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X86平台的设备虚拟化技术的研究

作　者: 黄歆媚
导　师: 雷航
学　校: 电子科技大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 设备虚拟化设备模型直接分配 IOMMU
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 361次
引　用: 2次
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内容摘要

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MMIO空间修改位图(Dirty Bitmap),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。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-14
第一章绪论  14-23
  1.1 研究背景  14-17
    1.1.1 虚拟化  14
    1.1.2 虚拟机和虚拟机监控器  14-15
    1.1.3 虚拟化技术的分类  15-16
    1.1.4 虚拟化技术的应用  16-17
  1.2 研究意义及目的  17-18
  1.3 国内外研究现状  18-21
    1.3.1 采用指令流补丁技术的VMware  18-19
    1.3.2 高性能的虚拟机系统Xen  19-20
    1.3.3 分布式虚拟机系统Virtual Iron  20
    1.3.4 最新外硬件虚拟化进展  20-21
  1.4 论文的主要工作及创新点  21
  1.5 论文的组织结构  21-23
第二章背景知识介绍  23-42
  2.1 虚拟机系统架构  23-25
    2.1.1 宿主机模型架构  23-24
    2.1.2 独立监控器模型架构  24
    2.1.3 混合模型架构  24-25
  2.2 X86 平台上处理器硬件虚拟化  25-26
  2.3 设备虚拟化的要求  26-27
  2.4 主流设备虚拟化模型  27-30
    2.4.1 模拟模型  27-28
    2.4.2 泛虚拟化模型  28-29
    2.4.3 基于IOVM 架构的泛虚拟化设备模型  29-30
  2.5 Xen 相关介绍  30-41
    2.5.1 服务管理接口  31-32
    2.5.2 事件通道机制  32-33
    2.5.3 虚拟设备模型  33-38
      2.5.3.1 泛虚拟化模型  33-35
      2.5.3.2 模拟模型  35-38
    2.5.4 内存虚拟化  38-41
      2.5.4.1 地址转换关系  38
      2.5.4.2 影子页表  38-39
      2.5.4.3 Hypervisor 地址空间分布  39-40
      2.5.4.4 HVM 域地址空间分页  40-41
  2.6 本章知识小结  41-42
第三章加速显示设备模拟模型  42-56
  3.1 基于 Xen 的设备模拟模型  42-43
  3.2 改进方案设计思想  43-45
    3.2.1 直接MMIO 空间访问  43-44
    3.2.2 全更新策略  44
    3.2.3 基于内容比较的更新策略  44-45
    3.2.4 Hypervisor 辅助的优化方案  45
  3.3 显示设备加速方案设计与实现  45-50
    3.3.1 Hypervisor 端  47-49
      3.3.1.1 相关服务调用接口  47
      3.3.1.2 VRAM 相关控制结构  47-48
      3.3.1.3 重要服务例程  48-49
    3.3.2 设备模型(Qemu)端  49-50
      3.3.2.1 相关数据结构和例程  49
      3.3.2.2 服务调用(Hypercall) 的接口  49-50
  3.4 进一步优化  50-51
  3.5 性能评测及分析  51-55
    3.5.1 测试方案设计  51-53
    3.5.2 测试结果及分析  53-55
  3.6 本章小结  55-56
第四章设备直接分配模型设计及实现  56-77
  4.1 设计思想  56-59
    4.1.1 设备直接分配模型  56
    4.1.2 高效及安全性考虑  56-57
    4.1.3 IOMMU 和Vt-d  57-59
  4.2 总体架构  59-62
  4.3 IOMMU 设备初始化  62-66
  4.4 设备分配  66-70
    4.4.1 Hypervisor 中设备直接分配管理模块  66-69
    4.4.2 Stub 设备模块  69-70
  4.5 PCI 配置空间访问  70-71
  4.6 I/O 虚拟化  71-75
    4.6.1 端口映射I/O  71-73
      4.6.1.1 指令截获及指令解析  71-72
      4.6.1.2 虚拟端口资源管理  72
      4.6.1.3 I/O 虚拟化处理流程及相关例程  72-73
    4.6.2 内存映射I/O  73-75
      4.6.2.1 P2M 表的设置  73-75
      4.6.2.2 相关例程  75
  4.7 中断虚拟化  75-76
  4.8 本章小结  76-77
第五章典型应用及性能评测  77-84
  5.1 显卡直接分配模型的实现  77-81
    5.1.1 VGA BIOS 虚拟化处理  78
    5.1.2 I/O 虚拟化实现  78-79
    5.1.3 虚拟机空间配置  79-80
    5.1.4 性能评测  80-81
  5.2 网络设备和USB 存储设备直接分配模型性能评测  81-83
  5.3 安全性的保障  83
  5.4 本章小结  83-84
第六章结论与展望  84-86
  6.1 结论  84-85
  6.2 虚拟化技术发展趋势  85-86
致谢  86-87
参考文献  87-91
攻硕期间取得的研究成果  91-92

X86平台的设备虚拟化技术的研究

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