基于微內(nèi)核架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)虛擬化技術(shù)

張易知　徐國治

摘要：本文通過引入基于微內(nèi)核架構(gòu)的虛擬化技術(shù)，提出一種新的虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)微內(nèi)核虛擬機(jī)抽象和用戶態(tài)虛擬機(jī)管理服務(wù)的有機(jī)結(jié)合。架構(gòu)不僅具有高度的可靠性和靈活性并且能為虛擬機(jī)運(yùn)行環(huán)境提供實(shí)時(shí)性支持，使其在系統(tǒng)資源受限，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：虛擬化；微內(nèi)核；操作系統(tǒng)；L4；可靠性

虛擬機(jī)環(huán)境的架構(gòu)分析

在計(jì)算領(lǐng)域，虛擬化是一個(gè)廣義的術(shù)語，通常是指對(duì)于計(jì)算資源的一種抽象。通過虛擬化，可使計(jì)算資源復(fù)雜的實(shí)際物理特性對(duì)于應(yīng)用程序或終端用戶加以隱藏。這種過程既可以讓單一的物理資源(如一臺(tái)服務(wù)器，一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備或一個(gè)操作系統(tǒng))表現(xiàn)為多個(gè)可用的虛擬資源，也可以讓多個(gè)物理資源(如多臺(tái)服務(wù)器或多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備)表現(xiàn)為單一的可用虛擬資源，甚至可以將多個(gè)物理資源加以整合并分化出多個(gè)可用的虛擬資源。

VMware Workstation是一款傳統(tǒng)的基于主機(jī)操作系統(tǒng)架構(gòu)的虛擬機(jī)，并將虛擬機(jī)管理器運(yùn)行于高特權(quán)級(jí)以使用特權(quán)級(jí)指令。這類虛擬機(jī)一般是針對(duì)特定的平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)的，可以使同一平臺(tái)架構(gòu)下的各種操作系統(tǒng)如同應(yīng)用程序那樣高效地運(yùn)行在同一主機(jī)操作系統(tǒng)之上。但是，這種應(yīng)用模型也有一個(gè)非常嚴(yán)重的缺陷－主機(jī)操作系統(tǒng)，作為一切的基礎(chǔ)，會(huì)占用一定的系統(tǒng)資源并大大增加系統(tǒng)達(dá)到可信計(jì)算所需要驗(yàn)證的代碼量。

由于像英特爾這樣的硬件制造商開發(fā)出了新一代的硬件虛擬化技術(shù)，如今像Xen這樣的虛擬機(jī)管理層已經(jīng)可以以極小的虛擬化開銷支持未經(jīng)修改的操作系統(tǒng)的高效運(yùn)行?；诠芾韺蛹軜?gòu)的虛擬機(jī)所面臨的問題是管理層所提供的抽象往往過于粗粒度以至于很難對(duì)細(xì)小的軟件組件進(jìn)行有效地描述。而對(duì)于運(yùn)行在特權(quán)級(jí)的虛擬機(jī)管理邏輯部分——超級(jí)虛擬機(jī)(Super VM)也是這樣。它往往運(yùn)行在一個(gè)商業(yè)操作系統(tǒng)軟件之上以提供對(duì)各虛擬機(jī)的管理服務(wù)。而一旦發(fā)生錯(cuò)誤，則將很有可能因此波及到別的虛擬機(jī)。

擁有微內(nèi)核架構(gòu)的操作系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用以構(gòu)成一個(gè)可自由裁減的系統(tǒng)并且易于保證其可信計(jì)算基礎(chǔ)，系統(tǒng)所定義的操作系統(tǒng)和用戶態(tài)應(yīng)用程序之間的接口與硬件平臺(tái)的接口很相近，這樣既保證了操作系統(tǒng)的功能性，又避免了操作系統(tǒng)的代碼過于冗長，十分適合用以構(gòu)建一個(gè)良好的虛擬機(jī)環(huán)境。有些人使用像L4Linux這樣經(jīng)過修改的客戶操作系統(tǒng)使其運(yùn)行在高效的微內(nèi)核之上。但是此類修改很難被應(yīng)用到所有的商業(yè)操作系統(tǒng)上致使其應(yīng)用范圍受到嚴(yán)格的限制。

