基于硬件支持的USB設(shè)備虛擬化框架研究.pdf

1、系統(tǒng)虛擬化在近年已成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的熱點(diǎn)。它通過在操作系統(tǒng)和硬件之間增加虛擬機(jī)監(jiān)視器（VMM）一層,能在一臺物理機(jī)上管理并運(yùn)行多臺客戶機(jī)操作系統(tǒng)。每臺客戶機(jī)就像獨(dú)自占有所有硬件資源，正如32位系統(tǒng)上的普通進(jìn)程以為一直占有CPU和4G內(nèi)存空間。它能高效管理各個客戶機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)客戶機(jī)之間的有效隔離，既能增強(qiáng)資源利用率，又可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全性。同時，虛擬化技術(shù)能在非停機(jī)的情況下高效地進(jìn)行系統(tǒng)遷移，快照和克隆。這些特性使其能很好地應(yīng)用于服務(wù)器整

2、合，實(shí)現(xiàn)動態(tài)負(fù)載均衡，也方便進(jìn)行災(zāi)難備份與恢復(fù)，以此提高系統(tǒng)的效率，可用性和安全性。
　　I/O虛擬化是系統(tǒng)虛擬化的重要部分。I/O設(shè)備種類繁多，廠商、型號、版本不一，驅(qū)動紛繁復(fù)雜，是整個虛擬系統(tǒng)普及應(yīng)用的一大瓶頸。而增加VMM層后，設(shè)備和進(jìn)程間的信號傳遞和數(shù)據(jù)傳輸變得更長更復(fù)雜，也極大的影響了系統(tǒng)性能。學(xué)術(shù)界中，Xen主要采用PV的方法，非特權(quán)級虛擬機(jī)中的驅(qū)動為前端，它請求I/O操作而不直接處理，以保證硬件的安全；特權(quán)級虛擬機(jī)中

3、的驅(qū)動為后端，和I/O設(shè)備交互完成硬件操作并返回給前端。這種前后端模型可以解決虛擬機(jī)安全及I/O兼容性問題。但這需要修改操作系統(tǒng)本身，工作量浩大，且需要根據(jù)操作系統(tǒng)的升級而作相應(yīng)修改。而KVM作為另一個熱門的VMM，采用QEMU進(jìn)行模擬。為每個虛擬機(jī)模擬出硬件所有的I/O設(shè)備，客戶機(jī)訪問QEMU中的設(shè)備模型，而不是真實(shí)的I/O設(shè)備。而QEMU調(diào)用VMM提供的服務(wù)，再把結(jié)果返回到設(shè)備模型。這樣，VM就可以訪問設(shè)備模型而獲得操作結(jié)果。這會導(dǎo)

4、致頻繁的上下文切換和傳輸路徑顯著增長。它不需要對VM中的操作系統(tǒng)做修改，但性能很差。
　　硬件輔助技術(shù)能解決這些問題。借助Intel的VT-x技術(shù)，CPU執(zhí)行模式除了用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)，還引進(jìn)了根模式和非根模式。這樣，與I/O相關(guān)的敏感指令很容易被截獲，然后通過陷入再模擬的方法彌補(bǔ)X86構(gòu)架原本存在的虛擬化漏洞。其次，EPT技術(shù)則使客戶機(jī)的虛擬地址到宿主機(jī)的物理地址轉(zhuǎn)換變得簡單。而VT-d技術(shù)通過DMA重映射和I/O頁表等方法，使得虛

5、擬機(jī)和設(shè)備之間可以直接訪問。使用這些硬件輔助技術(shù)，設(shè)計良好的I/O虛擬化技術(shù)能很方便地把I/O設(shè)備分配給虛擬機(jī)，無需修改操作系統(tǒng)并提供良好的訪問效率，從而很好地解決上述問題。
　　本課題通過在Intel支持VT及VT-d硬件虛擬化的平臺和KVM虛擬機(jī)上實(shí)現(xiàn)一種高性能的USB虛擬化方案,來研究最新的I/O虛擬化技術(shù)。該方案應(yīng)用硬件輔助技術(shù)，將USB設(shè)備從VMM的中斷向量中注銷，并直接分配給虛擬機(jī)。這樣，虛擬機(jī)可直接訪問 USB設(shè)備，

6、獲得很好的性能。它使得 USB設(shè)備的虛擬化更為高效，它比 QEMU的性能好，也不需要像PV的方法那樣修改客戶機(jī)操作系統(tǒng)。有助于虛擬化的商業(yè)應(yīng)用與推廣，同時對基于硬件支持的I/O虛擬化技術(shù)和虛擬機(jī)設(shè)計與應(yīng)用提供借鑒和參考。
　　本文的主要創(chuàng)新點(diǎn)和意義有：1）研究了主流開源虛擬機(jī)監(jiān)視器的構(gòu)架和Intel VT及VT-d等硬件輔助虛擬化技術(shù)；2）研究了USB設(shè)備的驅(qū)動框架和虛擬化框架；3)把硬件輔助虛擬化技術(shù)應(yīng)用到 USB設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)了