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x86平台的设虚拟化技术的研究——设计、改进及应用
摘要
摘 要
近年来,平台虚拟化技术成为了国内外计算机领域的研究热点。服务器合并、
网络安全、数据保护、高性能计算和可信计算等方面的应用对平台虚拟化技术的
性能、安全可靠性和可伸缩性有了更高的要求。其中,设备虚拟化技术中所关注
的一些关键问题包括性能、安全性和实现的难易程度等。
首先,在研究当前设备虚拟化技术的基础上,本文提出并实现了一种基于设备
模拟模型的显示设备加速方案。该方案使虚拟机可以直接访问其显示设备MMIo
空间,同时结合内存虚拟化模块,进行显示设备MMIO空间访问状态追踪,生成
显示设备MMl0空间修改位图(DirtyBitmap),显示设备模拟模块根据这一修改位
图进行虚拟机屏幕部分区域重绘。为了测试该优化方案,因此设计了一套专用测
试系统,并进行了对比性的测试。测试结果表明,该方案有利于提高系统性能,
缓解了系统I/O瓶颈,并增强了系统可伸缩性。
第二,现有的设备虚拟化模型中,模拟模型和泛虚拟化模型均存在着许多不足,
前者性能损失严重,后者需要修改客户操作系统。为了更进一步地满足应用领域
对设备性能的需要,在研究X86平台上的硬件IoMMU特性的基础上,提出了一
种基于Xen的通用I/O设备直接分配模型的设计实现方案。该方案将一个物理I/O
设备分配给一个虚拟机,使其可以与设备进行直接的数据交换,包括虚拟机中的
客户操作系统进行MMIo访问和被分配的设备进行DMA操作。设备直接分配模
型无需修改客户操作系统,并且大大提高了系统性能及设备数据交换安全性。这
是本文最重要的贡献之一。
第三,将设备虚拟化模型应用于显示设备、网络设备和USB存储设备等实例
中。在设计实现显示设备直接分配模型中,提出了处理设备自带BIoS的解决方案。
然后,采用不同的测试方案,对上述三种设备虚拟化实现分别进行了对比性的测
试。其性能评测结果表明,直接分配模型的性能十分接近于非虚拟化环境,远远
超过设备模拟模型。设备直接分配模型,无需修改虚拟机内的客户操作系统或驱
动,降低了软件复杂度,性能大大优于传统的虚拟化模型,利用硬件IoMMU保
障系统安全性,成为目前的发展趋势。
最后,本文对设备虚拟化技术发展方向进行了展望,提出了一个基于设备自我
虚拟化技术的设备虚拟化模型架构。拥有自我虚拟化功能的设备,提供多套独立
摘要
的控制接口,每一套接口可被分配给一个虚拟机并由其直接控制。
关键词:设备虚拟化,设备模型,直接分配,IoMMu
ll
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ABSTRACT
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