分类： 虚拟化
2010-07-19 18:54:23
目前的虚拟机监控器，大多都是直接运行在操作系统之上的，例如VMware workstation, KVM, Virtual PC等。只有Xen和VMware ESX提供运行在硬件上的机制。
但是，Xen虚拟机监控器使用的是Linux内核，因此代码量过于庞大，维护起来非常的困难，而且由于代码量过大，其安全性也相对地较难得到保障。VMware ESX虽然提供了它自己设计和实现的一个精简的操作系统内核，可以说，它是目前市面上最为优秀的虚拟机监控器，但是它是闭源的，无法获取源码，而且需要昂贵的授权费用。
基于以上原因，我们提出了设计一个轻量级的虚拟机监控器的方案，即Smart-VM.。Smart-VM将采用开源的形式，且它提供了一个精简的操作系统内核作为虚拟机监控器的核心。
Smart-VM是一个轻量级的虚拟机，提供了一个专用的操作系统内核。它的主要目标功能包括：
a) 简单的用户交互：即命令行控制台；
b) 虚拟硬件平台：针对每个客户操作系统，虚拟出一套硬件设备；
c) 管理虚拟机：当同时运行多个虚拟机的时候，需要协调多个虚拟机之间的运行；
d) 管理硬件资源：由于Smart-VM是直接运行在硬件上的，因此需要管理硬件资源。
Smart-VM是在PC机上运行的虚拟化技术平台，它提供了同时运行多个客户操作系统的机制。对于每个虚拟计算机，Smart-VM都会虚拟出一套硬件设备，同时，Smart-VM又要管理真实的硬件设备，协调各个客户操作系统对硬件设备资源的访问。如图5.1。
图 5.1 Smart-VM总体结构
Smart-VM虚拟化层：为客户操作系统虚拟出一套硬件平台供其使用；
Smart-VM操作系统：负责管理硬件资源，同时还要协调好客户操作系统对硬件资源的访问；
相对于半虚拟化来说，Intel-VT技术的优点就是不需要修改客户操作系统的内核，因此，客户操作系统在虚拟平台上的运作模型也没有改变(客户操作系统的运作模型如图5.2，正常操作系统的运作模型是图5.3)，极大地降低了开发虚拟机监控器的难度。因此，对于客户操作系统来说，它是感觉不到虚拟机监控器的存在的。
图 5.2 Smart-VM客户操作系统运作模型
图 5.2 操作系统运作模型
中间着色的部分就是Smart-VM虚拟机监控器。它也是我们的工作。
Smart-VM虚拟机监控器的功能包括：
a) 为每个客户操作系统虚拟出一套虚拟平台；
b) 管理真实的硬件资源；
基于以上的需求，我们将Smart-VM分为两个大模块，一个是Smart-VM虚拟化层，另外一个是Smart-VM操作系统。
Smart-VM虚拟化层的主要功能是为上层客户操作系统虚拟出一套硬件平台：
a) 处理器虚拟化：包括实模式虚拟化和保护模式虚拟化；
b) 中断虚拟化：能够处理异常，软件中断和外部中断；
c) 内存虚拟化：现在，我们是通过虚拟内存的形式实现的；
d) I/O虚拟化：能够与外围设备进行通信；
Smart-VM虚拟化层的架构图如下（如图5.5）：
图 5.4 Smart-VM虚拟化层
虚拟服务分发器：虚拟服务分发器根据客户操作系统退出时得到的信息，将服务请求分发到虚拟化层的各个模块，然后收集各个模块执行完请求后的反馈信息，交给客户操作系统处理。
实模式虚拟化：Smart-VM的实模式虚拟化，是利用虚拟8086模式实现的。主要还是要处理好BIOS虚拟化和特权级虚拟化。
保护模式虚拟化：能够运行32位客户操作系统的内核，包含三个子模块：
a) 中断虚拟化：主要是处理好保护模式下的中断；
