虚拟化技术研究及PCI设备直接访问的实现

摘要

近几年，在各大业界厂商的大力推动下虚拟化技术得到了快速的发展，在增加服务器的稳定性、安全性和仿真计算环境等方面得到越来越广泛的应用。但是完全虚拟化方式下直接设备访问的研究还很少，如果实现虚拟机的直接设备访问，可以最大程度的降低虚拟机监视器的干涉，消除模拟硬件的开销。同时，客户操作系统可以使用现有的驱动程序对种类多样的硬件提供稳定和高效的支持。 本文在使虚拟化技术产品化的需求之下，引出虚拟机I/O效率的问题，并在最新的xen3.0和处理器级的虚拟化技术的基础上给出了相应解决方案和实现。 通过分析xen和VMWareWorkstation等虚拟机的架构和I/O子系统，本文认为用模拟硬件的方法难以克服运行负担和实现的复杂性。本文给出一种在完全虚拟化架构下实现直接设备访问的方法，设计了基于xen3.0的直接设备访问虚拟机系统的架构，并实现了PCI设备的直接访问。通过对xen设备模组等相关部分的源代码的分析，本文利用设备模组完成硬件资源的配置管理，利用IntelVT-x技术的支持使得虚拟机在使用设备时不经过设备模组，从而缩短了I/O访问的路径。另外针对客户操作系统中I/O资源的分配与Domain0的分配不一致的关键问题给出了地址转换的解决方法。对于内存映射的I/O区间，通过影子页表实现I/O资源的映射。对于独占式I/O，使用注册处理函数的方式进行映射。 对虚拟化技术的研究有利于推进自主版权的操作系统级软件的发展。通过实现支持PCI设备直接访问的虚拟机系统，本文对于改进虚拟机系统结构做出了有益的尝试。

目录

文摘

英文文摘

独创性说明及大连理工大学学位论文版权使用授权书

引 言

1虚拟化技术概述

1.1标准的计算机系统

1.1.1标准的计算机系统

1.1.2应用软件的兼容性和可移植性

1.2虚拟机的概念

1.3虚拟机的分类

1.4早期的系统虚拟机

1.5完全虚拟化和泛虚拟化

1.6主流的系统虚拟机

1.7处理器对虚拟化技术的支持

2直接硬件访问的虚拟机系统设计

2.1开发方式

2.2系统改进的目标

2.3 xen项目分析

2.4系统结构设计

2.4.1虚拟机系统中I/O的实现方式

2.4.2直接硬件访问虚拟机系统的架构

2.5系统接口设计

2.5.1 hypercall机制

2.5.2硬件资源管理器和Hypervisor的接口

2.6设备模组

3直接硬件访问的实现

3.1系统虚拟机的实现技术

3.1.1处理器的虚拟化

3.1.2控制转换

3.1.3影子页表

3.1.4存储管理

3.1.5设备模组与I/O请求的处理

3.1.6使用I/O环结构进行数据传输

3.2定义新的数据结构

3.3硬件资源管理器的实现

3.3.1 PCI设备

3.3.2 Domain 0中PCI设备驱动的实现

3.3.3 xen设备模组提供的模拟设备的接口

3.3.4直接硬件访问设备的管理

3.3.5资源转换关系的获取

3.4 PCI设备内存映射的I/O区间的直接访问

3.5 PCI设备独占式I/O的直接访问

3.6开发工具介绍

4直接硬件访问的虚拟机系统的应用

4.1虚拟化的经济价值

4.2虚拟机的应用方式

4.3直接硬件访问虚拟机系统架构的优点

4.4直接硬件访问虚拟机在样机中的应用

结论

参考文献

附录A虚拟机监视器的编译过程

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