基于X86架构的系统虚拟机技术与应用
第３２卷Ｖｒ０１．３２第１３期
№１３
计算机工程
ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２００６年７月
Ｊｕｌｙ２００６
?软件技术与数攮｝库?文章编号：ｌ∞ｏ＿－３４２８（２０％）１３—∞７ｌ—０３文献标识码ｔＡ中圈分类号ｔＴＰ３１６基于Ｘ８６架构的系统虚拟机技术与应用
董■祖“，月正伟１
（１．上海交通大学微电子学院，上海２０００３０；２．英特尔中国有限公司，上海２００３３６）
摘要：介绍了基于Ｘ８６的主流泛虚拟化（Ｐａｒａｖｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ）及完全虚拟化技术（Ｆｕｌｌ－ｖｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ）尤其是芯片虚拟化技术的支持。描述了两个实现泛虚拟化技术的系统虚拟机Ｄｅｎａｌｉ及ＸＥＮ，阐述了完全虚拟化的发展现状，以及支持两种技术结合的解决方案，展望了虚拟机技术的发展前景及其应用。
关健词：虚拟机；虚拟化技术；泛虚拟化；完全虚拟化；服务器加固
Ｘ８６－ｂａｓｅｄＳｙｓｔｅｍＶｉｒｔｕａｌＭａｃｈｉｎｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ＤｏＮＧＹａｏｚｕ“．ＺＨＯＵＺｈｅｎｇｗｅｉｌ
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００３０；２．ＩｎｔｅｌＣｈｉｎａＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００３３６）
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆＸ８６ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｂａｓｅｄｐａｒａｖｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｆｕｌｌ—ｖｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｆｏｒｈａｒｄｗａｒｅ
ａｓｓｉｓｔａｎｔｖｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐｒｏｐｏｓｅｓｔｗｏｓｙｓｔｅｍｉｃｖｉｒｔｕａｌｍａｃｈｉｎｅｓ，ＤｅｎａｌｉａｎｄＸＥＮ，ｗｈｉｃｈｓｕｐｐｏｒｔｔｈｅｐａｒａＶｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅｎｉｔｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｆｕｌｌ—ｖｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｎｔｈｅｍｅａｎｔｉｍｅ，ｉｔｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｔｈａｔｓｕｐｐｏｒｔｓｔｈｅｓｅｔｗｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ａｎｄｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｈｅｔｒｅｎｄｓｏｆｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｖｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｉｔｓｕｓａｇｅｍｏｄｅｌ．
