基于Xvisor的虚拟机管理器实时调度研究

智能汽车的座舱系统往往采用高性能SOC计算平台,实时任务与非实时任务共存,促使嵌入式虚拟化技术快速发展。针对1型嵌入式虚拟机管理器Xvisor的实时调度问题,采用组合调度分析法,对RTOS中VCPU的周期和时间片参数进行优化,在保证实时任务可调度的基础上,最大化非实时任务处理器资源。修改Xvisor-0.3.0的VCPU调度策略,在树莓派3b上进行实验,验证结果显示,所求最优参数可以保证实时任务可调度,旨在确保嵌入式虚拟机管理器在智能汽车领域应用中尽量节约计算资源,充分发挥处理器性能。

虚拟机管理器中面向虚拟块设备的一种通用快照扩展机制

基于虚拟机环境下虚拟块设备多样性的特点以及对高可用、容错等能力的需求,本文针对目前主流的虚拟机体系结构,提出了一种在虚拟机管理器中为虚拟块设备扩展通用快照功能的机制,能够为虚拟机环境下的多种虚拟块设备提供统一和可扩展的快照服务,有效避免了大幅修改底层的多种具体的虚拟块设备驱动。基于Linux平台,为QEMU扩展了通用的快照功能,验证了快照扩展机制的可行性,并通过实验测试分析了快照对虚拟机性能的影响。

嵌入式虚拟机管理器内存虚拟化方法研究

嵌入式虚拟机管理器需对3类硬件资源进行虚拟化才能支持客户OS的正常运行,而且支持虚拟内存的客户OS需对MMU页表进行虚拟化;以NXP公司的PowerPC架构处理器为例介绍了MMU概况、管理方法,并提出MMU虚拟化的需求;研究了XEN、ViMo、KVM/ARM、NOVA、MobiVMM 5个典型虚拟机管理器软件中所采用的主流内存虚拟化方案,并给出了基于软件影子页表、基于硬件支持特性、软硬件结合等3种对MMU页表进行虚拟化的解决方案。

嵌入式微核虚拟机管理器存储管理架构设计

对微内核架构、嵌入式虚拟化技术、嵌入式多核处理器支持技术进行简介,对工业界和学术界形成的嵌入式微内核虚拟机管理器产品进行相应调研,提出一种基于微内核架构多核虚拟机管理器的存储管理架构设计模式,把存储管理分为内核态MMU管理和用户态内存分配器两部分实现。MMU管理负责完成MMU初始化、TLB无效和增加/删除映射等功能;内存分配器负责实现memcache分配器、字节分配器和页分配器3种内存管理机制。

基于虚拟机管理器层次的客户机行为监测系统

对位于客户机层次的虚拟机蜜罐进行监测能让安全人员全面掌控攻击者的行为,而位于客户机层次的监测系统容易被识别,为此提出基于虚拟机管理器层次的客户机行为监测系统,对系统进行设计、实现和实验验证,从多个维度隐蔽地,有效地跟踪客户机操作系统的执行路线和系统行为,且对客户机来说是透明的。客户机与监测环境完全隔离,客户机不能对监测环境进行修改,保证监测数据的完整性和安全性。

嵌入式虚拟机管理器内存虚拟化方法研究

随着计算机科学技术的快速发展,对于计算机硬件以及软件的应用更加多元化,嵌入式虚拟机管理技术就是其中一个比较典型的使用案例。客户操作系统顺畅运行离不开嵌入式虚拟机管理器,需应用嵌入式虚拟机管理器对硬件资源(3种硬件资源)虚拟化,而支持虚拟内存的客户操作系统则需要对CPU存储管理单元页表虚拟化。该文主要研究的是NXP公司的PowerPC架构处理器,以此为例来详细地说明CPU的存储管理单元以及管理方法,从而提出CPU的存储管理单元虚拟化的需求。从5个典型性虚拟机管理器软件的内存虚拟化研究方案中可得出虚拟化问题的有效解决方案,此方案包括软件影子页表、硬件支持特性,软硬件结合中的多种方案,能进一步解决CPU存储管理单元(MMU)页表虚拟化问题。

基于I/O受限进程识别的虚拟处理器调度机制

针对多核平台的虚拟化环境中客户机与虚拟机管理器(virtual machine monitor,VMM)之间语义缝隙造成客户机I/O性能下降的问题,提出了一种基于I/O受限进程识别的虚拟处理器(virtual CPU,vCPU)调度机制。该机制在客户机内部利用推断技术识别I/O受限进程,通过客户机与VMM的协作实现I/O事件与I/O受限进程的关联,利用保证客户机之间公平性的虚拟对称多核处理器(virtual symmetric multi-core processor,vSMP)Internal调度算法,优先调度与I/O事件关联的I/O受限进程所在的vCPU来桥接客户机与VMM之间的语义缝隙,提高拥有vSMP的客户机中I/O负载性能。测试结果表明,相比于KVM虚拟化环境的CFS调度机制,该机制可以在保证客户机CPU公平性的前提下,有效提升运行混合负载的vSMP客户机中I/O负载性能,同时只增加较小的客户机额外开销,可以应用在负载多样性和不可预测性的虚拟桌面和云计算环境中。

