專利名稱：一種內(nèi)核虛擬機(jī)組織架構(gòu)模式的實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)核虛擬機(jī)組織架構(gòu)模式的實(shí)現(xiàn)方法，主要是涉及內(nèi)核虛擬機(jī) (Kernel-Based Virtual Machine，簡稱KVM)在Linux操作環(huán)境下的組織架構(gòu)模式，以內(nèi)核 虛擬機(jī)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)其虛擬機(jī)軟件架構(gòu)的優(yōu)化，涉及虛擬化監(jiān)控程序優(yōu)化技術(shù)。屬于計(jì)算機(jī) 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1、虛擬機(jī)的應(yīng)用近年來，隨著虛擬化技術(shù)在x86體系結(jié)構(gòu)下的不斷發(fā)展和單臺(tái)物理機(jī)性能的不斷 提高，使得一臺(tái)物理機(jī)提供多個(gè)不同模擬計(jì)算環(huán)境成為可能，在實(shí)踐上則表現(xiàn)為虛擬化軟 件的流行及云計(jì)算架構(gòu)的興起。在單臺(tái)物理機(jī)上運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，每個(gè)虛擬機(jī)模擬一種特 定的計(jì)算機(jī)架構(gòu)并運(yùn)行相應(yīng)的操作系統(tǒng)，使得物理機(jī)的計(jì)算資源得以充分利用。虛擬機(jī)技 術(shù)用于數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算等服務(wù)提供領(lǐng)域，則可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)整合，監(jiān)控一體化，進(jìn)而提升服 務(wù)質(zhì)量及資源復(fù)用率。通過虛擬機(jī)技術(shù)，物理機(jī)中的可用資源在邏輯上被分為不同的集合，每個(gè)集合與 其他集合之間屬于隔離關(guān)系。其中不能直接訪問被隔離對(duì)象的資源空間。這些不同的隔離 集合分別被稱為主機(jī)(Host)、虛擬機(jī)監(jiān)控器(VMM，Virtual Machine Monitor)以及多個(gè)虛 擬機(jī)(VM，Virtual Machine)。在內(nèi)核虛擬機(jī)架構(gòu)中，VMM可以與Host共存，并作為Host的 一個(gè)進(jìn)程出現(xiàn)，由Host上運(yùn)行的操作系統(tǒng)(Host OS)調(diào)度。不同的VM也作為Host上的單 獨(dú)進(jìn)程出現(xiàn)。VMM通過Host OS提供的進(jìn)程調(diào)用模式，調(diào)用不同的虛擬機(jī)進(jìn)程，從而實(shí)現(xiàn)在 不同虛擬機(jī)之間進(jìn)行切換。這種模式下，VMM利用進(jìn)程對(duì)進(jìn)程擁有的內(nèi)部資源的保護(hù)機(jī)制， 來隔離不同的虛擬機(jī)。整個(gè)架構(gòu)應(yīng)具有很好的隔離性、可擴(kuò)展性和可靠性，且能夠簡單方便 的進(jìn)行部署和管理維護(hù)。隨著虛擬化在x86架構(gòu)上的日趨成熟化，虛擬機(jī)技術(shù)也越來越多的用在實(shí)際應(yīng)用 中。但是當(dāng)前成熟的軟件虛擬化技術(shù)在處理一部分指令時(shí)，需要將這部分指令移交至主機(jī) 操作系統(tǒng)執(zhí)行，這會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)處理能力的下降。尤其是在10操作密集時(shí)，VMM需要頻繁地 停止當(dāng)前正在運(yùn)行的虛擬機(jī)，將控制權(quán)交給Host 0S，在Host OS處理完成后，通過進(jìn)程調(diào) 度，將使用權(quán)交還給VMM，再由VMM調(diào)用相應(yīng)虛擬機(jī)執(zhí)行下面的操作。整個(gè)處理過程的冗余 導(dǎo)致Host資源使用率的異常提升，以及虛擬機(jī)業(yè)務(wù)效率的嚴(yán)重降低。為了更好的實(shí)現(xiàn)虛擬化技術(shù)在實(shí)際工程中的使用，有必要提出一種新的內(nèi)核虛擬 機(jī)的組織架構(gòu)模式，來更好的處理VM與VMM，VMM與Host之間的交互，來達(dá)到全面提升虛擬 機(jī)性能的目的。2、硬件虛擬化技術(shù)通過VMM的資源重映射功能，底層物理資源為VM在ISA層面(Instruction Set Architecture，指令集架構(gòu))提供了一個(gè)邏輯上等價(jià)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)及相應(yīng)資源集合， 為客戶操作系統(tǒng)虛擬出一個(gè)邏輯硬件層。