b) 内存虚拟化：使用的是影子页表；
c) I/O虚拟化：能够与外围设备进行交互；
处理器虚拟化包括实模式虚拟化和保护模式虚拟化两个主要的模块。在处理器运行的过程中，由于各种各样的原因，需要不断地进行VMX根操作模式和VMX非根操作模式的切换。
图 5.5 Smart-VM状态转换图
图5.5显示了Smart-VM的状态转换关系：
1. 计算机刚启动的时候，处理器处于实模式；
2. 当处理器处于实模式的时候，初始化保护模式所需要的环境之后，就可以进入保护模式；
3. 当处理器处于保护模式的时候，可以通过执行VMXON指令进入VMX的根模式，当处理器处于VMX根操作模式的时候，可以通过执行VMXOFF，退出到保护模式；
4. 当处理器激活VMX模式是，需要处理好三种子模式之间的转换：
a) VMX根模式：在VMX的根操作模式下运行的是Smart-VM虚拟机监控器。通过执行VMLAUNCH或者VMRESUME指令，处理器可以进入VMX非根操作模式；
b) VMX非根操作模式下的保护模式：实际上，处理器进入非根模式的时候，只能进入VMX非根模式下的保护模式，VMX非根操作模式下的虚拟8086模式，只是VMX非根操作模式下的保护模式的一个子模式。
i. 当eflages寄存器的VM位置1是，处理器就处于虚拟86模式，从保护模式进入虚拟86模式，可以通过执行iret指令或者任务切换来完成；
ii. 从VMX非根模式下的保护模式退出到VMX根模式，有很多种情况，主要分为条件退出和无条件退出两大类；
c) VMX非根模式下的虚拟86模式：到处理器处于VMX非根模式下的虚拟86模式，执行的是16位的程序；
i. 从VMX非根模式下的虚拟86模式退出到VMX根模式，同样分为条件退出和无条件退出两大类；
ii. 从VMX非根模式下的虚拟86模式退出到VMX非根模式下的保护模式，一般通过异常/中断，或者任务切换；
图 5.6 Smart-VM操作系统的整体结构
Smart-VM虚拟机监控器设计的目标就是尽可能保持最精简的代码，但是又考虑到性能的原因，因此，Smart-VM的内核采用了宏内核和微内核的折中处理方法（如图5.6[15]），即将一部分与性能密切相关的功能放在内核，其他的功能放在内核之外，作为服务进程来运行。
进程管理的功能包括：
a) 进程通讯：实现两个进程之间的本地通讯；
b) 进程调度：能够公平合理地为每个进程分配处理器资源；
c) 内存管理：实现内存的动态分配；
内存管理需要高效的处理两种情况：
a) 小块的内存管理：比如说几个字节的内存申请；
b) 大块的内存管理：比如说一次性申请几十兆，甚至上百兆的内存块；
设备驱动程序用于控制硬件。所有针对设备的访问，都是通过设备驱动程序来完成了。
设备驱动程序主要分为两大类：
a) 字符设备驱动程序：这类设备访问速度较慢，例如键盘等；
b) 块设备驱动程序：这类设备的访问速度较快，例如硬盘，显卡等；
与Linux类似，采用所有的设备皆文件的方法。
该文件文件系统主要支持的功能包括：
a) 虚拟机监控器的日志；
b) 各个虚拟机的相关资料，包括虚拟机的配置文件，虚拟机的硬件资源(比如说划分给虚拟机的硬盘也当作一个文件来管理)等；
c) 外部设备；
本章介绍了Smart-VM的总体设计方案。
从逻辑上，Smart-VM分为两层：
a) Smart-VM虚拟化层，主要是通过虚拟服务分发器分发客户操作系统的服务请求。
b) Smart-VM操作系统，用于硬件资源管理，功能包括：
i. 进程管理
ii. 内存管理
iii. 设备驱动
iv. 文件系统
