X86平臺(tái)的設(shè)備虛擬化技術(shù)的研究——設(shè)計(jì)、改進(jìn)及應(yīng)用.pdf

1、近年來(lái)，平臺(tái)虛擬化技術(shù)成為了國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。服務(wù)器合并、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)保護(hù)、高性能計(jì)算和可信計(jì)算等方面的應(yīng)用對(duì)平臺(tái)虛擬化技術(shù)的性能、安全可靠性和可伸縮性有了更高的要求。其中，設(shè)備虛擬化技術(shù)中所關(guān)注的一些關(guān)鍵問(wèn)題包括性能、安全性和實(shí)現(xiàn)的難易程度等。 首先，在研究當(dāng)前設(shè)備虛擬化技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于設(shè)備模擬模型的顯示設(shè)備加速方案。該方案使虛擬機(jī)可以直接訪問(wèn)其顯示設(shè)備MMIO空間，同時(shí)結(jié)合內(nèi)存虛擬化模塊，進(jìn)

2、行顯示設(shè)備MMIO空間訪問(wèn)狀態(tài)追蹤，生成顯示設(shè)備MMIO空間修改位圖(DirtyBitmap)，顯示設(shè)備模擬模塊根據(jù)這一修改位圖進(jìn)行虛擬機(jī)屏幕部分區(qū)域重繪。為了測(cè)試該優(yōu)化方案，因此設(shè)計(jì)了一套專用測(cè)試系統(tǒng)，并進(jìn)行了對(duì)比性的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該方案有利于提高系統(tǒng)性能，緩解了系統(tǒng)I/O瓶頸，并增強(qiáng)了系統(tǒng)可伸縮性。 第二，現(xiàn)有的設(shè)備虛擬化模型中，模擬模型和泛虛擬化模型均存在著許多不足，前者性能損失嚴(yán)重，后者需要修改客戶操作系統(tǒng)。為了更

3、進(jìn)一步地滿足應(yīng)用領(lǐng)域?qū)υO(shè)備性能的需要，在研究X86平臺(tái)上的硬件IOMMU特性的基礎(chǔ)上，提出了一種基于Xen的通用I/O設(shè)備直接分配模型的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案。該方案將一個(gè)物理I/O設(shè)備分配給一個(gè)虛擬機(jī)，使其可以與設(shè)備進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)交換，包括虛擬機(jī)中的客戶操作系統(tǒng)進(jìn)行MMIO訪問(wèn)和被分配的設(shè)備進(jìn)行DMA操作。設(shè)備直接分配模型無(wú)需修改客戶操作系統(tǒng)，并且大大提高了系統(tǒng)性能及設(shè)備數(shù)據(jù)交換安全性。這是本文最重要的貢獻(xiàn)之一。 第三，將設(shè)備虛擬化模型

4、應(yīng)用于顯示設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和USB存儲(chǔ)設(shè)備等實(shí)例中。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)顯示設(shè)備直接分配模型中，提出了處理設(shè)備自帶BIOS的解決方案。然后，采用不同的測(cè)試方案，對(duì)上述三種設(shè)備虛擬化實(shí)現(xiàn)分別進(jìn)行了對(duì)比性的測(cè)試。其性能評(píng)測(cè)結(jié)果表明，直接分配模型的性能十分接近于非虛擬化環(huán)境，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)備模擬模型。設(shè)備直接分配模型，無(wú)需修改虛擬機(jī)內(nèi)的客戶操作系統(tǒng)或驅(qū)動(dòng)，降低了軟件復(fù)雜度，性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的虛擬化模型，利用硬件IOMMU保障系統(tǒng)安全性，成為目前的發(fā)展趨勢(shì)。