协作型VMM的虚拟机执行环境动态配置模型.doc

基于协作型VMM的虚拟机执行环境动态配置模型摘 要:针对当前各类虚拟机监控器(vmm)在定制虚拟机执行环境过程中灵活性不足、可用性不强方面的问题,提出并设计了一种用户动态配置虚拟机执行环境的模型,并在协作型vmm之上进行了实现。结合intel vtx技术的实现机制,充分利用虚拟机控制结构(vmcs)中的执行控制域特性,通过为用户提供接口,对虚拟机配置文件进行操作,实现对虚拟机执行环境的实时动态配置。用户利用该模型能够快速构建具有不同运行时特性的虚拟机执行环境。测试结果表明,该模型能够提高vmm的可用性。关键词:虚拟机监控器(vmm);vtx;虚拟机执行环境;动态配置模型;可用性dynamic configuration model of virtual machine execution environment based on cooperative vmmlu jianping1,2*, guo yudong1, wand xiaorui1, zhao yuchun1(1.college of information engineering, information engineering university, zhengzhou henan 450002, china;2.department of maneuverable communication, chongqing communication institute, chongqing 400035, china)abstract:there are some deficiencies in the current virtual machine monitor (vmm) that could not customize different virtual machine execution environment flexibly. this paper illustrated the feasibility of designing and implementing the dynamic model to make better use of the vmm, and then presented a model to design a userconfigured virtual machine execution environment and implemented it upon the cooperative vmm. the model made full use of the control domains in virtual machine control structure (vmcs) configuration progress. with this model, users can change the features of the virtual machine execution environment for realtime dynamic configuration, and build virtual machines with different characteristics based on a vmm at the same time. the test results show that the model can improve the availability of the vmm.key words:virtual machine monitor (vmm); vtx; virtual machine execution environment; dynamic configuration model; availability0 引言虚拟机监控器(virtual machine monitor, vmm)是虚拟化平台实现的核心,纯软件方式实现的vmm在实现方式和性能上都存在很多缺陷1。鉴于此,intel和amd都对其处理器架构进行了扩展,支持虚拟化并提供了相应的指令集2-3。硬件辅助虚拟化已成为虚拟化技术的发展方向,主流的vmm设计(如xen和kvm)都已对其进行了支持4-5。当前硬件辅助虚拟化技术应用并没有达到预期效果,原因在于该技术仍不够成熟,其应用方面还有待挖掘。即便如此,硬件辅助虚拟化技术依然是从根本上解决当前虚拟化应用性能瓶颈的最佳方案。在硬件辅助虚拟化条件下,构建高性能、高可靠、高可用的vmm,将为构建虚拟化应用提供坚实基础。当前针对提升硬件辅助虚拟化vmm的性能和可靠性的研究已有不少6-7,本文将关注基于intel vtx的vmm在动态配置虚拟机(virtual machine, vm)执行环境方面的可用性问题。1 虚拟机执行环境分析 虚拟机执行环境一般在虚拟机运行之前已经配置完成,启动虚拟机时由vmm加载配置信息,完成虚拟机执行环境的构建。此处可以将一个虚拟机的执行环境分为两类:基础环境和运行时环境。基础环境决定虚拟机资源使用状况,包括内核位置、cpu个数、内存大小、网络配置等;运行时环境则决定虚拟机在运行过程中的行为,如可以通过配置中断和i/o等执行控制域影响虚拟机的退出行为。概括来讲,基础环境特性决定了该虚拟机的虚拟物理平台特性,而运行环境特性则决定了该虚拟机的功能特性。当前采用硬件辅助虚拟化技术的vmm,在定制虚拟机执行环境时,用户的权限仅限于对一些基础环境的配置8-9,利用这些vmm构建的虚拟机在本质上只有性能差异,而没有功能特性的不同,难以满足特定背景下的用户需求。在使用intel vtx的vmm中,虚拟机控制结构(virtual machine control structure, vmcs)的配置情况决定了虚拟机执行环境的行为特性,控制了vmx root模式和vmx nonroot模式之间的切换,决定了处理器在vmx nonroot模式下的行为3。因此,利用该技术构建的vmm能够表现出不同的特性,其中一个主要原因在于vmm中vmcs配置的差异。在xen、kvm等支持intel vtx技术的vmm实现中,启动虚拟机的过程一般遵循如下流程,如图1所示。vmm初始化之后,需要判断硬件是否支持intel vtx技术,如果支持则分配并打开支持vmx模式所需的空间,利用vmxon指令进入vmx root模式。在vmx root模式中设置虚拟机运行所需的环境,其中对vmcs的设置操作包括:使用vmclear指令初始化vmcs;使用vmptrld指令激活vmcs;利用vmwrite命令对虚拟机执行环境所需的vmcs的控制域和信息域进行赋值;通过vmlaunch指令,利用已设置好的vmcs,进入到vmx nonroot模式开始运行虚拟机。2 动态配置模型设计2.1 协作型vmm简介动态配置模型的实现基于协作型vmm原型10-11之上,此处对其进行简要介绍。如图2所示,该vmm原型的主要特征是将i/o处理部件从非特权系统(或部件)转换成一个具备特权的i/o处理机(i/o process machine, iopm)。该vmm原型充分利用了多核处理器的特性,将iopm从虚拟机转换为独立的系统。vmm控制引导处理器（bootstrap processor, bsp），每个iopm控制一个应用处理器（application processor， ap）。该vmm的管理接口位于iopm上,动态模型将依托该管理接口进行设计实现。2.2 动态配置特性描述当前采用intel vtx技术支持的vmm在对虚拟机执行环境进行初始化时对vmcs的配置进行初始化设定,这个过程在vmm内部进行,对用户是不透明的,因此用户在使用过程中不可能对这些配置条件进行更改。这种方式下,用户不能够灵活地按需定制虚拟机执行环境。如果用户需要彻底变更虚拟机的特性,对于开源的vmm而言,需要修改源代码,对于封闭的vmm产品,用户则无从下手,这都给用户的使用带来了不便。如果能够为用户提供动态配置的平台,用于改变虚拟机执行环境的功能特性,将会增强vmm的可用性和灵活性。硬件辅助虚拟化技术如intel vtx为我们实现这种机制提供了可能。原因在于,对vmcs的相关配置决定了虚拟处理器 (virtual cpu,vcpu)的特性,而vcpu的特性决定了虚拟机执行环境的特性。vmcs中存在一些可供用户按需配置的控制域,是实现灵活定制虚拟机执行环境的基础。一种思路是在源码级别上进行修改,每次需要改变虚拟机功能特性时就对vmcs配置项的相关代码进行修改,重新编译生成具有新特性的vmm8;另一种思路是通过某种机制为用户提供配置vmcs的接口,用户在需要改变虚拟机的运行特性时就通过这个接口进行操作,无需接触源码,也无需重新编译。显然,第二种思路可以更为方便地按需定制虚拟机执行环境。在intel vtx技术支持下,vmcs中的vmexecution控制域用来控制cpu在nonroot模式下的行为,可以通过配置vmexecution域达到性能优化的目的。通过相应接口将对vmexecution域中的相关字段的配置呈现给用户在理论上是可行的。基于以上分析,可以将这个动态配置特性描述如下:在保证安全性的前提下,用户通过vmm的管理控制模块,按照自身需求实时对vmcs进行配置,定制灵活、可配置的个性化虚拟机执行环境。2.3