因?yàn)楝F(xiàn)行軟件虛擬化技術(shù)在體系結(jié)構(gòu)組織上存在著問題，芯片廠商推出了基于硬 件的硬件虛擬化技術(shù)。支持虛擬化的CPU的ISA集經(jīng)過特別設(shè)計(jì)，專門增加了特定的ISA 指令，來控制虛擬過程。通過對(duì)虛擬化過程進(jìn)行直接操縱的ISA指令，VMM與Host OS之間 的交互可以更加直接快速。硬件虛擬化技術(shù)可提供基于芯片的功能，借助兼容VMM軟件能 夠改進(jìn)純軟件解決方案。硬件虛擬化對(duì)常用的處理器特權(quán)級(jí)別進(jìn)行一定的修改。在常規(guī)狀態(tài)下，x86處理 器有四個(gè) CPL (Current Privilege Level)，分別為 RingO_Ring3。只有在 RingO-2 級(jí)別下運(yùn) 行時(shí)，處理器才可以訪問特權(quán)資源或者執(zhí)行特權(quán)指令；一般情況下x86平臺(tái)上的軟件只運(yùn) 行在RingO和Ring3兩個(gè)級(jí)別，RingO負(fù)責(zé)OS的運(yùn)行，Ring3則負(fù)責(zé)用戶進(jìn)程的運(yùn)行。VMM 為了保證對(duì)資源的整體掌控，需要運(yùn)行在RingO級(jí)別，但是與之對(duì)應(yīng)的Guest OS需要管理 自身擁有的邏輯資源，同時(shí)因?yàn)椴荒苡绊慔ost OS與VMM對(duì)物理機(jī)整體資源的管理，也不能 運(yùn)行在RingO級(jí)別，所以Guest只能運(yùn)行在Ringl或者Ring3級(jí)別(Ring2級(jí)別一般不被使 用)。而為了實(shí)現(xiàn)上的便利，Guest OS—般往往被降級(jí)在Ring3等級(jí)上實(shí)現(xiàn)。硬件虛擬化下，芯片可以直接支持兩種格式的操作，一種用于VMM，另外一種用于 客戶操作系統(tǒng)。相對(duì)于在x86體系結(jié)構(gòu)下的最高特權(quán)級(jí)是ring 0級(jí)，硬件虛擬化架構(gòu)定 義了一些新的指令、寄存器以及控制域來實(shí)現(xiàn)一個(gè)更高特權(quán)級(jí)的模式，該特權(quán)級(jí)又被稱為 "Ring-I“ (AMD)級(jí)或者“Root模式”(Intel)。同時(shí)，硬件虛擬化架構(gòu)還定義了專用的虛擬 機(jī)控制結(jié)構(gòu)體(AMD 的 SVM 架構(gòu)Virtual Machine Control Blocks (VMCB)，Intel 的 VT 架 構(gòu)Virtual Machine Control Struct (VMCS))，該結(jié)構(gòu)體用于對(duì)異常行為的控制，并且不 允許在處理器核心之間共享，它控制著虛擬機(jī)監(jiān)控器和客戶操作系統(tǒng)的切換。3、內(nèi)核虛擬機(jī)的發(fā)展內(nèi)—才以豐幾(KVM, Kernel-Based Virtual Machine) i由 Qumranet &司(已被 Redhat公司收購)開發(fā)的基于Linux開源操作系統(tǒng)的一個(gè)開源VMM。KVM基于Linux內(nèi) 核，它所管理的每一個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例被Linux操作系統(tǒng)的看作是一個(gè)進(jìn)程，因此可以充分利 用Linux操作系統(tǒng)的調(diào)度算法與策略，所有標(biāo)準(zhǔn)的Linux進(jìn)程管理工具都可以應(yīng)用于虛擬 機(jī)，使得在VMM在實(shí)現(xiàn)上更加，對(duì)虛擬資源的控制和調(diào)度開銷也變得更低，管理工具可以直 接對(duì)已有Linux相關(guān)工具進(jìn)行復(fù)用。KVM是由KVM Driver和稍微修改過的Qemu組成，其中 KVM Driver是作為Linux的一個(gè)模塊，Qemu負(fù)責(zé)管理1/0設(shè)備。