隨著系統(tǒng)虛擬化技術的不斷發(fā)展,處理器虛擬化和內存虛擬化在功能上逐步完善,性能也日益提高。但設備虛擬化仍然是制約虛擬化整體性能的瓶頸所在,因此為VMM提供高效的設備虛擬化模型是目前系統(tǒng)虛擬化中亟待解決的問題之一。 設備虛擬化的目標是為客戶機提供可復用的虛擬設備,需要在滿足客戶機對設備透明訪問的同時,保證設備訪問的可靠性、高效性和安全性。現(xiàn)有的設備虛擬化模型面臨的主要問題在于驅動程序給VMM本身帶來的安全風險,設備更新和系統(tǒng)升級的不便性,IO處理延遲等。 針對上述問題,本文采用了另一種形式的分離驅動模型,借助多核平臺將特權域從虛擬機中轉移到了一個IO處理機中。該IO處理機以對等的形式與VMM同時運行在一臺機器上,能夠消除由于調度引發(fā)的IO處理延遲,同時避免頻繁的特權級切換。在此基礎上, 本文設計了通用的設備虛擬化模型,主要內容包括以下四個方面: 1、虛擬設備構造。利用客戶機啟動對其BIOS的依賴,按照真實系統(tǒng)配置以及用戶的要求完成客戶機BIOS數(shù)據(jù)配置為客戶機提供一套虛擬的設備映像,使得客戶機可以通過虛擬BIOS完成對設備的檢測。 2、IO操作截獲與解析。利用處理器或內存虛擬化技術截獲客戶機向虛擬設備發(fā)起的IO請求,并進一步對IO請求信息進行解析,以獲得具體的IO請求內容,向設備模型提供IO信息來源。 3、數(shù)據(jù)地址空間轉換。IO請求處理過程中,涉及到數(shù)據(jù)在客戶機地址空間、VMM地址空間、IO共享數(shù)據(jù)區(qū)之間的傳遞,完成了三者之間的地址轉換。 4、關鍵設備模擬。采用軟件模擬方式完成了設備模擬的一般實現(xiàn)方法并實現(xiàn)了DMA控制器和網(wǎng)卡的基本功能。通過對DMA和網(wǎng)卡的模擬,VMM可以響應客戶機的DMA請求并完成部分網(wǎng)絡傳輸功能,具有較好的性能。 測試表明,本文實現(xiàn)的DMA虛擬化操作相較于非虛擬化環(huán)境下DMA操作性能有將近15%的損耗,實現(xiàn)的網(wǎng)卡虛擬化性能比非虛擬化環(huán)境降低了22%左右,略高于目前的DMA和網(wǎng)卡實現(xiàn),但與非虛擬化環(huán)境相比也有一定的差距。這表明本文設計的設備虛擬化模型一定程度上能夠提高IO性能,具備通用、穩(wěn)定特性,可以為下一步的系統(tǒng)虛擬化設計與改進提供指導意義。
【學位單位】：解放軍信息工程大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2011
【中圖分類】：TP332
【文章目錄】：
表目錄
圖目錄
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 課題背景
        1.1.1 虛擬化定義
        1.1.2 虛擬機和虛擬機監(jiān)控器
        1.1.3 虛擬化技術應用
    1.2 系統(tǒng)虛擬化研究歷程
        1.2.1 系統(tǒng)虛擬化的歷史
        1.2.2 系統(tǒng)虛擬化研究現(xiàn)狀
        1.2.3 系統(tǒng)虛擬化中的問題與解決方案
    1.3 課題來源和研究內容
    1.4 論文組織結構
第二章 設備虛擬化技術研究
    2.1 設備虛擬化概述
    2.2 設備虛擬化的關鍵問題
    2.3 設備虛擬化解決方案
        2.3.1 VMM 直接驅動方式
        2.3.2 VMM 分離驅動方式
        2.3.3 硬件輔助設備虛擬化
    2.4 Intel VT-x 技術
    2.5 Intel VT-d 技術
        2.5.1 直接設備訪問機制
        2.5.2 DMA 重映射機制
        2.5.3 中斷重映射機制
    2.6 多核平臺中的設備虛擬化問題
    2.7 本章小結
第三章 設備虛擬化模型設計
    3.1 設備虛擬化的研究基礎
    3.2 設備虛擬化需求分析
    3.3 基于協(xié)作型VMM 的設備虛擬化模型
    3.4 設備虛擬化模型子系統(tǒng)設計方案
        3.4.1 虛擬設備構造子系統(tǒng)
        3.4.2 IO 操作截獲與解析子系統(tǒng)
        3.4.3 數(shù)據(jù)地址空間轉換子系統(tǒng)
        3.4.4 設備模擬子系統(tǒng)
    3.5 模型設計中的關鍵問題分析
    3.6 本章小結
第四章 設備虛擬化模型實現(xiàn)
    4.1 基于虛擬BIOS 的設備構造
        4.1.1 設備構造內容
        4.1.2 外圍設備構造
        4.1.3 用戶配置信息
        4.1.4 處理器配置表構造
        4.1.5 物理內存布局構造
    4.2 IO 操作的截獲與解析
        4.2.1 IO 操作信息描述
        4.2.2 IO 操作截獲
        4.2.3 IO 指令解析
        4.2.4 MMIO 解析
    4.3 數(shù)據(jù)地址空間轉換
        4.3.1 讀操作中的地址轉換
        4.3.2 寫操作中的地址轉換
    4.4 本章小結
第五章 關鍵設備模擬實現(xiàn)
    5.1 設備模擬實現(xiàn)思路
        5.1.1 設備模擬的基本方法
        5.1.2 設備模擬的必要內容
    5.2 模擬DMA 實現(xiàn)
        5.2.1 8237A 工作原理分析
        5.2.2 8237A 寄存器構造
        5.2.3 8237A 端口屬性與分配
        5.2.4 8237A 數(shù)據(jù)處理流程
    5.3 模擬網(wǎng)卡實現(xiàn)
        5.3.1 8390 工作原理分析
        5.3.2 8390 端口屬性與分配
        5.3.3 8390 數(shù)據(jù)處理流程
    5.4 本章小結
第六章 測試與分析
    6.1 測試環(huán)境和目的
    6.2 指令截獲和轉換測試
    6.3 DMA 測試與分析
    6.4 網(wǎng)卡測試與分析
    6.5 本章小結
結束語
    一、論文工作總結
    二、工作展望
參考文獻
作者簡歷 攻讀碩士學位期間完成的主要工作
    一、 個人簡歷
    二、 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文
    三、 攻讀碩士學位期間的科研情況
致謝

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 董耀祖;周正偉;;基于X86架構的系統(tǒng)虛擬機技術與應用[J];計算機工程;2006年13期

2 周斌;張瑩;;虛擬化技術性能分析與比較[J];現(xiàn)代計算機(專業(yè)版);2009年05期

相關碩士學位論文 前3條

1 時光;基于VT-x的處理器虛擬化技術研究[D];解放軍信息工程大學;2010年

2 王曉睿;虛擬機監(jiān)控器體系結構研究[D];解放軍信息工程大學;2010年

3 孫昱;虛擬機Xen及其實時遷移技術研究[D];上海交通大學;2008年

本文編號：2873076