arm平台上实现linux内核虚拟机技术分析word格式论文.docxVIP

1 绪论1.1虚拟机技术概论虚拟机技术是指在传统的计算机系统的硬件系统和软件系统之间加入一个虚拟中间层，这个虚拟中间层可以为应用程序或者一个操作系统提供独立稳定的运行环境，屏蔽了硬件平台的异构性、动态性和分布性等细节特征，可以使硬件资源在不同操作系统或不同用户下进行复用和共享，并为每个用户提供隔离独立的计算环境，同时也使系统管理员能够集中地管理计算机硬件和软件资源。虚拟机是在真实的计算机之上的一个软件实现，该实现能够支持被虚拟的机器的体系结构[1]。虚拟机技术产生于20 世纪60 年代，当时的计算机硬件技术发展水平低下而且硬件资源比较稀缺和珍贵，为了提高对计算资源的利用率，虚拟机技术得到了广泛的使用和研究。但是到了20 世纪80 年代，随着计算机硬件成本的下降和支持多用户与多任务的操作系统的产生，虚拟机技术之前的优势越来越不明显，这段时间虚拟机的发展就基本停滞了。然而到了21世纪，随着计算机硬件的性能越来越强大，如何能够提高计算机硬件与软件系统的利用率，降低计算机系统的管理成本，怎样提高计算机系统的安全性和可移植性等问题的研究，使得虚拟机技术再次成为计算机技术的一个重要研究领域。虚拟机监控器（VMM）运行在处理器的特权级，负责管理位于上层的虚拟机（VM）的创建和运行，为虚拟机提供一个独立安全的运行环境，虚拟机监控器为虚拟机模拟出一套与主机硬件平台无关的硬件系统，包括CPU、主存储器、以太网卡等。按照虚拟机监控器在系统中所处的位置可以将它分为三种实现模式[2]：(1)独立监控模式。VMM运行在没有任何软件系统的计算机硬件平台上，可以直接管理和使用计算机的底层硬件资源，具有最高的特权级别，向上为运行在VM 中的客户操作系统提供抽象的底层硬件接口。VMM能够截获客户操作系统对系统硬件资源的访问，拥有底层硬件驱动。(2)主机模式。在这种模式下，VMM是作为一个应用层序运行在主机操作系统之中，VMM利用主机操作系统提供的设备驱动服务来完成虚拟机的内存管理、进程调度等功能，这种模式的系统性能开销较大。(3)混合模式。这种模式结合了以上两种模式的优点，使VMM直接运行在计算机硬件平台上，并拥有最高的特权级别。不过VMM 本身被设计成轻量级的，只负责向客户操作系统提供一部分系统服务（虚拟CPU 和虚拟内存管理），它把I/O 设备的模拟交给一个拥有特权的虚拟机。这种模式的VMM 也不包括设备驱动程序。独立监控模式的虚拟机系统结构独主机模式的虚拟机系统结构混合模式的虚拟机系统结构客户应用程序客户操作系统客户应用程序客户操作系统客户应用程序客户操作系统..客户应用程序客户操作系统虚拟机-1客户应用程序客户操作系统虚拟机-2客户应用程序客户操作系统...虚拟机-n管理工具客户操作系统客户应用程序客户操作系统客户应用程序客户操作系统..虚拟机-1虚拟机-2.虚拟机-n虚拟机监视器（VMM）虚拟机-1虚拟机-2.虚拟机-n虚拟机监视器（VMM）计算机硬件宿主操作系统计算机硬件图1.1 三种虚拟机系统结构模式示意图虚拟机监视器（VMM）计算机硬件[3]：根据虚拟化的实现所位于的计算机系统抽闲层次的不同，可将虚拟机系统分为三种(1) 硬件级虚拟机（HAL）。这种虚拟机实现方案支持在一台计算机系统上同时存在多个运行环境，每个运行环境可以支持一个客户操作系统[4]。硬件级虚拟机必须能够对处理器架构平台中的一些特权指令（比如修改页表等操作）进行处理，执行这些指令时需要产生陷阱并将它传递给下层的虚拟机监控器来处理。虚拟机和主机操作系统可以共享底层的物理硬件资源，在主机操作系统上通过虚拟机监控器展现给客户操作系统多个独立且相互隔离的虚拟计算机硬件平台。硬件级虚拟机具有高度的隔离性，它实现了虚拟机之间和底层物理硬件之间有效的隔离，并且它创建的虚拟机在用户角度看与普通的计算机没有差别，易于用户接受和操作，而且这种虚拟机可以支持不同形式的客户操作系统。硬件级虚拟机成熟的产品有VMWare、Xen、MicrosoftVirtual PC等。(2) 操作系统级虚拟机。操作系统级虚拟机也称为虚拟私人服务器或虚拟环境，可以提供执行用户程序的功能。操作系统级虚拟化的方式是：在操作系统之上的虚拟层根据每个虚拟机的要求为其创建一个运行在物理计算机之上的操作系统副本，以这种方式为每个虚拟机创建一个完整的客户操作系统，并且实现虚拟机与物理机器的隔离。操作系统级虚拟机系统中的所有虚拟机共享同一个操作系统内核，增加或者减少虚拟机的数量时都不需要重新启动这个内核，因而操作系统级虚拟机的系统开销很小，能够很大限度地利用服务器资源，一台个人计算机能够支持上百个数量级的操作系统级虚拟机同时运行，不过操作系统级虚拟机只支持相同类型的客户操作系统。操作系统级虚拟机产品有Virtuozzo、Feather-