve Windows Serveru 2016 a novějším.

VMBus, VSP a VSC

VMBus je logický komunikační kanál mezi oddíly. Nadřazený oddíl hostuje poskytovatele virtualizačních služeb (VSP), kteří komunikují prostřednictvím VMBus k zpracování požadavků na přístup k zařízením z podřízených oddílů. Podřízené oddíly hostují příjemce služeb virtualizace (VSCs), kteří přesměrují požadavky zařízení na VSPs v nadřazené částí přes VMBus. Celý proces je pro hostovaný operační systém transparentní.

Pokročilé vstupně-výstupní a integrační služby

Virtuální zařízení můžou také využívat funkci virtualizace Windows Serveru s názvem Enlightened I/O pro úložiště, sítě, grafiku a vstupní subsystémy. Enlightened I/O je specializovaná implementace komunikačních protokolů vysoké úrovně (například SCSI), které přímo využívají VMBus a obcházejí všechny vrstvy emulace zařízení. Díky tomu je komunikace efektivnější, ale vyžaduje hosta s podporou hypervisoru a technologie VMBus.

Hyper-V vylepšené I/O a jádro optimalizované pro hypervizor jsou poskytovány prostřednictvím služeb integrace Hyper-V. Součásti integrace, které zahrnují ovladače klienta virtuálního serveru (VSC), jsou také k dispozici pro jiné klientské operační systémy.

Glosář

• APIC – Rozšířený programovatelný kontroler přerušení – zařízení, které umožňuje přiřazení úrovní priority k výstupům přerušení.
• Podřízený oddíl – oddíl, který hostuje operační systém – Veškerý přístup podřízeného oddílu k fyzické paměti a zařízením je poskytován prostřednictvím Virtual Machine Bus (VMBus) nebo hypervisoru.
• Hypercall – Rozhraní pro komunikaci s hypervisorem – Rozhraní hypercall umožňuje přístup k optimalizacím poskytovaným hypervisorem.
• Hypervisor – vrstva softwaru, která se nachází mezi hardwarem a jedním nebo více operačními systémy. Primární úlohou je poskytovat izolovaná spouštěcí prostředí označovaná jako oddíly. Hypervisor řídí a rozhoduje přístup k podkladovému hardwaru.
• IC – Integrační komponenta – Komponenta, která umožňuje podřízeným oddílům komunikovat s jinými oddíly a hypervisorem.
• IOMMU – Jednotka pro správu vstupní/výstupní paměti – je jednotka pro správu paměti, která připojuje vstupně-výstupní sběrnici s přímým přístupem k operační paměti a přemapovává fyzické adresy na adresy hostitelského systému pro izolaci zařízení.
• Zásobník vstupně-výstupních operací – vstupní/výstupní zásobník
• MSR – Model-Specific registry. Používá se pro hodnoty stavu a řízení.
• Kořenový oddíl – někdy se označuje jako nadřazený oddíl. Spravuje funkce na úrovni stroje, jako jsou ovladače zařízení, řízení spotřeby a přidávání/odebírání zařízení za provozu. Kořenový (nebo nadřazený) oddíl je jediný oddíl, který má přímý přístup k fyzické paměti a zařízením.
• VDev – Virtuální zařízení – Virtualizovaná reprezentace hardwarového zařízení prezentovaného podřízeným částem. VDevs abstrahuje fyzický hardware, který hostovaným operačním systémům umožňuje interakci se zařízeními prostřednictvím VMBusu nebo hypervisoru.
• VID – Ovladač infrastruktury virtualizace – poskytuje služby správy oddílů, služby pro správu virtuálních procesorů a služby správy paměti pro oddíly.
• VMBus – Komunikační mechanismus založený na kanálu používaný pro komunikaci mezi oddíly a výčet zařízení v systémech s několika aktivními virtualizovanými oddíly. Nástroj VMBus je nainstalován s Hyper-V integračními službami.
• VMMS – Služba pro správu virtuálních počítačů – Zajišťuje správu stavu všech virtuálních počítačů v podřízených oddílech.
• VMWP – Pracovní proces virtuálního počítače – součást uživatelského režimu zásobníku virtualizace. Pracovní proces poskytuje služby správy virtuálních počítačů z instance Systému Windows Server 2008 v nadřazené části hostovanému operačnímu systému v podřízených oddílech. Služba pro správu virtuálních počítačů vytvoří samostatný pracovní proces pro každý spuštěný virtuální počítač.
• VSC – Klient virtualizační služby – syntetická instance zařízení, která se nachází v podřízené části. VSCs využívají hardwarové prostředky poskytované poskytovateli virtualizačních služeb (VSP) v nadřazené části. Komunikují s odpovídajícími virtuálními poskytovateli služeb v nadřazené části přes VMBus, aby splňovaly požadavky na I/O zařízení podřízených oddílů.
• VSP – Poskytovatel virtualizačních služeb – nachází se v kořenovém oddílu a poskytuje syntetickou podporu zařízení podřízeným oddílům přes službu Virtual Machine Bus (VMBus).
• WinHv – Windows Hypervisor Interface Library – WinHv je v podstatě most mezi ovladači rozděleného operačního systému a hypervisorem, který umožňuje volat hypervisor pomocí standardních konvencí volání systému Windows.
• WMI – Služba pro správu virtuálních počítačů zveřejňuje sadu rozhraní API založených na rozhraních WMI (Windows Management Instrumentation) pro správu a řízení virtuálních počítačů.