KVM Driver加入到標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核中，被組織成Linux中的標(biāo)準(zhǔn)字符設(shè)備(/ dev/kvm)，用戶模式的Qemu可以通過一系列的ioctl系統(tǒng)調(diào)用訪問這個(gè)字符設(shè)備從而創(chuàng)建 和運(yùn)行虛擬機(jī)。KVM Driver的加入使得整個(gè)Linux內(nèi)核成為一個(gè)虛擬機(jī)監(jiān)控器(VMM)，并 且在原有Linux操作系統(tǒng)兩種執(zhí)行模式(用戶模式和內(nèi)核模式)的基礎(chǔ)上，增加了一種客 戶模式(擁有自己的內(nèi)核模式和用戶模式)，這三種模式不同的分工分別是客戶模式執(zhí)行非1/0的客戶代碼。虛擬機(jī)就運(yùn)行在客戶模式下。內(nèi)核模式實(shí)現(xiàn)到客戶模式的切換，處理由于1/0或其他指令引起的從客戶模式 的退出。KVM Driver工作在這種模式下。用戶模式代表客戶執(zhí)行1/0指令。Qemu運(yùn)行在這種模式下。當(dāng)前的KVM客戶模式下，在虛擬機(jī)執(zhí)行10指令時(shí)，需要從客戶模式退出到用戶模 式進(jìn)行10操作，操作完后再返回客戶模式。這種模式下，如果進(jìn)行頻繁的退出返回，則會(huì)導(dǎo)致虛擬機(jī)I/O性能的急劇降低。例如高密度的網(wǎng)絡(luò)1/0，以及小塊數(shù)據(jù)的頻繁讀寫過程等， 都會(huì)造成虛擬機(jī)進(jìn)程占用主機(jī)資源率異常升高，同時(shí)虛擬機(jī)內(nèi)應(yīng)用處理數(shù)據(jù)效率降低，甚 至因?yàn)轫憫?yīng)時(shí)間過長導(dǎo)致I/O失敗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種內(nèi)核虛擬機(jī)組織架構(gòu)模式的實(shí)現(xiàn)方法，為內(nèi)核虛擬機(jī) 提供了一種新的整體組織架構(gòu)，它實(shí)現(xiàn)了虛擬機(jī)與主機(jī)以及與外界之間高效的通用通信方 式，通過對(duì)硬件虛擬化的軟件模擬，簡化虛擬機(jī)從客戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)再到用戶態(tài)的過程， 降低虛擬機(jī)開銷，在這種架構(gòu)下的內(nèi)核虛擬機(jī)，可以有更好的I/O表現(xiàn)，與已有的虛擬機(jī)I/ 0性能提升方式相比，對(duì)Guest OS與系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的修改更少，更有利于實(shí)現(xiàn)資源的整合，提高 物理服務(wù)器的利用率。一種內(nèi)核虛擬機(jī)組織架構(gòu)模式的實(shí)現(xiàn)方法，包括如下步驟(一 )、創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的虛擬機(jī)狀態(tài)記錄數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)步驟1 在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)，構(gòu)建一個(gè)特定的struct架構(gòu)VPCS(Virtual Process Control Structure)，用于記錄虛擬機(jī)的虛擬設(shè)備與底層物理資源的對(duì)應(yīng)關(guān)系。步驟2 =VPCS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于記錄虛擬機(jī)中的各種邏輯部件與真實(shí)的物理器件之間 的映射關(guān)系，并設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)步驟3 虛擬機(jī)啟動(dòng)后，VPCS結(jié)構(gòu)常駐內(nèi)存。步驟4 在執(zhí)行用戶態(tài)指令時(shí)，依照原有KVM運(yùn)行模式執(zhí)行指令。步驟5 在執(zhí)行需要內(nèi)核態(tài)執(zhí)行的指令時(shí)，虛擬機(jī)進(jìn)程掛起，Linux操作系統(tǒng)調(diào)度 KVM進(jìn)行處理，并將所需處理結(jié)果直接送至虛擬機(jī)進(jìn)程地址空間相應(yīng)位置，繼續(xù)調(diào)度虛擬機(jī) 進(jìn)程運(yùn)行。