X86平台的设备虚拟化技术的研究——设计、改进及应用

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(DirtyBitmap)，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。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号表

声明

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

2.5.4 内存虚拟化

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

3.3.2 设备模型(Qemu)端

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

4.6.2 内存映射I／O

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