[發(fā)明專利]一種內(nèi)核虛擬機(jī)組織架構(gòu)模式的實(shí)現(xiàn)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010271427.7
• 申請(qǐng)日: 2010-09-02
• 公開（公告）號(hào): CN101968746A
• 公開（公告）日: 2011-02-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董翰飛;郝沁汾;張鐵剛;丁濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F9/455
• 分類號(hào): G06F9/455;G06F9/46
• 代理公司: 北京慧泉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種內(nèi)核虛擬機(jī)組織架構(gòu)模式的實(shí)現(xiàn)方法，主要是涉及內(nèi)核虛擬機(jī)(Kernel-Based?Virtual?Machine，簡(jiǎn)稱KVM)在Linux操作環(huán)境下的組織架構(gòu)模式，以內(nèi)核虛擬機(jī)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)其虛擬機(jī)軟件架構(gòu)的優(yōu)化，涉及虛擬化監(jiān)控程序優(yōu)化技術(shù)。屬于計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

1、虛擬機(jī)的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著虛擬化技術(shù)在x86體系結(jié)構(gòu)下的不斷發(fā)展和單臺(tái)物理機(jī)性能的不斷提高，使得一臺(tái)物理機(jī)提供多個(gè)不同模擬計(jì)算環(huán)境成為可能，在實(shí)踐上則表現(xiàn)為虛擬化軟件的流行及云計(jì)算架構(gòu)的興起。在單臺(tái)物理機(jī)上運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，每個(gè)虛擬機(jī)模擬一種特定的計(jì)算機(jī)架構(gòu)并運(yùn)行相應(yīng)的操作系統(tǒng)，使得物理機(jī)的計(jì)算資源得以充分利用。虛擬機(jī)技術(shù)用于數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算等服務(wù)提供領(lǐng)域，則可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)整合，監(jiān)控一體化，進(jìn)而提升服務(wù)質(zhì)量及資源復(fù)用率。

通過虛擬機(jī)技術(shù)，物理機(jī)中的可用資源在邏輯上被分為不同的集合，每個(gè)集合與其他集合之間屬于隔離關(guān)系。其中不能直接訪問被隔離對(duì)象的資源空間。這些不同的隔離集合分別被稱為主機(jī)(Host)、虛擬機(jī)監(jiān)控器(VMM，Virtual?Machine?Monitor)以及多個(gè)虛擬機(jī)(VM，Virtual?Machine)。在內(nèi)核虛擬機(jī)架構(gòu)中，VMM可以與Host共存，并作為Host的一個(gè)進(jìn)程出現(xiàn)，由Host上運(yùn)行的操作系統(tǒng)(Host?OS)調(diào)度。不同的VM也作為Host上的單獨(dú)進(jìn)程出現(xiàn)。VMM通過Host?OS提供的進(jìn)程調(diào)用模式，調(diào)用不同的虛擬機(jī)進(jìn)程，從而實(shí)現(xiàn)在不同虛擬機(jī)之間進(jìn)行切換。這種模式下，VMM利用進(jìn)程對(duì)進(jìn)程擁有的內(nèi)部資源的保護(hù)機(jī)制，來(lái)隔離不同的虛擬機(jī)。整個(gè)架構(gòu)應(yīng)具有很好的隔離性、可擴(kuò)展性和可靠性，且能夠簡(jiǎn)單方便的進(jìn)行部署和管理維護(hù)。

隨著虛擬化在x86架構(gòu)上的日趨成熟化，虛擬機(jī)技術(shù)也越來(lái)越多的用在實(shí)際應(yīng)用中。但是當(dāng)前成熟的軟件虛擬化技術(shù)在處理一部分指令時(shí)，需要將這部分指令移交至主機(jī)操作系統(tǒng)執(zhí)行，這會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)處理能力的下降。尤其是在IO操作密集時(shí)，VMM需要頻繁地停止當(dāng)前正在運(yùn)行的虛擬機(jī)，將控制權(quán)交給Host?OS，在Host?OS處理完成后，通過進(jìn)程調(diào)度，將使用權(quán)交還給VMM，再由VMM調(diào)用相應(yīng)虛擬機(jī)執(zhí)行下面的操作。整個(gè)處理過程的冗余導(dǎo)致Host資源使用率的異常提升，以及虛擬機(jī)業(yè)務(wù)效率的嚴(yán)重降低。

為了更好的實(shí)現(xiàn)虛擬化技術(shù)在實(shí)際工程中的使用，有必要提出一種新的內(nèi)核虛擬機(jī)的組織架構(gòu)模式，來(lái)更好的處理VM與VMM，VMM與Host之間的交互，來(lái)達(dá)到全面提升虛擬機(jī)性能的目的。

2、硬件虛擬化技術(shù)

通過VMM的資源重映射功能，底層物理資源為VM在ISA層面(Instruction?Set?Architecture，指令集架構(gòu))提供了一個(gè)邏輯上等價(jià)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)及相應(yīng)資源集合，為客戶操作系統(tǒng)虛擬出一個(gè)邏輯硬件層。

因?yàn)楝F(xiàn)行軟件虛擬化技術(shù)在體系結(jié)構(gòu)組織上存在著問題，芯片廠商推出了基于硬件的硬件虛擬化技術(shù)。支持虛擬化的CPU的ISA集經(jīng)過特別設(shè)計(jì)，專門增加了特定的ISA指令，來(lái)控制虛擬過程。通過對(duì)虛擬化過程進(jìn)行直接操縱的ISA指令，VMM與Host?OS之間的交互可以更加直接快速。硬件虛擬化技術(shù)可提供基于芯片的功能，借助兼容VMM軟件能夠改進(jìn)純軟件解決方案。

硬件虛擬化對(duì)常用的處理器特權(quán)級(jí)別進(jìn)行一定的修改。在常規(guī)狀態(tài)下，x86?處理器有四個(gè)CPL(Current?Privilege?Level)，分別為Ring0-Ring3。只有在Ring0-2級(jí)別下運(yùn)行時(shí)，處理器才可以訪問特權(quán)資源或者執(zhí)行特權(quán)指令；一般情況下x86平臺(tái)上的軟件只運(yùn)行在Ring0和Ring3兩個(gè)級(jí)別，Ring0負(fù)責(zé)OS的運(yùn)行，Ring3則負(fù)責(zé)用戶進(jìn)程的運(yùn)行。VMM為了保證對(duì)資源的整體掌控，需要運(yùn)行在Ring0級(jí)別，但是與之對(duì)應(yīng)的Guest?OS需要管理自身?yè)碛械倪壿嬞Y源，同時(shí)因?yàn)椴荒苡绊慔ost?OS與VMM對(duì)物理機(jī)整體資源的管理，也不能運(yùn)行在Ring0級(jí)別，所以Guest只能運(yùn)行在Ring1或者Ring3級(jí)別(Ring2級(jí)別一般不被使用)。而為了實(shí)現(xiàn)上的便利，Guest?OS一般往往被降級(jí)在Ring3等級(jí)上實(shí)現(xiàn)。