步驟6 在執(zhí)行塊型I/O操作(例如磁盤讀寫)時(shí)，通過VPCS結(jié)構(gòu)中的設(shè)備映射 關(guān)系直接將虛擬機(jī)內(nèi)存空間(即虛擬機(jī)進(jìn)程的進(jìn)程空間)與物理機(jī)內(nèi)存空間進(jìn)行映射，并 進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸操作。步驟7 在執(zhí)行鍵盤或鼠標(biāo)等低頻率中斷操作時(shí)，依照中斷模擬的方法進(jìn)行設(shè)備 映射，保證在虛擬機(jī)進(jìn)程活動(dòng)時(shí)，鼠標(biāo)、鍵盤等產(chǎn)生的中斷被處理后直接反映在虛擬機(jī)進(jìn)程 的地址空間中。步驟8 在執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)I/O等高頻率中斷操作時(shí)，參照NAPI模式，為每塊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開 辟buffer，在buffer充滿之后，一次性將其移入對(duì)應(yīng)虛擬機(jī)進(jìn)程的相應(yīng)地址空間中(即將 相應(yīng)數(shù)據(jù)塊放入Guest OS的內(nèi)核態(tài)地址空間中)。( 二)、對(duì)內(nèi)核虛擬機(jī)的運(yùn)行模式進(jìn)行修改步驟1 :KVM作為內(nèi)核模塊，負(fù)責(zé)vCPU與vMemory的模擬，作為Daemon進(jìn)程常駐 Linux內(nèi)核態(tài)。步驟2 =QEMU作為1/0管理模塊，運(yùn)行在Linux用戶態(tài)。步驟3 每個(gè)虛擬機(jī)作為一個(gè)獨(dú)立的用戶進(jìn)程，運(yùn)行在Linux用戶態(tài)。QEMU與每個(gè) 虛擬機(jī)進(jìn)程共享其相應(yīng)的1/0操作結(jié)構(gòu)。步驟4 在Guest OS需要CPL Ring 0-2的相應(yīng)權(quán)限以執(zhí)行CPU相關(guān)指令或內(nèi)存 相關(guān)指令時(shí)，則將所需要求傳遞給KVM，因?yàn)镵VM運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)下，處于Ring 0特權(quán)環(huán)內(nèi)，故可以對(duì)相關(guān)硬件進(jìn)行操作，并更新對(duì)應(yīng)虛擬機(jī)進(jìn)程空間中的VPCS結(jié)構(gòu)。步驟5:在Guest OS需要CPL Ring0_2的相應(yīng)權(quán)限以執(zhí)行I/O相關(guān)指令時(shí)，則將 所需要求傳遞給QEMU，由KVM處理QEMU提交的請(qǐng)求，通過VPCS結(jié)構(gòu)中的物理地址與虛擬機(jī) 地址空間映射關(guān)系，直接建立從物理I/O設(shè)備數(shù)據(jù)緩存區(qū)到虛擬機(jī)地址空間的連接，以DMA 方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，或以中斷方式直接處理由鼠標(biāo)或者鍵盤弓丨起的I/O操作。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及功效在于由于內(nèi)核虛擬機(jī)運(yùn)行于Linux內(nèi)核這一特性，可以將 VMM直接置于CPL的Ring 0級(jí)別，而通過引入VPCS結(jié)構(gòu)，將虛擬機(jī)進(jìn)程空間地址與物理地 址的轉(zhuǎn)換關(guān)系常駐內(nèi)存，從而可以不再對(duì)系統(tǒng)特權(quán)模式進(jìn)行修改。而引入的物理設(shè)備與邏 輯設(shè)備的映射關(guān)系表，也為虛擬機(jī)進(jìn)程直接與底層資源進(jìn)行交互提供了方便。已有的虛擬化技術(shù)下，對(duì)計(jì)算密集型應(yīng)用(計(jì)算任務(wù)為主的應(yīng)用，特點(diǎn)是ISA指令 流中需要虛擬機(jī)陷入執(zhí)行的比例較低)的虛擬化較為成功；但是對(duì)I/O密集型應(yīng)用(與外 界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互為主的應(yīng)用，經(jīng)常需要虛擬機(jī)退出到更低的特權(quán)模式下進(jìn)行Guest OS中指 令流的模擬)的虛擬化則在效率仍有提升余地。