基于Petri网的虚拟化I/O控制

在虚拟化技术中,黑客可利用虚拟化监视器(Virtual Machine Monitor)中存在的隐藏信息流窃取用户信息,并且恶意调用(Input/Output,I/O)资源攻击虚拟化监视器.本文以Petri网为系统逻辑设计工具,建立了一种基于Petri网的虚拟化I/O控制模型.该模型解决多个虚拟机争夺共享I/O资源以及虚拟机监视器在管理虚拟机I/O资源的权限时出现的同步问题.本文进一步通过分析Petri网的可达标识图和S_不变量对模型I/O资源间的同步和互斥进行了验证.

修改客户操作系统优化KVM虚拟机的I/O性能

目前,运行在虚拟机上的客户操作系统(GuestOS)是面向物理机器开发的普通操作系统,其中存在不适应虚拟化环境的因素,影响虚拟机的I/O性能.作者通过测试发现了影响虚拟机I/O性能的一些问题,针对这些问题提出了优化方法:一方面,通过合并客户操作系统中连续的I/O指令,降低虚拟机的时钟中断频率,从而降低环境切换的开销;另一方面,消除客户操作系统中的冗余操作,包括在虚拟化环境下无效的函数、冗余的I/O调度以及虚拟网卡驱动对NAPI的支持,使虚拟机只执行必要的操作,从而提高系统的性能.

基于单根I/O虚拟化的多根I/O资源池化方法

虚拟化技术在为现代数据中心提供高效的服务器整合能力和灵活的应用部署能力的同时,也对数据中心服务器的I/O系统设计提出了新的需求,现有I/O资源与服务器紧密绑定的I/O体系架构将产生成本上升、资源冗余、I/O连线复杂化等一系列问题.针对上述问题,提出了一种基于单根I/O虚拟化协议(single root I/O virtualization,SR-IOV)的多根I/O资源池化方法:基于硬件的多根域间地址和ID映射机制,实现了多个物理服务器对同一I/O设备的共享复用,有效减少单体服务器所需的设备数量和连线数量,并进一步提高服务器密度;同时提出虚拟I/O设备热插拔技术和多根共享管理机制,实现了虚拟I/O资源在服务器间的实时动态分配,提高资源的利用效率.提出的方法在可编程逻辑器件(fieid-programmable gate array,FPGA)原型系统中进行了验证,其评测表明,方法能够在实现多根I/O虚拟化共享的同时,保证各个根节点服务器获得近乎本地直连设备的I/O性能.

基于Xen的I/O准虚拟化驱动研究

针对全虚拟化下客户端虚拟机无法"感知"虚拟机监视器的问题,对基于Xen的I/O准虚拟化驱动进行研究,通过实验可知,准虚拟化驱动能够消除全虚拟化方式下虚拟机监视器"黑箱"特性的限制,可以实现和虚拟机监视器的密切配合,从而提高I/O性能。在虚拟机Xen的全虚拟化环境中加入准虚拟化驱动,采用对比测试方法验证了该驱动能大幅提升网络性能。

Xen的I/O虚拟化性能分析与优化

在Credit算法应用中,由I/O事务唤醒的VCPU处于最高优先级BOOST状态,优先抢占PCPU资源,使I/O操作的响应速度提高,但多个虚拟机同时进行I/O操作时,会引起较长延时和公平性原则被破坏问题.针对这个问题,研究分析SEDF算法、Credit算法、Credit2算法,提出L-Credit调度算法解决多个虚拟机同时进行I/O操作引起响应延迟的问题.通过监测I/O设备环共享页面中响应和请求的个数的方法,对处于BOOST状态下I/O操作进一步细化排序,使稀疏型I/O操作较密集型I/O操作先调用执行.通过对L-Credit算法与Credit算法在同一应用场景下反复对比实验,得出L-Credit算法可以提高I/O响应性能,并且继承了Credit算法负载均衡和按比例公平共享的特点.

众核处理器中硬件支持的I/O虚拟化优化技术研究

众核处理器中I/O资源被多个处理器核所共享。I/O虚拟化实现了I/O资源的高效共享和安全隔离,被越来越多的处理器设计所采用。硬件支持的I/O虚拟化从体系结构设计时就考虑对I/O虚拟化的支持,提供了一个全面、高效的I/O虚拟化的解决方案。深入研究了硬件支持I/O虚拟化的两大关键技术——DMA重映射技术和中断重定向技术,提出了基于Hint的IOTSB Cache管理方法和基于失效队列的失效方法来对DMA重映射进行优化,提出了多层可操控的中断模型和灵活可控的中断重定向实现方法来对I/O中断重定向进行优化。测试结果表明,提出的硬件支持的I/O虚拟化优化方法以很低的I/O性能开销实现了I/O资源的高效共享,提供了几乎接近无虚拟化环境下的I/O性能。

