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1、系統(tǒng)虛擬化在近年已成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的熱點(diǎn)。它通過(guò)在操作系統(tǒng)和硬件之間增加虛擬機(jī)監(jiān)視器(VMM)一層,能在一臺(tái)物理機(jī)上管理并運(yùn)行多臺(tái)客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)。每臺(tái)客戶(hù)機(jī)就像獨(dú)自占有所有硬件資源,正如32位系統(tǒng)上的普通進(jìn)程以為一直占有CPU和4G內(nèi)存空間。它能高效管理各個(gè)客戶(hù)機(jī)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)客戶(hù)機(jī)之間的有效隔離,既能增強(qiáng)資源利用率,又可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全性。同時(shí),虛擬化技術(shù)能在非停機(jī)的情況下高效地進(jìn)行系統(tǒng)遷移,快照和克隆。這些特性使其能很好地應(yīng)用于服務(wù)器整
2、合,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡,也方便進(jìn)行災(zāi)難備份與恢復(fù),以此提高系統(tǒng)的效率,可用性和安全性。
I/O虛擬化是系統(tǒng)虛擬化的重要部分。I/O設(shè)備種類(lèi)繁多,廠(chǎng)商、型號(hào)、版本不一,驅(qū)動(dòng)紛繁復(fù)雜,是整個(gè)虛擬系統(tǒng)普及應(yīng)用的一大瓶頸。而增加VMM層后,設(shè)備和進(jìn)程間的信號(hào)傳遞和數(shù)據(jù)傳輸變得更長(zhǎng)更復(fù)雜,也極大的影響了系統(tǒng)性能。學(xué)術(shù)界中,Xen主要采用PV的方法,非特權(quán)級(jí)虛擬機(jī)中的驅(qū)動(dòng)為前端,它請(qǐng)求I/O操作而不直接處理,以保證硬件的安全;特權(quán)級(jí)虛擬機(jī)中
3、的驅(qū)動(dòng)為后端,和I/O設(shè)備交互完成硬件操作并返回給前端。這種前后端模型可以解決虛擬機(jī)安全及I/O兼容性問(wèn)題。但這需要修改操作系統(tǒng)本身,工作量浩大,且需要根據(jù)操作系統(tǒng)的升級(jí)而作相應(yīng)修改。而KVM作為另一個(gè)熱門(mén)的VMM,采用QEMU進(jìn)行模擬。為每個(gè)虛擬機(jī)模擬出硬件所有的I/O設(shè)備,客戶(hù)機(jī)訪(fǎng)問(wèn)QEMU中的設(shè)備模型,而不是真實(shí)的I/O設(shè)備。而QEMU調(diào)用VMM提供的服務(wù),再把結(jié)果返回到設(shè)備模型。這樣,VM就可以訪(fǎng)問(wèn)設(shè)備模型而獲得操作結(jié)果。這會(huì)導(dǎo)
4、致頻繁的上下文切換和傳輸路徑顯著增長(zhǎng)。它不需要對(duì)VM中的操作系統(tǒng)做修改,但性能很差。
硬件輔助技術(shù)能解決這些問(wèn)題。借助Intel的VT-x技術(shù),CPU執(zhí)行模式除了用戶(hù)態(tài)和內(nèi)核態(tài),還引進(jìn)了根模式和非根模式。這樣,與I/O相關(guān)的敏感指令很容易被截獲,然后通過(guò)陷入再模擬的方法彌補(bǔ)X86構(gòu)架原本存在的虛擬化漏洞。其次,EPT技術(shù)則使客戶(hù)機(jī)的虛擬地址到宿主機(jī)的物理地址轉(zhuǎn)換變得簡(jiǎn)單。而VT-d技術(shù)通過(guò)DMA重映射和I/O頁(yè)表等方法,使得虛
5、擬機(jī)和設(shè)備之間可以直接訪(fǎng)問(wèn)。使用這些硬件輔助技術(shù),設(shè)計(jì)良好的I/O虛擬化技術(shù)能很方便地把I/O設(shè)備分配給虛擬機(jī),無(wú)需修改操作系統(tǒng)并提供良好的訪(fǎng)問(wèn)效率,從而很好地解決上述問(wèn)題。
本課題通過(guò)在Intel支持VT及VT-d硬件虛擬化的平臺(tái)和KVM虛擬機(jī)上實(shí)現(xiàn)一種高性能的USB虛擬化方案,來(lái)研究最新的I/O虛擬化技術(shù)。該方案應(yīng)用硬件輔助技術(shù),將USB設(shè)備從VMM的中斷向量中注銷(xiāo),并直接分配給虛擬機(jī)。這樣,虛擬機(jī)可直接訪(fǎng)問(wèn) USB設(shè)備,
6、獲得很好的性能。它使得 USB設(shè)備的虛擬化更為高效,它比 QEMU的性能好,也不需要像PV的方法那樣修改客戶(hù)機(jī)操作系統(tǒng)。有助于虛擬化的商業(yè)應(yīng)用與推廣,同時(shí)對(duì)基于硬件支持的I/O虛擬化技術(shù)和虛擬機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供借鑒和參考。
本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和意義有:1)研究了主流開(kāi)源虛擬機(jī)監(jiān)視器的構(gòu)架和Intel VT及VT-d等硬件輔助虛擬化技術(shù);2)研究了USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)框架和虛擬化框架;3)把硬件輔助虛擬化技術(shù)應(yīng)用到 USB設(shè)備上,實(shí)現(xiàn)了
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