X86平台的设备虚拟化技术的研究 ——设计、改进及应用

论文摘要

近年来,平台虚拟化技术成为了国内外计算机领域的研究热点。服务器合并、网络安全、数据保护、高性能计算和可信计算等方面的应用对平台虚拟化技术的性能、安全可靠性和可伸缩性有了更高的要求。其中,设备虚拟化技术中所关注的一些关键问题包括性能、安全性和实现的难易程度等。首先,在研究当前设备虚拟化技术的基础上,本文提出并实现了一种基于设备模拟模型的显示设备加速方案。该方案使虚拟机可以直接访问其显示设备MMIO空间,同时结合内存虚拟化模块,进行显示设备MMIO空间访问状态追踪,生成显示设备MMIO空间修改位图(Dirty Bitmap),显示设备模拟模块根据这一修改位图进行虚拟机屏幕部分区域重绘。为了测试该优化方案,因此设计了一套专用测试系统,并进行了对比性的测试。测试结果表明,该方案有利于提高系统性能,缓解了系统I/O瓶颈,并增强了系统可伸缩性。第二,现有的设备虚拟化模型中,模拟模型和泛虚拟化模型均存在着许多不足,前者性能损失严重,后者需要修改客户操作系统。为了更进一步地满足应用领域对设备性能的需要,在研究X86平台上的硬件IOMMU特性的基础上,提出了一种基于Xen的通用I/O设备直接分配模型的设计实现方案。该方案将一个物理I/O设备分配给一个虚拟机,使其可以与设备进行直接的数据交换,包括虚拟机中的客户操作系统进行MMIO访问和被分配的设备进行DMA操作。设备直接分配模型无需修改客户操作系统,并且大大提高了系统性能及设备数据交换安全性。这是本文最重要的贡献之一。第三,将设备虚拟化模型应用于显示设备、网络设备和USB存储设备等实例中。在设计实现显示设备直接分配模型中,提出了处理设备自带BIOS的解决方案。然后,采用不同的测试方案,对上述三种设备虚拟化实现分别进行了对比性的测试。其性能评测结果表明,直接分配模型的性能十分接近于非虚拟化环境,远远超过设备模拟模型。设备直接分配模型,无需修改虚拟机内的客户操作系统或驱动,降低了软件复杂度,性能大大优于传统的虚拟化模型,利用硬件IOMMU保障系统安全性,成为目前的发展趋势。最后,本文对设备虚拟化技术发展方向进行了展望,提出了一个基于设备自我虚拟化技术的设备虚拟化模型架构。拥有自我虚拟化功能的设备,提供多套独立的控制接口,每一套接口可被分配给一个虚拟机并由其直接控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 虚拟化
• 1.1.2 虚拟机和虚拟机监控器
• 1.1.3 虚拟化技术的分类
• 1.1.4 虚拟化技术的应用
• 1.2 研究意义及目的
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 采用指令流补丁技术的VMware
• 1.3.2 高性能的虚拟机系统Xen
• 1.3.3 分布式虚拟机系统Virtual Iron
• 1.3.4 最新外硬件虚拟化进展
• 1.4 论文的主要工作及创新点
• 1.5 论文的组织结构
• 第二章 背景知识介绍
• 2.1 虚拟机系统架构
• 2.1.1 宿主机模型架构
• 2.1.2 独立监控器模型架构
• 2.1.3 混合模型架构
• 2.2 X86 平台上处理器硬件虚拟化
• 2.3 设备虚拟化的要求
• 2.4 主流设备虚拟化模型
• 2.4.1 模拟模型
• 2.4.2 泛虚拟化模型
• 2.4.3 基于IOVM 架构的泛虚拟化设备模型
• 2.5 Xen 相关介绍
• 2.5.1 服务管理接口
• 2.5.2 事件通道机制
• 2.5.3 虚拟设备模型
• 2.5.3.1 泛虚拟化模型
• 2.5.3.2 模拟模型
• 2.5.4 内存虚拟化
• 2.5.4.1 地址转换关系
• 2.5.4.2 影子页表
• 2.5.4.3 Hypervisor 地址空间分布
• 2.5.4.4 HVM 域地址空间分页
• 2.6 本章知识小结
• 第三章 加速显示设备模拟模型
• 3.1 基于 Xen 的设备模拟模型
• 3.2 改进方案设计思想
• 3.2.1 直接MMIO 空间访问
• 3.2.2 全更新策略
• 3.2.3 基于内容比较的更新策略
• 3.2.4 Hypervisor 辅助的优化方案
• 3.3 显示设备加速方案设计与实现
• 3.3.1 Hypervisor 端
• 3.3.1.1 相关服务调用接口
• 3.3.1.2 VRAM 相关控制结构
• 3.3.1.3 重要服务例程
• 3.3.2 设备模型（Qemu）端
• 3.3.2.1 相关数据结构和例程
• 3.3.2.2 服务调用（Hypercall） 的接口
• 3.4 进一步优化
• 3.5 性能评测及分析
• 3.5.1 测试方案设计
• 3.5.2 测试结果及分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 设备直接分配模型设计及实现
• 4.1 设计思想
• 4.1.1 设备直接分配模型
• 4.1.2 高效及安全性考虑
• 4.1.3 IOMMU 和Vt-d
• 4.2 总体架构
• 4.3 IOMMU 设备初始化
• 4.4 设备分配
• 4.4.1 Hypervisor 中设备直接分配管理模块
• 4.4.2 Stub 设备模块
• 4.5 PCI 配置空间访问
• 4.6 I/O 虚拟化
• 4.6.1 端口映射I/O
• 4.6.1.1 指令截获及指令解析
• 4.6.1.2 虚拟端口资源管理
• 4.6.1.3 I/O 虚拟化处理流程及相关例程
• 4.6.2 内存映射I/O
• 4.6.2.1 P2M 表的设置
• 4.6.2.2 相关例程
• 4.7 中断虚拟化
• 4.8 本章小结
• 第五章 典型应用及性能评测
• 5.1 显卡直接分配模型的实现
• 5.1.1 VGA BIOS 虚拟化处理
• 5.1.2 I/O 虚拟化实现
• 5.1.3 虚拟机空间配置
• 5.1.4 性能评测
• 5.2 网络设备和USB 存储设备直接分配模型性能评测
• 5.3 安全性的保障
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 虚拟化技术发展趋势
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果