基于xen虚拟机通信的研究与优化

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1、基于XEN虚拟机通信的研究与优化摘要：本文从虚拟机通信方面着手，研究了XEN平台下，硬件虚拟化中虚拟机的通信机制，在此基础上，论文引入了一种新的机制――共享内存，通过通信路径，CPU特权级切换，TCP/IP协议栈的开销对比分析，得出现有的通信机制开销过大，而共享内存机制能有效降低开销，提高通信性能.关键词：XEN；硬件虚拟化；共享内存中图分类号：TP302近年来，随着云计算的兴起，虚拟化技术也越来越得到大家的关注。实际上，虚拟化并不是一个新的名词，相反的，它有着悠久的历史。虚拟化技术出现是在20世纪60年代，70年代由于在IBM370大型机上的应用，取得了商

2、业上的成功。虚拟化的实现需要借助于虚拟化软件，目前市场上比较流行的产品有微软Hyper-V，VMware（ESX和vSphere）以及XEN。本文所要研究的虚拟机就是基于XEN的，XEN是采用微内核设计，它能实现在同一物理机器上，运行多种不同的操作系统。7虚拟化技术经常应用于服务器整合，这样能提高服务器的性能，降低成本；虽然虚拟化技术有以上优势，但是却存在着一些现实问题，例如企业中很多业务都是部署在好几台虚拟机上，当我们进行业务处理时，必须要和别的虚拟机通信。但现有的通信方式，使得通信的效率大大低于大家的预期。据研究，同一台物理机上的任两台虚拟机通过TCP套

3、接字来通信，其带宽只有130Mbps，而一台实体机的Linux系统的两个进程之间的通信性能却是13952Mbps，差距高达100倍。为了提高虚拟机的通信性能，本文提出了一种新机制――共享内存，它能有效地缩短虚拟机之间的通信路径，减少CPU特权级切换次数。本文第二部分会介绍XEN的体系结构，第三部分会说明现有的通信机制如何实现的，第四部分则是优化机制，第五、六部分是性能分析与总结。1XEN体系结构XEN虚拟机由三层构成：硬件层；虚拟机监控器（Hypervisor）；特权虚拟机（Dom0），以及其他虚拟机（DomU）；Hypervisor负责处理器和内存的虚拟化

4、，由它管理处理器和内存的物理资源，而特权虚拟机负责管理I/O设备，I/O设备虚拟化由特权虚拟机操作系统和Hypervisor共同完成。图1XEN虚拟机架构7XEN有两种虚拟化方式：第一种方式是准虚拟化，也叫半虚拟化。这种方式虚拟出的虚拟机，运行在其上的操作系统需要经过移植，而应用程序不用做任何修改；第二种方式是硬件虚拟化，它是借助于Intel的VMX技术或者AMD的SVM技术，来实现虚拟化，，它对客户操作系统是完全透明的，运行在其上的客户操作系统无需任何修改就可以运行在XEN上。本文研究的是后一种方式。2硬件虚拟化的通信机制硬件虚拟化通信中，GuestDom

5、ain（客户域）是通过IntelVT-x技术来实现的，GuestOS（客户操作系统）不需要进行修改，就像运行在真实的物理环境中一样，此时，我们可以将GuestDomain称作HVM。硬件虚拟机网络通信机制如图2所示：图2硬件虚拟化网络通信过程HVM1与HVM2进行通信，HVM1为数据发送方，HVM2为数据接收方，整个虚拟机通信过程如下：HVM1发送数据包，数据包会转给HVM1的虚拟设备驱动，虚拟设备驱动再向外转发时，会触发VMExit，使得HVM1陷入到Hypervisor之中；Hypervisor接收请求，并将请求写入I/O共享内存中，然后通过事件通道，通

6、知DOM0时，Hypervisor将控制权交给DOM0，DOM0中的QEMU（设备模拟器）读取I/O共享内存的信息，QEMU模拟I/O指令，对此次请求进行处理。处理完后，Hypervisor会执行VMEntry操作，通知HVM2接收HVM1发送的数据包。3基于共享内存的优化机制7为了优化虚拟机之间的通信，本文提出了一种基于共享内存的机制，该机制利用netfilter在网络层截获所有的虚拟机的数据包，并利用Hypervisor提供的页面共享机制在参与通信的虚拟机之间实现静态共享内存通道。Hypervisor为虚拟机提供了一套共享内存的接口。一个虚拟机可以申明它

7、所拥有的某些内存页可以被其他虚拟机共享；它会把共享内存页的信息，存放到Hypervisor中，当另一个虚拟机需要访问这些共享内存时，它会向目标虚拟机发送请求，当目标虚拟机通过请求后，就能将这些内存页映射到自己的地址空间中。这样，两个虚拟机都能够访问这些共享的内存页，从而实现数据交换。图3基于共享内存的优化机制每个虚拟机都有自己的授权表，来控制其他的虚拟机访问这个虚拟机所拥有的共享页的权限。授权表的每个表项定义了对当前虚拟机的某一内存页，其他的虚拟机具有哪些的访问权限（读、写）。通过Hypervisor提供的接口，虚拟机操作系统初始化它的授权表，在虚拟机操作系

8、统的内核空间中；虚拟机操作系统修改授权表，就能定义其