［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ！Ｖｉｒｔｕａｌｍａｃｈｉｎｅ；Ｖｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ；Ｐａｒａｖｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ；Ｆｕｌｌ—ｖｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ；Ｓｅｒｖｅｒｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ
ｌ概述
计算机的运行通常都离不开一个合适的操作系统，一个特定的指令集（实现它的处理器）、内存系统和Ｉ／Ｏ系统的硬件平台。安装Ｌｉｎｕｘ的机器无法直接运行Ｗｉｎｄｏｗｓ的应用程序，同样装Ｗｉｎｄｏｗｓ的机器无法直接运行Ｌｉｎｕｘ的应用程序，另外应用程序之间无法真正相互隔离使得一个应用程序的错误可能导致整个系统的崩溃。这些都促进了虚拟计算机（ＶｉｒｔｕａｌＭａｃｈｉｎｅ）技术的发展。基于Ｘ８６架构的商用电脑虚拟机产品的推出，如Ｖｍｗａｒｅ、ＶｉｒｔｕａｌＰＣ等，使虚拟计算机技术得到了前所未有的发展。如图ｌ（ａ）所示，虚拟化技术通过在现有平台（机器）上添加一层薄的虚拟机监控（ＶｉｒｔｕａｌＭａｃｈｉｎｅＭｏｎｉｔｏｒ，ＶＭＭ）软件而实现对系统的虚拟化，如虚拟处理器、虚拟内存管理器（ＭＭＵ）和虚拟Ｉ／Ｏ系统等。从应用程序的角度看，程序运行在虚拟机上同运行在其对应的实体计算机上一样，即在某一特定的指令体系（ＩｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＳｅｔＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＩＳＡ）和／或操作系统上，如图１（ｂ）所示。
图１虚拟化软件及虞拟计算机的层次结构子和计算机工程系的ＪａｍｅｓＥ．Ｓｍｉｔｈ教授和ＩＢＭ公司的ＲａｖｉＮａｉｒ将基于指令体系接Ｉ：１（ＩＳＡ）抽象的虚拟机称之为系统虚拟机（ＳｙｓｔｅｍＶＭｓ），而将基于应用程序接Ｉ：１（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＢｉｎａｒｙ
Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ＡＢＩ）抽象的虚拟机称之为进程虚拟机（ＰｒｏｃｅｓｓＶＭｓ）。在Ｘ８６体系架构中，由于其固有的虚拟化技术漏洞，基于Ｘ８６体系架构的系统虚拟机技术长期没有得到发展，直到最近几年才形成了并喷式的发展。
１．１ＶＭＭ模型的分类
根据ＶＭＭ在整个物理系统中（或上一层虚拟机系统中）的实现位置及实现方法的不同，如图２所示系统虚拟机的模型可以分为：（１）监控模型（ＨｙｐｅｒｖｉｓｏｒＭｏｄｅｌ），即ＶＭＭ直接运行在裸机上（没有操作系统）。采用这种模型的ＶＭＭ运行在处理器的最高特权级，而所有的客户机则运行在较低的特权级以使ＶＭＭ可以截取所有客户ＯＳ对系统资源的访问，从而实现对系统资源的虚拟化；（２）主机模型（Ｈｏｓｔ—ｂａｓｅｄＭｏｄｅｌ），即ＶＭＭ运行在主机ＯＳ上（Ｈｏｓｔｏｓ）。这种方式的虚拟机也叫有宿主的虚拟机，它使得ＶＭＭ可以充分利用宿主ＯＳ所提供的设备驱动及底层服务且不需要去除原来机器上已经安装的操作系统。但缺点是宿主ＯＳ的介入可能会导致系统性能的损失；（３）混合模型（ＨｙｂｒｉｄＭｏｄｅｌ）。混合模型集成二者的优点，既可以利用主机ＯＳ的现成设备驱动实现虚拟机的设备模型，又可以利用监控模型的高效率。
１．２虐拟化技术的分类
ＶＭＭ抽象虚拟机的ＩＳＡ可以等同于它运行的物理机器，也可以不完全相同。当虚拟的ＩＳＡ与物理的ＩＳＡ相同时，该虚拟机可以运行没有任何修改的原操作系统；而当二者不相作者倚介：董耀祖（１９６８一），男，硕士、工程师，主研方向：虚拟
根据应用程序，操作系统和硬件平台之间的关系和ＶＭＭ机和虚拟化技术；周正伟，博士、副教授
向客户机（ｇｕｅｓｔ）抽象的层次不同，Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎ－Ｍａｄｉｓｏｎ大学电ＳｔｔｔＨ期：２００５—０８．１８Ｅ－ｍａｉｌ：ｅｄｄｉｅ．ｄｏｎｇ＠ｉｎｔｅｌ．ｃｏｍ
一７１— 万方数据
