第5章 总体设计方案

1.1

需求分析

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。

1.1.1

目标功能

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。

1.2

Smart-VM

总体结构

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；

1.3

客户操作系统

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

.

3

操作系统运作模型

1.4

Smart-VM

监控器

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。

1.4.1

Smart-VM

虚拟化层

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；

1.4.1.1

处理器虚拟化

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

1.4.2

Smart-VM

操作系统

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。

1.4.2.1

进程管理

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；

1.4.2.2

内存管理

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；

1.4.2.3

设备驱动

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；

1.4.2.4

文件系统

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；

1.5

本章小结

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