基于Intel-VT处理器的虚拟机内存虚拟化的实现和优化

随着单机系统计算机性能的提高,虚拟计算机技术的需求变得日渐突出。内存虚拟化技术的研究是虚拟化技术中很重要的一部分。

XtratuM平台上的μC/OS-Ⅱ半虚拟化研究与实现

XtratuM虚拟机管理器是一款面向嵌入式安全关键领域的虚拟机管理器。XtratuM系统的每个分区上可运行一个经过修改的客户操作系统,但目前其支持的客户操作系统并不包括μ/COS-Ⅱ嵌入式实时操作系统。为此,在研究XtratuM架构的基础上,给出基于XtratuM虚拟机管理器的半虚拟化方案。利用XtratuM提供的系统调用服务向客户操作系统的μ/COS-Ⅱ隐藏不必要的硬件细节,重新设计μ/COS-Ⅱ的任务栈帧以及上下文切换算法以避免对特权指令的使用,将虚拟时钟中断挂接到XtratuM系统来保证μ/COS-Ⅱ任务的正常调度。实验结果证明,作为客户操作系统的2个μ/COS-Ⅱ可以相对独立地按照既定调度方案运行于同一个x86硬件平台上。

基于优化的COW虚拟块设备的虚拟机按需部署机制

基于COW(Copy-on-Write)读写模式的虚拟块设备有利于实现大规模虚拟机环境下虚拟机的快速部署.文中为虚拟机管理器中的COW虚拟块设备设计了一种优化方法,能够提高COW磁盘的访问性能以及生成多个小尺寸的COW磁盘映像文件,以降低通过网络部署虚拟机的开销.基于优化的COW虚拟块设备,文中提出了虚拟机环境下的虚拟机按需部署机制及关键技术问题的解决方案.基于Linux平台和QEMU虚拟机,实现了基于优化COW虚拟块设备的虚拟机按需部署原型系统.实验表明,优化的COW虚拟块设备、基于COW磁盘有效工作集的优化部署以及COW磁盘回收等方法能够有效地支持虚拟机环境下低开销的、按需的虚拟机部署.

虚拟化技术在高性能计算机系统中的应用研究

随着高性能计算机系统规模的不断扩大,体系结构的日益复杂,其管理和使用也变得越来越困难。将虚拟化技术应用于构建高性能计算机系统有助于帮助开发人员高效管理和使用高性能计算机系统,使其发挥最大效能。本文详细分析了虚拟化技术在高性能计算机系统中已有的几个成功应用,总结了虚拟化技术应用于高性能计算领域时所面临的主要问题,最后对虚拟化技术在高性能计算机系统中的应用前景进行了展望。

虚拟机环境下软件按需部署中的预取机制

针对大规模虚拟机环境下软件的按需部署,提出了一种基于预取的按需软件部署优化机制,能够降低用户端虚拟机的启动延迟以及为用户提供更好的虚拟机本地运行性能.基于用户使用软件的行为特点以及虚拟磁盘映像的细粒度分割,预取机制在后台对服务器端存储的虚拟磁盘映像进行预取,通过一种基于访问频率和优先级的预取目标识别算法AFPTR(access frequency and priority-based prefetch target recognition)和一种预取量动态调节机制,将预取集中在用户使用的少数小尺寸的虚拟磁盘映像上,并在预取过程中对预取量进行动态自适应地调节,以提高虚拟磁盘访问的本地命中率,进而提高用户端虚拟机的运行性能.基于QEMU虚拟机和Linux平台,实现了基于预取的按需软件部署原型系统.实验结果表明,预取机制能够有效地降低虚拟机的启动延迟,并能提高虚拟机的本地运行性能,支持虚拟机环境下按需、快速的软件部署.

