基于微內(nèi)核架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)虛擬化技術(shù)介紹

虛擬機(jī)環(huán)境的架構(gòu)分析

　　在計(jì)算領(lǐng)域，虛擬化是一個(gè)廣義的術(shù)語，通常是指對(duì)于計(jì)算資源的一種抽象。通過虛擬化，可使計(jì)算資源復(fù)雜的實(shí)際物理特性對(duì)于應(yīng)用程序或終端用戶加以隱藏[1]。這種過程既可以讓單一的物理資源(如一臺(tái)服務(wù)器，一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備或一個(gè)操作系統(tǒng))表現(xiàn)為多個(gè)可用的虛擬資源，也可以讓多個(gè)物理資源(如多臺(tái)服務(wù)器或多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備)表現(xiàn)為單一的可用虛擬資源[2]，甚至可以將多個(gè)物理資源加以整合并分化出多個(gè)可用的虛擬資源。

　　圖1 虛擬機(jī)架構(gòu)： 管理層架構(gòu)與主機(jī)操作系統(tǒng)架構(gòu)之間的比較

　　VMware Workstation[3]是一款傳統(tǒng)的基于主機(jī)操作系統(tǒng)架構(gòu)的虛擬機(jī)，并將虛擬機(jī)管理器運(yùn)行于高特權(quán)級(jí)以使用特權(quán)級(jí)指令。這類虛擬機(jī)一般是針對(duì)特定的平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)的，可以使同一平臺(tái)架構(gòu)下的各種操作系統(tǒng)如同應(yīng)用程序那樣高效地運(yùn)行在同一主機(jī)操作系統(tǒng)之上。但是，這種應(yīng)用模型也有一個(gè)非常嚴(yán)重的缺陷——主機(jī)操作系統(tǒng)，作為一切的基礎(chǔ)，會(huì)占用一定的系統(tǒng)資源并大大增加系統(tǒng)達(dá)到可信計(jì)算所需要驗(yàn)證的代碼量。

　　由于像英特爾這樣的硬件制造商開發(fā)出了新一代的硬件虛擬化技術(shù)，如今像Xen[4]這樣的虛擬機(jī)管理層已經(jīng)可以以極小的虛擬化開銷支持未經(jīng)修改的操作系統(tǒng)的高效運(yùn)行。基于管理層架構(gòu)的虛擬機(jī)所面臨的問題是管理層所提供的抽象往往過于粗粒度以至于很難對(duì)細(xì)小的軟件組件進(jìn)行有效地描述。而對(duì)于運(yùn)行在特權(quán)級(jí)的虛擬機(jī)管理邏輯部分——超級(jí)虛擬機(jī)(Super VM)也是這樣。它往往運(yùn)行在一個(gè)商業(yè)操作系統(tǒng)軟件之上以提供對(duì)各虛擬機(jī)的管理服務(wù)。而一旦發(fā)生錯(cuò)誤，則將很有可能因此波及到別的虛擬機(jī)[5]。

　　擁有微內(nèi)核架構(gòu)的操作系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用以構(gòu)成一個(gè)可自由裁減的系統(tǒng)并且易于保證其可信計(jì)算基礎(chǔ)，系統(tǒng)所定義的操作系統(tǒng)和用戶態(tài)應(yīng)用程序之間的接口與硬件平臺(tái)的接口很相近，這樣既保證了操作系統(tǒng)的功能性，又避免了操作系統(tǒng)的代碼過于冗長(zhǎng)，十分適合用以構(gòu)建一個(gè)良好的虛擬機(jī)環(huán)境。有些人使用像L4Linux[6]這樣經(jīng)過修改的客戶操作系統(tǒng)使其運(yùn)行在高效的微內(nèi)核之上。但是此類修改很難被應(yīng)用到所有的商業(yè)操作系統(tǒng)上致使其應(yīng)用范圍受到嚴(yán)格的限制。

　據(jù)此，一種頗為可行的方法是有效地利用微內(nèi)核操作系統(tǒng)的特點(diǎn)，將基于主機(jī)操作系統(tǒng)架構(gòu)的虛擬化和基于管理層的虛擬化融合到一起，結(jié)合特權(quán)指令部分和一個(gè)用戶態(tài)虛擬機(jī)管理器來克服彼此的缺陷。如此，加之利用像L4這樣高性能的微內(nèi)核操作系統(tǒng)，我們可以最終獲得在效率，功能性和安全性三方面取得均衡的虛擬機(jī)環(huán)境。

　　基于微內(nèi)核架構(gòu)的虛擬化技術(shù)

　　圖2 基于微內(nèi)核架構(gòu)的虛擬機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本架構(gòu)(圖2)設(shè)計(jì)中，我們將主要針對(duì)特定的平臺(tái)架構(gòu)(即英特爾x86架構(gòu))，以L4微內(nèi)核系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，利用硬件虛擬化技術(shù)的支持以構(gòu)建高效、安全的虛擬機(jī)。

　　不同于一般的虛擬機(jī)，我們將系統(tǒng)劃分為兩個(gè)部分：一個(gè)必要的擁有特權(quán)指令權(quán)限的內(nèi)核態(tài)虛擬機(jī)描述部分以運(yùn)行指令和請(qǐng)求資源，和一個(gè)用戶態(tài)的虛擬機(jī)資源控制單元以處理各類事件并實(shí)現(xiàn)管理。

　　內(nèi)核態(tài)虛擬機(jī)的抽象將主要要通過兩方面完成：一，以L4任務(wù)機(jī)制為基礎(chǔ)，利用其地址空間的控制功能以提供必要的隔離性。二，對(duì)線程機(jī)制進(jìn)行增強(qiáng)，形成特殊的虛擬CPU線程，用以模擬每個(gè)處理器。

　除此之外，構(gòu)建虛擬機(jī)還需要完善內(nèi)存頁(yè)表的訪問，中斷的處理以及文件系統(tǒng)。這些則需要通過內(nèi)核態(tài)的虛擬機(jī)描述部分與用戶態(tài)的虛擬機(jī)管理器協(xié)同完成。同時(shí)還需要利用用戶態(tài)虛擬機(jī)管理器建立一系列的管理和調(diào)試接口。