同时，客户机的操作系统就必须修改。根据ＶＭＭ抽象虚拟机架构的不同，或根据是否需要修改客户ＯＳ，虚拟化技术又可以分为泛虚拟化（Ｐａｒａｖｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ）和完全虚拟化（Ｆｕｌｌ—ｖｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ）两类。
图２ＶＭＭ实现的３种模型
完全虚拟化由于不需要修改客户ＯＳ，具有很好的兼容性和同时支持异种ＯＳ或不同版本ＯＳ的能力。泛虚拟化因为需要修改客户ＯＳ以适应新的体系结构从而产生对现有ＯＳ的兼容性问题，但同时它也可以按照需求变动客户机的体系结构，以此来提高虚拟机的总体性能。因此泛虚拟化技术通常具有比完全虚拟化技术更好的性能。
２泛虚拟化技术的现状
由美国华盛顿大学计算机科学与工程系的ＳｔｅｖｅｎＤ．Ｇｒｉｂｂｌｅ领导的Ｄｅｎａｌｉ项目和英国剑桥大学计算机实验室的ＩａｎＰｒａｔｔ和ＫｅｉｒＦｒａｓｔｅｒ领导的Ｘｅｎ项目组都实现了Ｘ８６架构上的泛虚拟化，并且具有比完全虚拟化更佳的性能。
２．１Ｄｅｎａｌｉ
Ｄｅｎａｌｉ是一个监控模型的系统虚拟机，用于提供互联网上服务之间的隔离（每一种服务运行在一个独立的虚拟机上）。Ｄｅｎａｌｉ可以同时支持数千个运行网络服务的虚拟机。
Ｄｅｎａｌｉ运行在基于Ｘ８６指令集的机器上，客户处理器上的大多数虚拟指令可以直接在物理处理器上执行，但Ｄｅｎａｌｉ虚拟机ＩＳＡ并不完全等同于Ｘ８６。Ｄｅｎａｌｉ具备以下特点：（１）引入了部分纯虚拟的指令（ｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ）。这些指令在物理处理器中并不存在，而是通过未定义指令的异常处理程序在物理处理器上得到实现，如空闲指令（ｉｄｌｅｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）。
（２）修改了部分指令的语义（ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ’ｓｅｍａｎｔｉｃｓ），将某些很少用到的指令语义改为未定义（但不能从物理处理器上去除）。
（３）添加了一些虚拟寄存器（ｖｉｒｔｕａｌｒｅｇｉｓｔｅｒｓ）用于实现ＶＭＭ和虚拟机之间的简单参数传递，这些寄存器通过映像在预先定义的虚拟机内存空间中而实现。
（４）虚拟Ｉ／０设备通过简化的架构接口（ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌｉｎｔｅｒｆａｃｅ）来降低ＶＭＭ和虚拟机之间的边界切换。
２．２ＸＥＮ
ＸＥＮ是一个基于开源（ＯｐｅｎＳｏｕｒｃｅ）代码的混合模型系统虚拟机，设计支持多至约１００个运行Ｘｅｎｏ操作系统的虚拟机。ＸＥＮ引入了管理接１３（Ｈｙｐｅｒｃａｌｌｓ）和事件（Ｅｖｅｎｔｓ）机制，同时引入客户机和ＶＭＭ之间的共享内存数据交换机制。
一７２一
ＸＥＮ将客户机称之为虚拟域（Ｄｏｍａｉｎ），其中虚拟域０为服务域，拥有绝大部分的Ｉ／Ｏ资源（其他部分为监控程序所有）并向其他虚拟域提供设备模型以及控制平台。ＸＥＮ本身主要基于开源的Ｌｉｎｕｘ核心代码移植，同时运行其上的ＸｅｎｏＬｉｎｕｘ也从Ｌｉｎｕｘ移植而来，意为支持ＸＥＮ架构的Ｌｉｎｕｘ。同样支持ＸＥＮ架构的ｆｒｅｅＢＳＤ和ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ也已经能够在ＸＥＮ上运行。所有原来的Ｘ８６应用程序均不需任何修改就可以在ＸＥＮ上运行，如Ｘ８６的Ｌｉｎｕｘ应用程序可以在ＸｅｎｏＬｉｎｕｘ上运行；Ｘ８６的ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ应用程序可以在ＸｅｎｏＸＰ上运行。３完全虚拟化技术
完全虚拟化技术因其不需要修改客户ＯＳ而在一诞生就受到客户的青睐，如早期基于全软件实现的ＶＭｗａｒｅＷｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ和现在基于硬件虚拟化技术的解决方案。
３．１ＶＭｗａｒｅ
