虚拟机高效设备访问模型设计与实现

论文摘要

随着计算机硬件、网络和体系结构的飞速发展,虚拟化技术渗透到计算机的各个领域,并呈现出新的发展趋势,虚拟化技术成为新的研究热点。I/O虚拟化是虚拟化技术的重要组成部分,其性能对系统整体性能的提高有至关重要的作用。随着Intel和AMD先后推出的一系列支持虚拟化技术的CPU,虚拟化环境中CPU和内存的性能获得了很大的提升。然而在I/O虚拟化方面,设备的性能却依然损失很大。设备的利用率成为了提高虚拟机使用性能的瓶颈,这是高效设备访问模型出现和研究的必要性。首先,论文详细分析了QEMU I/O虚拟化模型和当前流行的三种设备访问模型（Split I/O、Direct I/O及Passthrough I/O）,并针对它们的体系结构分析它们各自的优缺点。其次,为了更好的解决全虚拟化环境下设备性能与共享需求之间的平衡问题,论文以Split I/O模型为基础,结合设备驱动域和Passthrough I/O技术提出了高效设备访问模型V-EDAM。V-EDAM将一类设备独占式的分配给某个指定的客户域,使得该域成为一个设备驱动域,这种将驱动从宿主操作系统中分离出来的方式,降低了宿主操作系统由于驱动出现故障而崩溃的概率,提高了整个虚拟环境的稳定性与安全性。V-EDAM主要由三个模块组成:客户域服务模块、驱动域服务模块及域间通信模块,这三个模块分处于不同的域当中。客户域服务模块是服务发起端,由需要进行I/O操作的程序发起I/O访问请求;域间通信模块捕获I/O请求,经过分析将其转发到正确的域当中;驱动域服务模块响应I/O请求,为其他的域提供I/O服务支持。域间通信模块是V-EDAM的核心模块。最后,论文在KVM虚拟机上针对网卡设备对V-EDAM进行了原型实现,并将V-EDAM与现有的其他模型进行性能对比评测,结果表明:V-EDAM模型获得了比KVM的QEMU I/O虚拟化模型更好的性能及使用效率,并且它在KVM中具有更好的应用价值。论文的完成得到了国家863计划“支持多计算域的虚拟个人计算机系统”的支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 虚拟化技术发展历程
• 1.1.2 虚拟化技术的优势
• 1.2 课题背景与研究意义
• 1.3 相关工作
• 1.4 论文的主要工作和创新点
• 1.5 论文结构
• 第二章 I/O 虚拟化技术
• 2.1 I/O 虚拟化
• 2.2 基于KVM 的QEMU I/O 虚拟化模型
• 2.3 虚拟机高效设备访问模型
• 2.3.1 Split I/O 模型
• 2.3.2 Direct I/O 模型
• 2.3.3 Passthrough I/O 模型
• 2.4 硬件辅助虚拟化技术
• 2.4.1 Intel VT 技术
• 2.4.2 VT-d 技术
• 2.5 Split I/O 和QEMU I/O 虚拟化模型网络性能测试
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于虚拟机的高效设备访问模型V-EDAM
• 3.1 V-EDAM 模型设计目标
• 3.2 V-EDAM 体系结构
• 3.2.1 V-EDAM 模型系统结构
• 3.2.2 设备驱动域
• 3.3 V-EDAM 主要模块设计
• 3.3.1 客户域服务模块
• 3.3.2 驱动域服务模块
• 3.3.3 域间通信模块
• 3.4 V-EDAM 模型优势和比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于KVM 的高效设备访问模型V-EDAM 的实现
• 4.1 概况
• 4.1.1 KVM 体系结构
• 4.1.2 基于KVM 的V-EDAM 模型体系结构
• 4.1.3 V-EDAM 的状态切换机制
• 4.2 客户域服务模块的实现
• 4.2.1 模块初始化
• 4.2.2 数据处理机制
• 4.3 驱动域服务模块的实现
• 4.3.1 驱动域数据处理策略
• 4.4 域间通信模块的实现
• 4.4.1 KVM 与域间通信模块交互过程
• 4.4.2 模块初始化
• 4.4.3 报文转发策略
• 4.4.4 域间通信模块数据处理机制
• 4.5 本章小结
• 第五章 V-EDAM 模型性能评测
• 5.1 评测环境
• 5.1.1 网络性能指标
• 5.1.2 硬件环境
• 5.1.3 软件环境
• 5.2 性能测试
• 5.2.1 测试方法
• 5.2.2 性能测试
• 5.3 测试结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果