x86平台的设虚拟化技术的研究——设计、改进及应用.pdf

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 ABS丁RACT ABSTRACT virtualization Recently，systembecomestheresearch of science hotspotcomputer and alloVerme ofserver technology wo订d．The印plications andtmsted security’datarecoVery，hi曲perfomlaIlce computing computingrequire moreinte肌sof and pe墒rnlance， of secu—ty．and—reliabilityscalability syst锄 Vimalizat