１９９８年１月，Ｓｔａｎｆｏｒｄ大学的ＭｅｎｄｅｌＲｏｓｅｎｂｌｕｍ教授带领他的学生ＥｄｏｕａｒｄＢｕｇｎｉｏｎ和ＳｃｏｔｔＤｅｖｉｎｅ，带着多年来对虚拟化技术及虚拟机的研究成果成立了Ｖｍｗａｒｅ公司。１９９９年Ｖｍｗａｒｅ推出了业界第１个基于Ｘ８６的完全虚拟化的系统虚拟机即ＶＭｗａｒｅＷｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ。ＶＭｗａｒｅＷｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ是一个基于主机模型的虚拟机，可以在ＷｉｎｄｏｗｓＮＴ、Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００和Ｌｉｎｕｘ上运行。２００１年Ｖｍｗａｒｅ推出了面向服务器市场的ＶＭｗａｒｅＥＳＸＳｅｒｖｅｒ和ＶＭｗａｒｅＧＳＸＳｅｒｖｅｒ。ＶＭｗａｒｅＥＳＸＳｅｒｖｅｒ首次提出了称之为“气球（ｂａｌｌｏｏｎ）”的内存管理技术以共享虚拟机之间的物理内存。
３．２完全虚拟化技术的处理器硬件支持
２００５年１月２０日Ｉｎｔｅｌ向外界公布了代号为Ｖａｎｄｅｒｐｏｏｌ的虚拟化技术（简称ＶＴ）、ＡＭＤ也于３月３０日向外公布了代号为Ｐａｃｉｆｉｃａ的虚拟化技术，弥补了Ｘ８６架构的虚拟化漏洞。３．２．１ＩｎｔｅｌＶａｎｄｅｒｐｏｏｌ技术
ＶＴ分ＶＴ—ｉ（支持Ｉｔａｎｉｕｍ架构）和ＶＴ—ｘ（支持Ｘ８６架构），本文集中于ＶＴ—Ｘ。ＶＴ—ｘ引入了一种新的处理器操作，称为ＶＭＸ（ＶｉｒｔｕａｌＭａｃｈｉｎｅＥｘｔｅｎｓｉｏｎｓ）。ＶＭＸ操作可以在根状态（ｒｏｏｔ）或非根状态（ｎｏｎ—ｒｏｏｔ）下执行，通常虚拟机监控程序（ＶＭＭ）在根状态下执行而客户机软件则运行在非根状态。ＶＭＭ可以通过虚拟机入ＶＩ（ＶＭｅｎｔｒｉｅｓ）使处理器进入ＶＭＸ非根状态，相反，通过虚拟机退出（ＶＭｅｘｉｔｓ）可以回到ＶＭＸ根状态。在ＶＴ技术支持下，客户机可以运行在其原先希望运行的优先级（即优先级ｏ）上而ＶＭＭ仍能捕获客户机对特定系统资源的访问。
ＶＭＸ操作新定义了虚拟机控制结构（ＶｉｒｔｕａｌＭａｃｈｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅ，ＶＭＣＳ）。ＶＭＣＳ中包含客户机状态（Ｇｕｅｓｔ—ｓｔａｔｅａｒｅａ），主机状态（Ｈｏｓｔ—ｓｔａｔｅａｒｅａ），虚拟机执行控制域（ＶＭ—ｅｘｅｃｕｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｆｉｅｌｄｓ），虚拟机退出控制域（ＶＭ—ｅｘｉｔｃｏｎｔｒｏｌｆｉｅｌｄｓ），虚拟机入１２１控制域（ＶＭ—ｅｎｔｒｙｃｏｎｔｒｏｌｆｉｅｌｄｓ）和虚拟机退出信息域（ＶＭ—ｅｘｉｔｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｉｅｌｄｓ）。当处理器控制从ＶＭＸ根状态进入ＶＭＸ非根状态即虚拟机入口时，主机状态被保存在ＶＭＣＳ中，同时客户机状态及虚拟机退出控制策略从ＶＭＣＳ中装入处理器。相反当处理器从ＶＭＸ非根状态进入ＶＭＸ根状态即虚拟机退出时，客户机状态被保存在ＶＭＣＳ中而主机状态则从ＶＭＣＳ中装入处理器。ＶＭＭ可以分别设置客户机的ＶＭＣＳ以实现不同的虚拟化策略。３．２．２ＡＭＤＰａｃｉｆｉｃａ技术
Ｐａｃｉｆｉｃａ引入了一种新的处理器模式——客户机模式（Ｇｕｅｓｔ
Ｍｏｄｅ），和新的内存管理模式——分页实模式（Ｒｅａｌ 万方数据
万方数据
基于X86架构的系统虚拟机技术与应用
作者：董耀祖， 周正伟， DONG Yaozu， ZHOU Zhengwei
作者单位：董耀祖,DONG Yaozu(上海交通大学微电子学院,上海,200030;英特尔中国有限公司,上海,200336)， 周正伟,ZHOU Zhengwei(上海交通大学微电子学院,上海,200030)
刊名：
计算机工程
英文刊名：COMPUTER ENGINEERING
年，卷(期)：2006,32(13)
被引用次数：18次
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