[發明專利]基于OKL4的嵌入式虛擬化平臺跨Cell數據傳輸系統

有效

• 申請號: 201510017166.9
• 申請日: 2015-01-13
• 公開（公告）號: CN104657225B
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發明（設計）人: 白躍彬;王忠釗;程琨
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F9/54
• 分類號: G06F9/54
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及計算機科學中在嵌入式硬件平臺下的系統虛擬化領域，特別是基于L4系列微內核實現的OKL4平臺上各Cell間的域間通信技術。

背景技術

虛擬化技術是一種計算機系統抽象技術，一般來說，它的核心目標是實現多系統平臺到單一物理平臺的虛擬化映射，同時無需考慮系統平臺的同構、異構屬性。這樣所帶來的好處是底層的物理資源能夠得到充分利用，從而幫助企業降低資源成本以及維護成本。而近年來，隨著嵌入式設備處理器性能的不斷增強以及虛擬化技術的不斷優化，促進了虛擬化技術在嵌入式設備平臺上的應用。在嵌入式系統平臺中引入虛擬化技術，不僅能夠提高底層物理資源的利用率，而且能夠在一定程度上增強整個系統的安全性、可靠性以及容錯能力。現如今，在航空、航天等一些具有高可靠性、高實時性等特殊需求的嵌入式領域，虛擬化技術已經成功勝任。

當前，包括OKL4在內的絕大部分嵌入式虛擬化平臺，主要是以微內核作為底層基礎進行設計開發的。所以相對于傳統虛擬化系統，它不僅能夠支持VMs(完整的操作系統及其包含的應用程序)，還能夠支持單獨的原生應用程序。在虛擬化平臺之上，各虛擬機及原生應用程序以Cell方式進行相互隔離。由于微內核對內核功能進行了充分抽象，所以其僅提供了IPC(Inter-Process Communication)、地址空間(Address Space)、調度(Scheduling)基本機制，其他系統服務模塊以獨立Cell的形式運行于上層用戶態。通過此類方式，嵌入式虛擬化平臺既可以實現對底層硬件資源的抽象，進而為上層Cell提供相互獨立的隔離環境，又可以借助微內核“小而快”的特點，提升整個虛擬化平臺的執行性能和安全性(TCB,即Trusted Computing Base非常小)。

在嵌入式虛擬化平臺中，當上層各Cell需要進行信息交互時，微內核的IPC機制是一種非常高效的方式。目前大部分的嵌入式hypervisor均將IPC機制作為上層虛擬機之間(或虛擬機與原生應用程序之間)傳遞信息的主要方式。由于IPC機制是微內核的核心特征，因此它的功能還是偏向于底層，如果僅依賴IPC機制負責事件通知信息傳遞，那么所存在的問題也比較突出。

首先，IPC機制是一種同步機制，每當需要實現數據傳輸時，它要求發送接收方均處于通信就緒狀態，否則會出現同步機制中常見的阻塞等待、輪詢等待問題。而這種不確定性的阻塞等待，對于嵌入式系統特別是實時系統來說，是無法容忍的。其次，IPC機制主要是以寄存器作為信息載體，而對于任何嵌入式硬件平臺來說，寄存器個數均是非常有限的，所以一次IPC通信所能攜帶的數據量非常有限，所以IPC機制不適用于批量數據傳輸。最后，多通道共存問題。如果通信一方需要同時維護多個通信連接，那么對于每個通信連接的辨識、消息轉存等內容，均需要通信方自身去維護，這將導致整個通信的代價非常大，會對通信雙方的性能造成較大的影響。

發明內容

本系統發明以實現嵌入式虛擬化平臺Cell間的高效、批量數據傳輸為目標，通過研究OKL4虛擬化平臺的技術特征，設計一套面向嵌入式環境的高效數據傳輸系統。該系統既可以實現批量數據在域間快速的傳遞，又可以確保整個數據傳輸過程不會對發送、接收雙方帶來較大的性能開銷。

該系統發明具體包括如下部分：

1.嵌入式虛擬化異步事件傳遞子系統

異步事件傳遞子系統主要負責為OKL4平臺上的各通信Cell提供異步的消息傳遞機制，所有待傳輸的事件通知信息均由異步事件傳遞子系統來維護，直到該消息通知被取走或者超時失效；同時該系統還負責為通信雙端提供函數注冊功能，一旦指定的事件通道上有消息到達，將能夠自動調用回調函數完成與之相關的后續事件處理。除此之外，該子系統還可以確保事件通知被高效傳遞的同時，不會對發送、接收雙方的執行性能帶來較為明顯的影響，即通信雙方只需借助無需復雜的操作即可完成數據傳遞。

2.批量數據跨Cell傳輸子系統