在服務(wù)器上，當(dāng)多個(gè)虛擬機(jī)運(yùn)行于同一個(gè)物理服務(wù)器時(shí)，內(nèi)核虛擬機(jī)提供了很好 的隔離性、安全性。但是在實(shí)際使用過程中，因?yàn)镮/O操作的比例占據(jù)很高的部分，虛擬機(jī) 不一定能夠及時(shí)處理所有的I/O請(qǐng)求。因此本發(fā)明提出了一種全新的內(nèi)核虛擬機(jī)組織架構(gòu) 模式，引入新的VPCS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)物理機(jī)上每個(gè)虛擬機(jī)進(jìn)程的邏輯資源與物理資源映射進(jìn) 行封裝并使其常駐內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)一種通用的虛擬機(jī)I/O性能提升的模式，具有很好的實(shí)用價(jià) 值和前景。


圖1本發(fā)明系統(tǒng)總體框架示意2本發(fā)明內(nèi)核虛擬機(jī)整體架構(gòu)示意圖
圖3本發(fā)明內(nèi)核虛擬機(jī)進(jìn)程結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)示意4本發(fā)明內(nèi)核虛擬機(jī)進(jìn)程調(diào)度過程示意圖
具體實(shí)施例方式見圖1、圖2、圖3，圖4所示，具體實(shí)施步驟如下一種內(nèi)核虛擬機(jī)的新的軟件實(shí)施架構(gòu)，其特征如下(一 )、為每個(gè)正在運(yùn)行的虛擬機(jī)進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)VPCS結(jié)構(gòu)，在創(chuàng)建運(yùn)行中的虛擬機(jī) 進(jìn)程時(shí)分配并常駐內(nèi)存。其具體步驟如下步驟1 當(dāng)一個(gè)虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)，在創(chuàng)建虛擬機(jī)進(jìn)程空間的PD (Process Descriptor，進(jìn)程描述符)時(shí)增加相應(yīng)的VPCS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(或者指向VPCS結(jié)構(gòu)的指針)，并 在后臺(tái)運(yùn)行的KVM Daemon中創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的VPCS隊(duì)列，每一個(gè)進(jìn)程對(duì)應(yīng)一個(gè)VPCS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。步驟2 =VPCS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于記錄虛擬機(jī)中的各種邏輯部件與真實(shí)的物理器件之間 的映射關(guān)系，包括vCPU與pCPU的對(duì)應(yīng)關(guān)系，虛擬機(jī)進(jìn)程的進(jìn)程地址空間與該進(jìn)程所在物理 地址空間的地址映射關(guān)系，邏輯硬盤分區(qū)在實(shí)際物理硬盤中的存儲(chǔ)位置，以及其他需要?jiǎng)?chuàng) 建的邏輯外設(shè)與物理外設(shè)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系的關(guān)鍵是物理外設(shè)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)能夠 直接與虛擬機(jī)進(jìn)程地址空間中的虛擬外設(shè)邏輯緩沖區(qū)進(jìn)行直接數(shù)據(jù)傳輸。
