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1、CN43—1258/TPISSN1007—130X计算机工程与科学COMPUTERENGINEERING&SCIENCE2008年第30卷第Al期v01.30,No.A1,2008文章编号:1007—130X(2008)A1—0129-04KVM虚拟机分析AnalysisonKVMVirtualizationMachine李胜召,郝沁汾。肖利民LISheng-zhao。HAOQin-fen,XIAOLbmin(北京航空航天大学计算机学院,北京100083)(SchoolofComputerSciencea
2、ndEngineering,lkihangUniversity,eeoiP瑶100083,China)摘要:KVM(Kemel-basedVirtualMachine,基于内核的虚拟机)是一个新兴的基于Linux内核的虚拟机管理软件。目前其研究资料非常匮乏。本文着重分析KVM虚拟机的内部结构,重点探讨了其内部基于Intelv,r-x的硬件虚拟化技术,从处理器管理、内存管理、设备管理三个方面阐释了KVM虚拟机的基本工作原理及其实现的关键技术;在此基础上探讨了提高KVMI/0效率的方法。Abstract:KV
3、M(Kernel—basedVirtualMachine)isanewvirtualmachinemanagementsoftwarebasedontheLinuxker—nel.Atpresentitsresearchmaterialisverydeficient.ThispaperfocusesontheanalysisoftheKVMvirtnalmachine’Sin-ternalstructure,especiallydiscussesitsinteriorhardwarevirtualizat
4、iontechnologybasedontheIntelv,r.x,andalsoexplainsthebasicprincipleandkeytechnologieswhichtheKVMvirtualmachineusesfromtheprospectsofprocessor,memoryanddevicemanagement.BasedOntheaboveanalysis。amethodofenhancingKVMI/Oefficiencyisproposed.关键词:KVM;硬件虚拟化;处理器管理
5、;内存管理;设备管理Keywords:KVM:hardwarevirtualization;processormanagement;memorymanagement;devicemanagement中图分类号:TP309文献标识码:A1引言上世纪六七十年代,IBM公司最早提出了虚拟机的概念,并将其运用到VM/370系统中。但是后来虚拟机的发展一度很缓慢。现在随着硬件性能的大幅提升以及网络服务整合的需求,使得虚拟机技术获得了良好的发展基础和广泛的应用前景(这里所讨论的虚拟机是系统虚拟机,即支持操作系统的虚拟
6、机)。虚拟机具有很多优点和重要的应用场合,在许多文献[3“1都有提到。下面列举其中一些:(1)充分共享计算机资源,多个操作系统可以同时存在和运行于同一台计算机,使得操作系统的部署灵活方便,并且能够有效隔离操作系统和资源;(2)用于系统软件的测试;(3)能够虚拟物理上不存在的硬件。目前的虚拟机管理软件有很多,例如:Xen,Bochs、Crusoe、Qemu、BIRD、VMware、VinualPC、UML等。而最近出现的基于I.inux内核的虚拟机KVM,由Qumrant公司资助开发,其性能接近单机操作系统
7、(NativeOperatingSystem)。由于其优越的性能和开源性,被业界广泛看好,被认为是未来最有前途的一款虚拟机管理软件。但正是由于其新兴性,关于其内部结构的研究资料非常少,因此本文着重对KVM的内部实现进行了大量深入细致的分析,从处理器管理、内存管理和设备管理三个方面详细的分析了KVM的内部实现及其关键技术,之后分析了KVM现存的一些问题,提出了提高KVMI/O效率的方法,总结和展望了未来KVM的发展。2KVM虚拟机结构及工作原理X86体系结构设计之初并没有考虑对虚拟机的支持,一些特权指令在用
8、户空间执行的时候很难被截获。例如POPF;一些特权状态很难被隐藏,例如CPL(当前特权级)。这为基于X86的虚拟化技术带来一些问题和挑战,Robin和Irvine分析了X86体系结构在虚拟化时面临的问题[6]。一些传统的系统虚拟机,例如:Bochs、Crusoe、Qe-mu、BIRD、VirtualPC、UML等,其实现复杂并且效率较低,KVM吸纳了各个虚拟机的长处和优势,使用基于硬件·收稿日期:2007—04-13;修订日期
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