基于I/O虚拟化的通用信号处理机模型研究

现代并行实时信号处理机具备多通道、并行、大运算量的实时处理能力,开发新一代并行实时信号处理机的硬件和软件结构显得更加重要。同时现代信号处理技术的发展要求信号处理的功能和处理算法不断更新,从而对信号处理机的通用性提出了更高的要求。传统的信号处理机往往都是通过硬件和软件的绑定来完成,通用性较差,不具有可扩展性和自适应性。本文基于虚拟化技术和构件化的软件设计技术,将信号处理机的硬件设计与软件分离,实现硬件资源的虚拟化和动态分配,达到了通用化和可扩展的目的。

一种独立式I/O虚拟化方法研究

当前虚拟化系统中的设备仿真过程与I/O指令串行执行,无法发挥真实体系结构中直接存储器访问、异步I/O等加速I/O访问技术的性能优势,致使虚拟平台I/O性能与真实I/O性能存在一定差距。针对该问题,提出一种独立式I/O虚拟化方法,通过将I/O仿真活动(如磁盘读写)分离成一个独立的进程,虚拟机监控器(VMM)只保留相应的接口,达到将VMM与I/O设备分离实现仿真与指令并行化执行的目的,并基于QEMU平台实现该方法。实验结果表明,采用该方法后的QEMU I/O读写性能优于原有I/O子系统。由于I/O指令不必再等待I/O仿真的结束,因此在提高CPU指令执行速度的同时,能够有效提高4.9%的磁盘读取速度及9.2%的VGA测试基准软件Viewpref得分。

分布式I/O资源虚拟化技术的研究

提出一种可有效整合和使用分布式I/O资源的新方案.该方案实现于操作系统和系统硬件之间,主要采用最新的硬件虚拟化技术,将分布于多主机的I/O资源进行虚拟化和整合,为上层客户操作系统构建一个全局虚拟I/O空间,实现客户操作系统对分布式I/O资源的全局管理和使用.该方案实现于系统软件层,性能较高、实现成本低,并且客户操作系统无需做任何修改.

龙芯KVM虚拟机I/O中断子系统的优化

本文针对虚拟机I/O中断子系统的性能问题,以龙芯KVM虚拟机为实验平台,分析了KVM虚拟机中I/O中断子系统的性能瓶颈,并在KVM中实现虚拟I/O中断控制器的基础上,进一步采用只读页表代替陷入、类虚拟化等手段对其进行了优化。测试结果显示虚拟机处理I/O中断的吞吐量提升了300%以上。在部分I/O中断较频繁的网络和磁盘测试中,性能有60.9%~215.1%的提升,文中的优化方法同样适用于其他架构的KVM虚拟机。

云环境下网络I/O虚拟化的研究与改进

云计算对网络的共性需求体现在无感知服务、资源动态适配、可靠性保障、虚拟化和安全性等方面,然而,虚拟化作为云计算数据中心的关键技术,就是最大化有限的物理资源提供有效的传输服务。为了解决高速网络I/O虚拟化在面临I/O密集的应用时导致的I/O性能降低问题,论文提出了网络I/O性能的优化方法:一种分层处理I/O调度的网络虚拟化模型,对云平台下的VM应用进行递进式的优化I/O策略。实验结果证明提出的模型能够提高网络I/O的性能并提高硬件资源的充分利用。

基于单根I/O虚拟化的密码设备中断频率优化方法

针对虚拟化环境下中断频率过大影响密码设备密码运算性能的问题,提出了一种降低中断频率的性能优化方法。首先建立了中断频率控制模型,通过实验验证了该模型的合理性和正确性;然后基于单根I/O虚拟化,在虚拟功能驱动层加入速度监测模块来实时监测加密速度的变化,并且当该模块监测到加密速度降低时自动调整虚拟功能中断频率上限,降低由中断频率过大带来的I/O传输消耗。实验结果表明,中断频率上限的调整显著提高了I/O密集型加密过程的加密速度。

一种动态优先级排序的虚拟机I/O调度算法

I/O任务调度是影响I/O密集型虚拟机性能的重要因素。现有调度方法主要是针对虚拟机整机I/O带宽的优化,较少兼顾各虚拟域与全局性能,也无法满足域间差异化服务的要求。针对现有方法的不足,提出了一种动态优先级排序的虚拟机I/O调度算法DPS。该算法基于多属性决策理论,以离差最大化方法计算I/O任务的优先级评估属性权重,对I/O任务优先级进行综合评估;通过引入任务所在虚拟域价值,体现云计算环境下虚拟域重要性差异。在Xen系统中通过实验评测DPS调度虚拟化网卡的性能,结果表明,DPS能够有效提高指定域与全局的I/O任务截止期保证率、整机I/O带宽,并能为不同虚拟域的I/O应用提供差异化服务。