步驟3 虛擬機(jī)啟動(dòng)后，VPCS結(jié)構(gòu)常駐內(nèi)存，VMM通過管理VPCS結(jié)構(gòu)來對(duì)多個(gè)虛擬 機(jī)進(jìn)行管理。步驟4 在執(zhí)行用戶態(tài)指令時(shí)，依照原有KVM的運(yùn)行模式執(zhí)行指令。即計(jì)算/訪存 指令直接在虛擬機(jī)內(nèi)完成，無需陷入。步驟5 在執(zhí)行需要內(nèi)核態(tài)執(zhí)行的指令時(shí)，虛擬機(jī)進(jìn)程掛起，Linux操作系統(tǒng)調(diào)度 KVM進(jìn)行處理，并將所需處理結(jié)果直接送至虛擬機(jī)進(jìn)程地址空間相應(yīng)位置，繼續(xù)調(diào)度虛擬機(jī) 進(jìn)程運(yùn)行。步驟6 在執(zhí)行塊型I/O操作(例如磁盤讀寫)時(shí)，通過VPCS結(jié)構(gòu)中的設(shè)備映射 關(guān)系直接將虛擬機(jī)內(nèi)存空間(即虛擬機(jī)進(jìn)程的進(jìn)程空間)中相應(yīng)數(shù)據(jù)經(jīng)過VPCS轉(zhuǎn)換后，得 到其在物理地址空間中的位置，使得真實(shí)物理地址直接與設(shè)備進(jìn)行交互。步驟7 在執(zhí)行鍵盤或鼠標(biāo)等低頻率中斷操作時(shí)，依照中斷模擬的方法進(jìn)行設(shè)備 映射，保證在虛擬機(jī)進(jìn)程活動(dòng)時(shí)，鼠標(biāo)、鍵盤等產(chǎn)生的中斷被處理后直接反映在虛擬機(jī)進(jìn)程 的地址空間中。步驟8 在執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)I/O等高頻率中斷操作時(shí)，參照NAPI模式，為每塊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開 辟buffer，在buffer充滿之后，一次性將其移入對(duì)應(yīng)虛擬機(jī)進(jìn)程的相應(yīng)地址空間中(即將 相應(yīng)數(shù)據(jù)塊放入Guest OS的內(nèi)核態(tài)地址空間中)。實(shí)現(xiàn)一次中斷處理多個(gè)數(shù)據(jù)包，以提高 系統(tǒng)整體性能。如果buffer被填滿，則由虛擬機(jī)操作系統(tǒng)將數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理。如果虛擬機(jī)因 為某種原因未能及時(shí)響應(yīng)，可以將后續(xù)數(shù)據(jù)包存放至備用的buffer中，利用這種方法可以 有效降低丟包率，進(jìn)而解決可能出現(xiàn)的虛擬機(jī)響應(yīng)不及時(shí)問題。( 二)、修改內(nèi)核虛擬機(jī)的運(yùn)行模式，使VMM部分作為Daemon進(jìn)程運(yùn)行在Linux內(nèi) 核態(tài)，同時(shí)不同的虛擬機(jī)進(jìn)程作為Linux的普通進(jìn)程運(yùn)行在用戶態(tài)。其具體步驟如下步驟1 :KVM作為內(nèi)核模塊，可以將其定位為Daemon進(jìn)程，使之常駐Linux內(nèi)核。步驟2 =QEMU作為I/O管理模塊，運(yùn)行在Linux用戶態(tài)。步驟3 活動(dòng)的虛擬機(jī)進(jìn)程作為普通的Linux用戶進(jìn)程被Linux內(nèi)核調(diào)度程序控 制。步驟4 如果虛擬機(jī)進(jìn)程需要RingO級(jí)別權(quán)限，則更新VPCS，將控制權(quán)交給KVM ； KVM調(diào)用QEMU處理I/O操作，或直接在內(nèi)核態(tài)下執(zhí)行特權(quán)指令。KVM按照自己所保持的VPCS 鏈表中相應(yīng)VPCS結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系，將結(jié)果直接寫入某塊物理內(nèi)存，該塊物理內(nèi)存的地址由 VPCS結(jié)構(gòu)中描述的地址映射關(guān)系與虛擬機(jī)進(jìn)程掛起前更新在VPCS中的邏輯地址空間共同 決定。
權(quán)利要求
一種內(nèi)核虛擬機(jī)組織架構(gòu)模式的實(shí)現(xiàn)方法，包括如下步驟(一)、創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的虛擬機(jī)狀態(tài)記錄數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)步驟1在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)，構(gòu)建一個(gè)特定的struct架構(gòu)VPCS，用于記錄虛擬機(jī)的虛擬設(shè)備與底層物理資源的對(duì)應(yīng)關(guān)系；步驟2VPCS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于記錄虛擬機(jī)中的各種邏輯部件與真實(shí)的物理器件之間的映射關(guān)系，并設