基于硬件支持的USB設備虛擬化框架研究.pdf

1、系統(tǒng)虛擬化在近年已成為學術界和產業(yè)界的熱點。它通過在操作系統(tǒng)和硬件之間增加虛擬機監(jiān)視器（VMM）一層,能在一臺物理機上管理并運行多臺客戶機操作系統(tǒng)。每臺客戶機就像獨自占有所有硬件資源，正如32位系統(tǒng)上的普通進程以為一直占有CPU和4G內存空間。它能高效管理各個客戶機系統(tǒng)，實現(xiàn)客戶機之間的有效隔離，既能增強資源利用率，又可以實現(xiàn)系統(tǒng)安全性。同時，虛擬化技術能在非停機的情況下高效地進行系統(tǒng)遷移，快照和克隆。這些特性使其能很好地應用于服務器整

2、合，實現(xiàn)動態(tài)負載均衡，也方便進行災難備份與恢復，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設備種類繁多，廠商、型號、版本不一，驅動紛繁復雜，是整個虛擬系統(tǒng)普及應用的一大瓶頸。而增加VMM層后，設備和進程間的信號傳遞和數(shù)據(jù)傳輸變得更長更復雜，也極大的影響了系統(tǒng)性能。學術界中，Xen主要采用PV的方法，非特權級虛擬機中的驅動為前端，它請求I/O操作而不直接處理，以保證硬件的安全；特權級虛擬機中

3、的驅動為后端，和I/O設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安全及I/O兼容性問題。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)的升級而作相應修改。而KVM作為另一個熱門的VMM，采用QEMU進行模擬。為每個虛擬機模擬出硬件所有的I/O設備，客戶機訪問QEMU中的設備模型，而不是真實的I/O設備。而QEMU調用VMM提供的服務，再把結果返回到設備模型。這樣，VM就可以訪問設備模型而獲得操作結果。這會導

4、致頻繁的上下文切換和傳輸路徑顯著增長。它不需要對VM中的操作系統(tǒng)做修改，但性能很差。
　　硬件輔助技術能解決這些問題。借助Intel的VT-x技術，CPU執(zhí)行模式除了用戶態(tài)和內核態(tài)，還引進了根模式和非根模式。這樣，與I/O相關的敏感指令很容易被截獲，然后通過陷入再模擬的方法彌補X86構架原本存在的虛擬化漏洞。其次，EPT技術則使客戶機的虛擬地址到宿主機的物理地址轉換變得簡單。而VT-d技術通過DMA重映射和I/O頁表等方法，使得虛

5、擬機和設備之間可以直接訪問。使用這些硬件輔助技術，設計良好的I/O虛擬化技術能很方便地把I/O設備分配給虛擬機，無需修改操作系統(tǒng)并提供良好的訪問效率，從而很好地解決上述問題。
　　本課題通過在Intel支持VT及VT-d硬件虛擬化的平臺和KVM虛擬機上實現(xiàn)一種高性能的USB虛擬化方案,來研究最新的I/O虛擬化技術。該方案應用硬件輔助技術，將USB設備從VMM的中斷向量中注銷，并直接分配給虛擬機。這樣，虛擬機可直接訪問 USB設備，

6、獲得很好的性能。它使得 USB設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機操作系統(tǒng)。有助于虛擬化的商業(yè)應用與推廣，同時對基于硬件支持的I/O虛擬化技術和虛擬機設計與應用提供借鑒和參考。
　　本文的主要創(chuàng)新點和意義有：1）研究了主流開源虛擬機監(jiān)視器的構架和Intel VT及VT-d等硬件輔助虛擬化技術；2）研究了USB設備的驅動框架和虛擬化框架；3)把硬件輔助虛擬化技術應用到 USB設備上，實現(xiàn)了