基于虚拟机的实时系统多核共享资源管理技术研究

摘要

近几年，随着互联网的兴起，互联网资源正逐渐成为水电一样的基础设施，而虚拟化技术在其中发挥着重要的作用。当前的绝大多数虚拟化平台都是部署在多核硬件架构上的，而多核体系结构因其结构特点，多个核心共享诸如末级缓存LLC和访存带宽这样的片上资源。片上共享资源的冲突和竞争容易导致虚拟化性能的下降，进而影响虚拟机的实时性，为了解决这个问题，本文提出了虚拟化环境下多核片上共享资源管理技术，主要包括LLC的划分控制和访存带宽控制，并在此基础上提出了二者的动态调节优化技术和虚拟机分组优化技术。 LLC的划分控制主要利用Cache映射的特点，为特定虚拟机分配指定格式的物理内存地址，使其映射到Cache中特定的区域，从而实现以虚拟机为粒度的LLC划分，避免多个虚拟机相互争用LLC而导致额外LLC miss的情况。 访存带宽控制基础主要利用了处理器中的PMU模块，在调度过程中对虚拟机的访存带宽进行监控，及时对访存带宽量超额的虚拟机进行调度，避免其过多的占用访存带宽资源给其它虚拟机造成影响，从虚拟机层面上对访存带宽进行了划分和控制，保障系统的响应性能。 通过合理的片上共享资源管理技术，多核虚拟化平台能够做到在系统整体负载较大的情况下依然能保证特定的虚拟机享有一定量的共享资源，从而保证其响应时间，提高系统的实时性。

目录

声明

摘要

第1章引言

1．1研究背景

1．1．1多核处理器结构特点

1．1．2多核虚拟化技术所带来的挑战

1．2研究内容

1．3研究意义

1．4本文主要工作

第2章相关技术简介

2．1 Xen架构

2．2 PV和HVM

2．3 VMX虚拟化扩展

2．4 VMCS

2．5内存虚拟化

2．5．1影子页表

2．5．2 EPT

2．6 Cache Coloring

2．7 PMU

2．8本章小结

第3章系统总体方案

3．1问题定义和分析

3．1．1 LLC争用情景

3．1．2访存带宽冲突

3．1．3特定场合下虚拟化技术的不足

3．2基本解决方案

3．2．1 Cache划分

3．2．2访存带宽预留

3．2．3片上共享资源优化策略

3．3系统原理概述

3．4本章小结

第4章系统设计

4．1以虚拟机为粒度的LLC划分控制

4．1．1 Cache Coloring工作原理

4．1．2 VMM的LLC访问优化

4．2虚拟机访存带宽控制

4．2．1访存带宽监测原理

4．2．2 Credit调度算法简介

4．2．3为Credit算法添加访存带宽限制

4．2．4访存带宽控制优化

4．3 LLC与访存带宽之间的协调控制

4．4虚拟机的分组与优化

4．5本章小结

第5章系统实现

5．1系统实现概况

5．2在VMM上实现LLC的划分

5．2．1内存分配控制

5．2．2获取LLC信息

5．2．3 Cache Occupation Vector

5．2．4基于Cache保护的VMM内存分配

5．2．5受保护虚拟机的内存分配方式

5．3在VMM内实现访存带宽的监控

5．3．1 PMU查询

5．3．2 PMU的读写

5．3．3 PMU的配置

5．3．4 Xen调度器结构

5．3．5 Credit调度器添加访存带宽控制逻辑

5．4本章小结

第6章系统测试

6．1测试环境及工具

6．1．1测试环境

6．1．2测试工具

6．2测试环境搭建

6．2．1使用xl工具建立虚拟机

6．2．2设置定时任务

6．3访存带宽控制测试

6．3．2单虚拟机测量数据

6．3．3多虚拟机测量数据

6．4系统总体性能测试

6．5本章小结

第7章结论

7．1本文工作总结

7．2进一步展望

参考文献

致谢

研究生期间项目成果