基于核间寄存器的多核虚拟机通信机制研究与实现

摘要

随着虚拟化技术的发展，其应用场景也愈来愈广泛，这对于虚拟机系统中各项性能也提出了更多、更高的要求，如对于移植性的要求、对虚拟机运行性能的要求、对虚拟机间通信性能的要求等。另外随着多核处理器的迅速普及，虚拟机系统也常被部署在多核处理器上，相对于单核处理器而言多核处理器具备一些单核处理器所不具备的特性，如核间通信寄存器，配置在多核处理器上的虚拟机系统能否利用这些特性来提高虚拟机系统性能或优化虚拟机系统设计将关系到虚拟机系统在多核处理器上的应用前景和其自身的发展。
　　 当前越来越多的应用程序，特别是分布式的网络应用程序被部署在虚拟机系统中，这些应用程序在完成各自功能同时也需要相互之间传输和共享数据以实现总体功能；另外高性能计算中涉及庞大的硬件资源，为方便管理硬件资源并加以合理利用，高性能计算中也引入虚拟机系统，当运行诸如MPI并行程序时必然涉及到MPI进程间通信，而且当MPI进程运行在不同虚拟机上时MPI进程间通信就会转化成虚拟机间通信；以上两种情况对虚拟机系统中虚拟机间通信性能提出了更高的要求。另一方面，运行虚拟机系统运行的硬件平台越来越多的是多核处理器，因此本文深入研究多核处理器核间通信方式和虚拟机间通信方式，分析处理器核间通信和虚拟机间通信方式的基本原理和性能开销所在，并对几种通信方式进行对比，最后通过实验证明了基于核间寄存器和基于共享内存的虚拟机间通信方式在性能上的优越性。
　　 论文最后在前面研究和实验基础上提出基于核间寄存器和共享内存相结合的虚拟机间通信方式，设计出这种通信方式的基本框架并描述框架中各个模块的位置和功能，为证明这种框架的合理性和优越性，我们实现了MPI标准中的六个基本函数（文中称为类MPI接口），并选取若干程序测试了实验中实现的类MPI接口，通过实验可得实验中选取的程序的类MPI接口实现的运行时间与MPICH2实现的运行时间的加速比至少为3.1，也证明这种通信方式在性能上的优越性。

目录

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摘要

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 虚拟化应用场景发展变化

1.1.2 多核处理器与虚拟化

1.2 发展现状与面临的挑战

1.3 论文主要贡献及工作

1.4 论文内容及结构

第2章 多核核间通信和虚拟机间通信

2.1 多核核间通信机制

2.1.1 基于共享存储的核间通信

2.1.2 基于片上互联网络的核间通信

2.1.3 基于消息队列的核间通信

2.1.4 三种核间通信优缺点

2.2 虚拟机间通信方式

2.2.1 基于网络的通信方式

2.2.2 基于共享存储的通信方式

2.2.3 基于通信组件的通信方式

2.3 Xen 中虚拟机间通信方式分析

2.3.1 Xen virtual network(A．Menon，2006)

2.3.2 XenSocket

2.3.3 Xway

2.3.4 XenLoop

2.3.5 MMNet

2.3.6 Inter Virtual Machine Communication (IVC) (W.Huang，2007)

2.4 小结

第3章 从硬件实现层次分析虚拟机间通信方式

3.1 从硬件实现层次划分虚拟机间通信方式

3.1.1 基于硬件寄存器的VM间通信方式

3.1.2 基于共享内存的VM间通信方式

3.1.3 基于网络的VM间通信

3.2 三种虚拟机间通信方式对比

3.2.1 三种虚拟机间通信方式性能对比

3.2.2 三种虚拟机间通信方式透明性对比

3.2.3 三种虚拟机间通信方式可移植性对比

3.3 小结

第4章 基于核间寄存器的虚拟机间通信方式实现

4.1 基于核间寄存器和共享内存的通信方式

4.1.1 问题分析

4.1.2 基于核间寄存器通信的硬件支持

4.1.3 核间寄存器的引入

4.1.4 基于核间通信寄存器通信方式建模

4.2 基于核间寄存器通信方式设计框架

4.2.1 虚拟机间通信模块

4.2.2 核间通信模块

4.2.3 共享内存模块

4.3 基于核间寄存器的类MPI接口

4.4 小结

第5章 实验结果及分析

5.1 实验环境

5.2 评测数据

5.2.1 时间性能对比

5.2.2 通信带宽对比

5.3 小结

第6章 展望及总结

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果