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；步驟3虛擬機(jī)啟動(dòng)后，VPCS結(jié)構(gòu)常駐內(nèi)存；步驟4在執(zhí)行用戶態(tài)指令時(shí)，依照原有KVM運(yùn)行模式執(zhí)行指令；步驟5在執(zhí)行需要內(nèi)核態(tài)執(zhí)行的指令時(shí)，虛擬機(jī)進(jìn)程掛起，Linux操作系統(tǒng)調(diào)度KVM進(jìn)行處理，并將所需處理結(jié)果直接送至虛擬機(jī)進(jìn)程地址空間相應(yīng)位置，繼續(xù)調(diào)度虛擬機(jī)進(jìn)程運(yùn)行；步驟6在執(zhí)行塊型I/O操作時(shí)，通過VPCS結(jié)構(gòu)中的設(shè)備映射關(guān)系直接將虛擬機(jī)內(nèi)存空間與物理機(jī)內(nèi)存空間進(jìn)行映射，并進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸操作；步驟7在執(zhí)行鍵盤或鼠標(biāo)等低頻率中斷操作時(shí)，依照中斷模擬的方法進(jìn)行設(shè)備映射，保證在虛擬機(jī)進(jìn)程活動(dòng)時(shí)，鼠標(biāo)、鍵盤產(chǎn)生的中斷被處理后直接反映在虛擬機(jī)進(jìn)程的地址空間中；步驟8在執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)I/O等高頻率中斷操作時(shí)，為每塊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開辟buffer，在buffer充滿之后，一次性將其移入對(duì)應(yīng)虛擬機(jī)進(jìn)程的相應(yīng)地址空間中；(二)、對(duì)內(nèi)核虛擬機(jī)的運(yùn)行模式進(jìn)行修改步驟1KVM作為內(nèi)核模塊，負(fù)責(zé)vCPU與vMemory的模擬，作為Daemon進(jìn)程常駐Linux內(nèi)核態(tài)；步驟2QEMU作為I/O管理模塊，運(yùn)行在Linux用戶態(tài)；步驟3活動(dòng)的虛擬機(jī)進(jìn)程作為普通的Linux用戶進(jìn)程被Linux內(nèi)核調(diào)度程序控制。步驟4如果虛擬機(jī)進(jìn)程需要Ring0級(jí)別權(quán)限，則更新VPCS，將控制權(quán)交給KVM；KVM調(diào)用QEMU處理I/O操作，或直接在內(nèi)核態(tài)下執(zhí)行特權(quán)指令。KVM按照自己所保持的VPCS鏈表中相應(yīng)VPCS結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系，將結(jié)果直接寫入某塊物理內(nèi)存，該塊物理內(nèi)存的地址由VPCS結(jié)構(gòu)中描述的地址映射關(guān)系與虛擬機(jī)進(jìn)程掛起前更新在VPCS中的邏輯地址空間共同決定。
全文摘要
本發(fā)明主要是涉及內(nèi)核虛擬機(jī)架構(gòu)及其優(yōu)化技術(shù)，以內(nèi)核虛擬機(jī)為基礎(chǔ)，對(duì)其軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到降低虛擬機(jī)占用的主機(jī)資源，及提供更加高效的虛擬機(jī)運(yùn)行方式的目的。尤其是為每個(gè)虛擬機(jī)進(jìn)程創(chuàng)建的VPCS結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)物理資源與邏輯資源的直接映射提供了良好的接口。同時(shí)因?yàn)橛布摂M化技術(shù)需要硬件技術(shù)支持，而當(dāng)前各大數(shù)據(jù)中心、公司所擁有的服務(wù)器中仍有很大一部分不支持硬件虛擬化技術(shù)，采用這種技術(shù)可以使虛擬化技術(shù)在這部分計(jì)算資源上發(fā)揮更大作用。因此，本發(fā)明具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G06F9/455GK101968746SQ20101027142
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月2日
發(fā)明者丁濤, 張鐵剛, 董翰飛, 郝沁汾 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)