X86平臺的設備虛擬化技術的研究——設計、改進及應用.pdf

1、近年來，平臺虛擬化技術成為了國內(nèi)外計算機領域的研究熱點。服務器合并、網(wǎng)絡安全、數(shù)據(jù)保護、高性能計算和可信計算等方面的應用對平臺虛擬化技術的性能、安全可靠性和可伸縮性有了更高的要求。其中，設備虛擬化技術中所關注的一些關鍵問題包括性能、安全性和實現(xiàn)的難易程度等。 首先，在研究當前設備虛擬化技術的基礎上，本文提出并實現(xiàn)了一種基于設備模擬模型的顯示設備加速方案。該方案使虛擬機可以直接訪問其顯示設備MMIO空間，同時結(jié)合內(nèi)存虛擬化模塊，進

2、行顯示設備MMIO空間訪問狀態(tài)追蹤，生成顯示設備MMIO空間修改位圖(DirtyBitmap)，顯示設備模擬模塊根據(jù)這一修改位圖進行虛擬機屏幕部分區(qū)域重繪。為了測試該優(yōu)化方案，因此設計了一套專用測試系統(tǒng)，并進行了對比性的測試。測試結(jié)果表明，該方案有利于提高系統(tǒng)性能，緩解了系統(tǒng)I/O瓶頸，并增強了系統(tǒng)可伸縮性。 第二，現(xiàn)有的設備虛擬化模型中，模擬模型和泛虛擬化模型均存在著許多不足，前者性能損失嚴重，后者需要修改客戶操作系統(tǒng)。為了更

3、進一步地滿足應用領域?qū)υO備性能的需要，在研究X86平臺上的硬件IOMMU特性的基礎上，提出了一種基于Xen的通用I/O設備直接分配模型的設計實現(xiàn)方案。該方案將一個物理I/O設備分配給一個虛擬機，使其可以與設備進行直接的數(shù)據(jù)交換，包括虛擬機中的客戶操作系統(tǒng)進行MMIO訪問和被分配的設備進行DMA操作。設備直接分配模型無需修改客戶操作系統(tǒng)，并且大大提高了系統(tǒng)性能及設備數(shù)據(jù)交換安全性。這是本文最重要的貢獻之一。 第三，將設備虛擬化模型

4、應用于顯示設備、網(wǎng)絡設備和USB存儲設備等實例中。在設計實現(xiàn)顯示設備直接分配模型中，提出了處理設備自帶BIOS的解決方案。然后，采用不同的測試方案，對上述三種設備虛擬化實現(xiàn)分別進行了對比性的測試。其性能評測結(jié)果表明，直接分配模型的性能十分接近于非虛擬化環(huán)境，遠遠超過設備模擬模型。設備直接分配模型，無需修改虛擬機內(nèi)的客戶操作系統(tǒng)或驅(qū)動，降低了軟件復雜度，性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的虛擬化模型，利用硬件IOMMU保障系統(tǒng)安全性，成為目前的發(fā)展趨勢。