系统虚拟化技术研究

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1、系统虚拟化技术研究【摘要】系统虚拟化技术已经成为当前研究的热点，并在工业界得到了广泛应用。对系统虚拟化技术进行了较为全面的分析，包括系统虚拟化的架构，系统虚拟化中的CPU虚拟化、内存虚拟化、设备虚拟化等关键技术，系统虚拟化的性能评测技术，以及系统虚拟化的应用和相关产品。最后対系统虚拟化的发展趋势进行了展望。【关键词】系统虚拟化；虚拟机监控器；服务器；嵌入式系统1.引言系统虚拟化技术早在20世纪60年代首次开发，由于当时硬件水平的限制，只应用于少数型号的大型机上。20世纪90年代后期，随着微处理器性能的不断提升以及多核处理器的发展，使得系统虚拟化技术开始迅速升

2、温。近儿年来，一些处理器厂商（如Intel和AMD公司）推出带有虚拟化硬件支持的处理器，极大地扩展了虚拟化的应用范围。目前，无论是在高性能服务器领域，还是在嵌入式系统领域，系统虚拟化技术的应用都得到了蓬勃发展。2.系统虚拟化概述2.1定义系统级虚拟化是指将•一台物理主机虚拟化为一台或多台虚拟计算机系统,每个虚拟机（或称分区）都拥有自己的虚拟硬件（如CPU、内存、外设等），以便提供一个独立的虚拟机执行环境。各个虚拟机相互隔离,并能同时运行相互独立的客户操作系统。这些虚拟机系统通过虚拟机监控器(VirtualMachineMonitor,VMM)访问实际的物理资

3、源，并通过其调度和管理。VMM通常也称Hypervisor0并不是所有的计算机体系结构都被设计成可被虚拟化的。1974年Popek和Goldberg提出并证明了可以被虚拟化的条件：对于任何计算机，如果其敏感指令是其特权指令的一个子集，则可以为其构建一个VMMo敏感指令即操作特权资源的指令。如果CPU对敏感指令的支持不符合该规则,则称其存在“虚拟化漏洞2.2虚拟化架构分类按照VMM在系统层次中的不同位置，可以分为以下三种模型，见图裸金屈(Bare-metal)模型：VMM直接运行在物理的硬件层上，客户操作系统运行在VMM之上，从架构上看，VMM负责为所有的虚拟

4、机分配和调度资源，亦称Type-1类型的虚拟化。宿主模型：VMM直接运行在宿主操作系统之上，VMM利用宿主操作系统的资源管理和调度等功能来实现资源虚拟化，亦称Type-2类型的虚拟化。混合模型：是上述两种模型的合体。VMM依然位于最底层，拥有所有的物理资源。VMM会主动让出大部分I/O控制权，将它们交由一个运行在特权虚拟机中的特权操作系统来控制。2.3系统虚拟化关键技术系统虚拟化主要对物理计算机所拥有的关键资源如CPU、内存和1/()设备进行虚拟化。CPU虚拟化主要解决对敏感指令的执行以及中断异常的处理。如二进制代码翻译技术通过将敏感指令和非敏感指令转换成不

5、包含敏感指令的集合；IntelVT-X或AMDSVM技术引入新的处理器模式和指令使得客户机的敏感指令在受控模式下陷入到VMM；超级调用技术修改客户操作系统，将对敏感指令的操作转换为对VMM的超级调用。内存虚拟化主要解决客户机虚拟地址(GVA)-＞客户机物理地址(GPA)-＞真实物理地址(HPA)的转换。影子页表技术通过在VMM中为每个客户机维护一张GVA到HPA的映射表；IntelEPT或AMDNPT技术，通过提供硕件机制来协助上述地址自动转换；MMU半虚拟化技术通过超级调用技术直接修改客户操作系统的页表来完成地址转换。I/O设备虚拟化主要解决虚拟机对有限外

6、设资源的复用和安全使用等问题。主要有：设备接口完全模拟；利用InetlVT-d或AMDIOMMU硬件机制，通过DMA重映射，使得客户机可直接访问I/O设备；利用SR-IOV技术，通过硕件机制可将单个PCTe设备对上层软件虚拟化为多个独立的PCIe设备；前/后端(FE/BE)驱动模型或Virtio技术,通过在虚拟机中安装前端驱动，VMM中安装后端驱动，来完成客户的I/O请求。根据VMM所提供的虚拟平台，可将虚拟化分为两类，全虚拟化(FullVirtualization)和半虚拟化(ParaVirtualization),其屮全虚拟化包括软件辅助的虚拟化和硕件辅

7、助的虚拟化。全虚拟化：是指虚拟机中模拟了完整的底层硬件，使得客户操作系统完全不做修改就可在虚拟机内运行。在全虚拟化中，客户操作系统不知道自己运行在虚拟的平台中。软件辅助的全虚拟化：通过软件模拟的技术來避开虚拟化的漏洞。硬件辅助的全虚拟化：为弥补计算机硬件体系架构在虚拟化方面的缺陷以及提高虚拟化的效率，硬件通半虚拟化：主要思想是通过修改客户操作系统，使得客户操作系统与VMM配合工作，避开虚拟化的漏洞。在半虚拟化中，客户操作系统知道自己运行在虚拟的平台上，并且会主动适应。半虚拟化也称为类虚拟化或泛虚拟化。虚拟化技术的对比见表201.系统虚拟化的性能评测目前的测试

8、方法主要冇两种，一•种是通过对客户操作系统的性能评测