PcanelV2—于Intel VT-x的VMM架构.docVIP

Pcanel/V2—基于Intel VT-x的VMM架构( 陈文智 姚远 杨建华 何钦铭 (浙江大学计算机科学与技术学院系统结构研究所　杭州　310027) 摘要：个人计算机硬件性能的迅速增强使得通过虚拟化技术建立多个相互隔离的计算域成为未来个人计算机的一种重要发展趋势。为避免传统的IA-32架构在软件虚拟化领域所面临的VMM的设计和实现的困难，我们设计并实现了基于Intel VT-x技术的VMM架构——Pcanel/V2。该架构利用必威体育精装版的硬件虚拟化技术，通过配置出一个可控制的虚拟运行环境，可以直接虚拟运行多个不修改源代码的客户操作系统。在允许客户操作系统正常运行的同时控制它们对各种硬件资源的访问，并能对客户操作系统运行过程中出现的各种情况进行相应的处理。Pcanel/V2实现了Linux和Vxworks的同时运行，相应的数据测试表明Pcanel/V2架构在简化了VMM设计复杂度的同时总体运行效率比软件虚拟化技术提高了约10％。 关键词：虚拟化；VT-x技术；虚拟机监控软件；客户操作系统；系统隔离 概述 虚拟化技术可以提高计算机物理资源的利用率和共享率[1]。并且为提高系统的可靠性、操作性、安全性和实时服务质量提供了新的途径。 当前主流的虚拟化技术是软件虚拟化技术，主要存在种类型让知道它们正工作在一个虚拟的环境中，通过修改它们以使之工作得更好因此操作系统需针对这种方法进行修改和调整，Pacifica技术。其中，Intel VT技术的一个重要的设计目标就是消除半虚拟化和二进制转化技术，简化VMM的实现，可以支持更大范围的、不需修改的操作系统，并且保持高性能[7]。Xen进行了支持VT的尝试[8]，性能获得一定提升。KVM（kernel-based Virtualization Machine，基于内核的虚拟机）[9]也支持VT技术，它作为Linux内核的一个模块存在，充分利用了系统资源，但是它通过QEMU系统模拟的接口让Guest OS在Linux的用户态中运行，其性能比采用软件全虚拟化技术的QEMU要好，但是有些性能不如基于软件半虚拟化技术的Xen[10]。构件化的多内核架构Pcanel[11][12]，可以支持多个不同类型的操作系统在其上的并行运行。针对硬件虚拟化的优点和今后多核的发展趋势，我们在Pcanel基础上设计并开发了基于VT-x技术的IA-32 VMM——Pcanel/V2。 本文后面的内容是这样组织的：第2节先介绍Intel VT-x对虚拟化技术的硬件支持。第3节和第4节介绍Pcanel/V2整体框架，包括总体架构和运行流程。第5节至第9节重点介绍了Pcanel/V2设计的各个重要方面，它们是自主设计的，是不同于其它系统的关键所在。第10节展现了Pcanel/V2原型系统并做了相关性能测试比较。最后一节讨论今后工作要点。 Intel VT-x技术简介 具有VT技术的处理器有两种运行模式：VMX模式和非VMX模式。非VMX模式和不具备VT技术的处理器运行方式完全相同；VMX模式就是VT技术实际发生功效的模式。在VMX模式中，又分为两种新的处理器操作模式：VMX root操作模式和VMX non-root操作模式。VMX root操作模式是提供给VMM使用的，它的功能与没有VT技术的IA-32非常相似（主要区别就是可以使用VMX指令）。VMX non-root操作模式提供了一个选择性的IA-32环境，该环境被VMM控制，被设计用来支持虚拟机。两种操作模式都支持所有的4个特权级，允许客户软件在其所期望的特权级上运行，也提供了VMM使用多个特权级的权利。 VT技术定义了两种新的转换：从VMX root操作模式到VMX non-root操作模式的转换叫做VM entry，从VMX non-root操作模式到VMX root操作模式的转换叫做VM exit。这两种转换被叫做虚拟机控制结构（virtual-machine control structure VMCS）的一个新数据结构控制[13]。VMCS包括一组客户机状态（guest-state area）和一组主机状态（host-state area），两种状态都对应着处理器不同组件的值。VM entry转换把客户机状态装入到处理器的各个寄存器等相关状态中。VM exit转换把处理器各个寄存器状态保存到客户机状态，然后将主机状态装入到处理器中。 VT技术允许客户软件运行在其所期望的特权级上。客户软件的限制，不是来自特权级，而是来自它运行在VMX non-root操作模式上。这个本质使得基于VT技术的VMM可以解决上述提到的传统软件虚拟化中遇到的困难。 总体设计 Pcanel /V2的设计思想有以下3条原则：1）在虚拟机中运行的Guest OS不需要改变源代码。2）充分利