面向虚拟机的远程磁盘缓存

在虚拟机(virtual machine)系统中,随着虚拟机数量和应用程序需求的不断增长,内存容量已经成为应用程序性能的主要瓶颈。为了提升内存密集型和I/O密集型程序的页面交换性能,提出了虚拟机的远程磁盘缓存机制REMOCA,它允许运行在一台物理主机上的虚拟机将其他物理主机的内存作为其二级磁盘缓存。由于网络传输延迟远远小于磁盘访问,用网络传输代替磁盘访问就能够有效地降低虚拟机的平均磁盘访问延迟。REMOCA的目标就要尽可能地减少磁盘访问。REMOCA运行在虚拟机管理器中,其基本工作原理是截获并处理虚拟机的页面淘汰、磁盘访问等事件。REMOCA能够与现有的虚拟机内存管理机制(如气球技术、影子缓存)相结合,从而提供更加灵活的内存资源管理策略。实验数据表明,REMOCA能有效地降低页面抖动对虚拟机性能的影响,并在很大程度上提升虚拟机中I/O密集型应用的性能。

基于软件模拟的虚拟机系统故障插入工具

对虚拟机系统故障插入工具所涉及的故障模型、插桩方式、触发机制和监控跟踪等进行研究.通过统计分析各种虚拟机系统的故障症状,给出虚拟机系统的典型故障模型(包括故障类型、故障位置、发生模型和持续时间等)及实现代码.在研究虚拟机系统架构和故障插入实现原理的基础上,采用软件模拟方法基于Xen系统设计一个故障插入工具——SFIVE,介绍相应的插桩方式、触发机制和监控机制.实验分析表明,SFIVE具有较高的虚拟机系统故障覆盖率,能够激活和监控与大部分虚拟机相关的插桩故障.

基于SR-IOV的虚拟机防火墙设计与实现

由于虚拟网络数据传输时,用户态与核心态之间频繁切换,导致虚拟域间多次数据拷贝严重影响网络I/O性能。为此,提出一种高性能的虚拟机防火墙设计方案。利用SR-IOV规范的高性能数据传输特性和对接收数据包的过滤功能,使虚拟域直接与真实网卡交互。针对低特权级的虚拟域中防火墙容易受到攻击的问题,通过在高特权级的Xen中部署监控模块,对虚拟域中的防火墙进行实时监控。实验结果表明,应用SR-IOV网卡可使虚拟机的网络I/O性能相对于Xen传统网络访问模式平均提高1倍以上,并且具有监控模块的Xen能防止防火墙被非法访问和恶意篡改,保证防火墙的安全。

云服务下虚拟机总体技术要求

介绍了云服务下的虚拟机总体技术要求的制定背景和工作进展。梳理云服务下虚拟机总体技术要求的总体概念及技术架构,具体分析了虚拟机通用要求、通用管理要求、管理平台要求,以及虚拟机的核心要素,包括兼容性、隔离性、可用性和服务管理要求。

虚拟机UML下的主机入侵检测

通过对虚拟机UML(user-mode Linux)的体系结构的分析,结合它自身的特点,提出了一种适合于UML的主机入侵检测方法:关于虚拟机的主机系统调用的入侵检测系统。这种方法是从虚拟机外部,即它的虚拟机管理器VMM(Virtual Machine Monitor)上采集数据,和传统的在虚拟机内部采集数据的方法比较,这种方法速度快,而且还很安全。

3PAR助力虚拟机的快速在线恢复

全球领先的公用存储供应商3PAR近日宣布推出两款新的3PAR InForm软件插件,分别用于VMware vSphere和VMware vCenter服务器，可提供虚拟机（VM）感知快照、快速在线VM恢复以及VM-存储映射。而用于VMware vSphere的3PAR恢复管理器以及用于VMware vCenter服务器的3PAR管理插件的结合．使3PAR和VMware的共同客户能够简单、高效并连续地保护、恢复和管理虚拟数据中心和云计算环境内的虚拟机及相关存储资源。

基于虚拟化的安全监控

近年来,虚拟化技术成为计算机系统结构的发展趋势,并为安全监控提供了一种解决思路.由于虚拟机管理器具有更高的权限和更小的可信计算基,利用虚拟机管理器在单独的虚拟机中部署安全工具能够对目标虚拟机进行检测.这种方法能够保证监控工具的有效性和防攻击性.从技术实现的角度来看,现有的研究工作可以分为内部监控和外部监控.根据不同的监控目的,详细地介绍了基于虚拟化安全监控的相关工作,例如入侵检测、蜜罐、文件完整性监控、恶意代码检测与分析、安全监控架构和安全监控通用性.最后总结了现有研究工作的不足,并指出了未来的研究方向.这对于从事虚拟化研究和安全监控研究都具有重要意义.

利用虚拟化平台进行内存泄露探测

文中利用虚拟机管理器,透明地记录应用程序对资源的申请、释放以及使用情况,提供了探测内存泄露的辅助信息.此机制首先不需要修改或重新编译源程序;其次,带来的性能损失很小.两者结合可以构建在线内存泄露探测和汇报机制.不仅如此,基于虚拟机环境的内存泄露探测还具备通用性,且不需要特殊的硬件支持.所有这些特性,是已有的解决方案所不能兼有的.实验结果表明:基于虚拟机环境的内存泄露探测机制具有实用性,性能损失也被控制在10%以内,能够运用在实际的生产环境中.