VMX虚拟机内存虚拟化及性能测试与分析

摘要

随着计算领域资源规模不断扩展、处理能力日益增强，资源种类丰富多样，寻求新型的计算机理与模式成为一大热点研究课题，而虚拟化技术为此提供了良好的契机。随着x86服务器市场的快速增长，x86虚拟机也广受关注与流行。根据是否修改客户操作系统，虚拟机技术分为泛虚拟化和完全虚拟化。完全虚拟化以VMware代表，不需要修改就可以运行各种主流操作系统，但虚拟机性能损耗较大；泛虚拟化以Xen为代表，虚拟机操作系统需要修改少量平台相关代码，与虚拟机监控程序配合工作，性能出色，但受到兼容性和维护性方面的限制。 同时，x86传统架构本身对虚拟化应用存在局限，顺应市场需求，Intel VT技术从芯片级提供了硬件虚拟化辅助，以求达到虚拟机更高效管理和更小开销。利用Xen性能优异和开源特点，Intel Linux VMM小组在其基础上加入了对VT技术的支持，提出了VMX虚拟机模型，目标是实现高性能的完全虚拟化，并支持包括windows的主流系统，弥补Xen泛虚拟化的弊端。 作者在Intel实习期间有幸参与了该项目，主要侧重VMX虚拟机内存虚拟化的研究和性能测试与调优。在VMX内存虚拟化中，论文借鉴了Xen泛虚拟化的内存管理方式，把其中使用Xen hypercall并对客户OS进行修改的内存管理方式，更改为借助VT硬件层的辅助来完成客户OS与监控程序的交互及访存操作，不再需要修改客户OS内核。进而提出了VMX MMU虚拟化模型，灵活实现了虚拟机内存管理，并将内存虚拟化分为与处理器相关层和无关层，提高了可移植性。该模块对系统整体性能有很大影响，我们对其软件级实现影子页表进行了优化，并探讨了硬件内存虚拟化的新机制EPT。 论文对VMX虚拟机进行了性能测试分析，以业界较权威的测试基准为主，对内存虚拟化优化方案进行了基准性能测试，结果证明满足预期目标。通过VMX底层性能调试工具Xentrace，我们对负载客户机进行了跟踪和数据收集、分析，发现一些性能瓶颈和问题，相应的改进或解决了这些问题，提升了系统性能。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章引言

1.1选题背景

1.2虚拟化技术的发展

1.3本课题主要工作

1.4论文结构

第二章虚拟机相关技术

2.1虚拟化的分类

2.1.1虚拟化的层次分类

2.1.2监控程序的分类

2.1.3泛虚拟化和完全虚拟化

2.2硬件虚拟化支持

2.2.1虚拟系统优先级问题的解决

2.2.2虚拟机控制结构(VMCS)

2.2.3新增指令

2.2.4 VMExit和VMEntry操作

2.3本章小结

第三章VMX虚拟机系统架构

3.1 VMX基于Xen的扩展工作

3.1.1 Xen泛虚拟化

3.1.2 VMX对Xen泛虚拟化的扩展

3.2系统核心模块

3.2.1监控程序

3.2.2设备虚拟化

3.2.3控制面板

3.2.4虚拟BIOS

3.3操作流程分析

3.3.1 VMX域的启动

3.3.2处理同步I/O请求

3.3.3外部中断

3.4本章小结

第四章VMX虚拟机内存虚拟化设计与实现

4.1内存虚拟化概述

4.1.1 IA32内存管理机制

4.1.2分页与TLB的交互

4.1.3内存虚拟化技术概述

4.2 Xen虚拟机内存虚拟化

4.2.1 Xen虚拟机内存区域分配

4.2.2客户机物理内存

4.2.3虚拟MMU设计

4.3 VMX虚拟机内存虚拟化设计与实现

4.3.1内存完全虚拟化问题分析

4.3.2对Xen泛虚拟化内存管理的改进

4.3.3 VMX系统内存虚拟化

4.3.4影子页表优化

4.4 EPT内存管理机制

4.5本章小结

第五章VMX虚拟机性能测试与分析

5.1VMX系统性能测试规范及测试

5.1.1测试基准

5.1.2内存虚拟化优化的测试

5.2 VMX虚拟机分析工具及测试调优

5.2.1 Xentrace

5.2.2调试HLT异常

5.2.3虚拟机嵌套问题的调试

5.2.4 PIC虚拟优化

5.3本章小结

第六章总结与展望

5.1工作总结

5.2研究展望

参考文献

致谢

附录

个人简历及硕士期间科研成果