基于网卡虚拟化的高性能容器网络设计

单根I/O虚拟化技术为传统数据中心提供高效的服务器整合能力和灵活的应用部署能力,通过将多个网卡直通到虚拟机,减少额外包复制带来的性能损失,使得网络I/O具有接近主机的性能。然而,在网络功能虚拟化场景下单独使用单根I/O虚拟化技术会降低传统数据中心的网络I/O虚拟化性能。针对网络功能虚拟化长链场景,结合单根I/O虚拟化技术和软件虚拟化技术,设计基于网卡虚拟化的高性能容器网络。通过转发模块判断网络流量的目的地址,寻找最优的流量转发路径,实现流量的灵活转发。利用基于脚本程序的自动化部署模块,对每个节点业务进行支持动态增删服务的配置,便于用户对网络进行管理和修改。实验结果表明,在网络功能虚拟化长链场景下,相比单根I/O虚拟化技术,该网络延迟降低约20%,同时能够有效提高网络吞吐量,解决数据中心的网络I/O虚拟化问题。

减少上下文切换的虚拟密码设备中断路径优化方法

针对虚拟化环境下密码设备中断传输开销过大影响密码运算性能的问题,提出了一种减少上下文切换(RCS)的虚拟密码设备中断路径优化方法。首先,该方法在虚拟密码机(VCM)内核建立了一个由主机到VCM的关系映射表;然后,对传输到VCM的中断请求,由关系映射表判断中断请求类型,并对VCM中不存在的中断类型进行注册;最后,直接交由VCM中断处理器处理。该过程减少了中断处理过程中由于主机介入导致的系统频繁上下文切换开销,提高了VCM的密码运算性能。实验选取VCM执行密码运算的速度作为性能参考指标,结果表明,该机制下VCM使用高级加密标准(AES)算法加密时速度提高了16.35%,使用安全散列算法(SHA256算法)加密时速度提高了12.25%。

虚拟机环境下MPI/RDMA库的通信优化

RDMA是在高性能计算中应用最广泛的网络通信技术,以高吞吐、低延迟、低CPU占用而著称.随着高性能计算向云环境迁移,如何在虚拟机环境下高效地利用RDMA通信成为一个研究热点.本文针对高性能应用最常使用的MPI/RDMA通信库,提出在虚拟机环境下的通信优化方案VMPI.VMPI采用连接虚拟化、控制路径与数据路径分离等技术来满足云环境的要求,通过在数据路径上实现对大消息的零拷贝传输来降低端到端通信延迟.实验表明,相比于传统的RDMA虚拟化实现,VMPI可将MPI的点对点通信延迟减少40%左右,并可降低应用基准测试程序Graph500的通信时间占比.

一种网卡硬件辅助虚拟化技术

经过多年的发展,CPU虚拟化和内存虚拟化技术已经成熟,但是I/O虚拟化技术一直是虚拟化技术发展的瓶颈,也制约着整个系统虚拟化性能的提升。目前,Intel的VT-d技术已经能够实现Passthrough I/O功能,而且还通过VT-d和网卡虚拟化实现了SR-IOV技术,有效地解决了I/O虚拟化中的诸多问题。

平台虚拟化专利技术综述

本文在分析虚拟化基本含义的基础上,对虚拟化关键技术进行了综述,从CPU虚拟化、内存虚拟化以及I/O接口虚拟化三个方面对国内外有关虚拟化的关键技术的研究现状和发展趋势进行了分析。

以太网控制器虚拟化模块结构设计

针对虚拟机监视器采用软件模拟来实现I/O虚拟化所造成CPU负担重和网络I/O效率低的问题,文中基于硬件辅助I/O虚拟化的思想,提出了一种以太网控制器虚拟化模块结构设计方案。设计方案中的虚拟信息处理模块根据解析数据帧得到的信息,完成数据帧的虚拟机队列决策;分页式内存管理单元则实现数据帧内存动态管理和创建描述符队列。二者联合将数据帧分类到正确的虚拟机收发队列。实验结果表明,文中设计的以太网控制器虚拟化模块结构方案,在硬件上实现单个端口支持多个虚拟机拥有独享的数据收发通路,从而减轻CPU的负担,提高虚拟机的网络I/O效率。

密码卡虚拟化技术研究与实现

密码卡是一种密码设备,位于网络安全平台的物理层,通过各种密码算法为上层应用系统提供加解密、数字签名等密码运算服务。从云计算安全方面考虑,密码卡需要具备高速运算的特点,并且需要通过虚拟化技术实现高并发性。密码卡作为输入/输出(Input/Output,I/O)设备面临的挑战是,如何在虚拟化的情况下获得良好的I/O性能并有效地共享I/O设备。目前I/O虚拟化技术的发展相对滞后,影响了虚拟机的整体性能。基于此,该文提出了3种密码卡虚拟化设计方案,实现了基于现场可编程门阵列(FPGA)的软件虚拟化密码卡和基于单根I/O虚拟化技术的硬件虚拟化密码卡。在实际应用中,虚拟化密码卡通过高速外设部件互连标准(PCI-E)总线内置于服务器中,具备高性能并且通过软件调度可以被多用户共享。结果表明,该技术可应用于金融、电信等信息安全领域,具备广阔的应用前景。