據(jù)此，一種頗為可行的方法是有效地利用微內(nèi)核操作系統(tǒng)的特點(diǎn)，將基于主機(jī)操作系統(tǒng)架構(gòu)的虛擬化和基于管理層的虛擬化融合到一起，結(jié)合特權(quán)指令部分和一個(gè)用戶態(tài)虛擬機(jī)管理器來克服彼此的缺陷。如此，加之利用像L4這樣高性能的微內(nèi)核操作系統(tǒng)，我們可以最終獲得在效率，功能性和安全性三方面取得均衡的虛擬機(jī)環(huán)境。

基于微內(nèi)核架構(gòu)的虛擬化技術(shù)

本架構(gòu)(圖2)設(shè)計(jì)中，我們將主要針對(duì)特定的平臺(tái)架構(gòu)(即英特爾x86架構(gòu))，以L4微內(nèi)核系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，利用硬件虛擬化技術(shù)的支持以構(gòu)建高效、安全的虛擬機(jī)。

不同于一般的虛擬機(jī)，我們將系統(tǒng)劃分為兩個(gè)部分：一個(gè)必要的擁有特權(quán)指令權(quán)限的內(nèi)核態(tài)虛擬機(jī)描述部分以運(yùn)行指令和請(qǐng)求資源，和一個(gè)用戶態(tài)的虛擬機(jī)資源控制單元以處理各類事件并實(shí)現(xiàn)管理。

內(nèi)核態(tài)虛擬機(jī)的抽象將主要要通過兩方面完成：一，以L4任務(wù)機(jī)制為基礎(chǔ)，利用其地址空間的控制功能以提供必要的隔離性；二，對(duì)線程機(jī)制進(jìn)行增強(qiáng)，形成特殊的虛擬CPU線程，用以模擬每個(gè)處理器。

除此之外，構(gòu)建虛擬機(jī)還需要完善內(nèi)存頁表的訪問，中斷的處理以及文件系統(tǒng)。這些則需要通過內(nèi)核態(tài)的虛擬機(jī)描述部分與用戶態(tài)的虛擬機(jī)管理器協(xié)同完成。同時(shí)還需要利用用戶態(tài)虛擬機(jī)管理器建立一系列的管理和調(diào)試接口。

虛擬化技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

基于微內(nèi)核的虛擬機(jī)環(huán)境具有高可靠性，高靈活性以及實(shí)時(shí)性支持等特點(diǎn)，而隨著虛擬化技術(shù)的不斷發(fā)展，以及新體系架構(gòu)的引入，嵌入式系統(tǒng)虛擬化的性能障礙也正被逐漸克服，使之可以在嵌入式系統(tǒng)中有著以下廣泛的應(yīng)用前景。

·隨著智能手機(jī)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)終端(MID)等一系列概念的推出與發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)正逐漸超越個(gè)人計(jì)算機(jī)成為主流的個(gè)人信息交互終端，隨之而來的則是對(duì)嵌入式系統(tǒng)的信息安全性能所提出的挑戰(zhàn)。通過虛擬化，我們可以支持多個(gè)相互隔離的操作系統(tǒng)在嵌入式平臺(tái)上的同時(shí)運(yùn)行，把如電子商務(wù)等安全性要求較高的應(yīng)用封裝在一個(gè)高度隔離的客戶操作系統(tǒng)當(dāng)中，并開放另一個(gè)操作系統(tǒng)做為普通應(yīng)用程序的運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)高度安全可靠的運(yùn)行模式。

·通過使用基于微內(nèi)核架構(gòu)的虛擬機(jī)，我們可以把嵌入式系統(tǒng)的硬件資源轉(zhuǎn)化為各個(gè)不同的實(shí)時(shí)系統(tǒng)服務(wù)向上以虛擬設(shè)備的方式提供給虛擬機(jī)上運(yùn)行的客戶操作系統(tǒng)。借由這種方式，可以同時(shí)支持豐富的非實(shí)時(shí)和實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的同時(shí)運(yùn)行并為非實(shí)時(shí)的應(yīng)用程序與實(shí)時(shí)的系統(tǒng)功能之間提供一個(gè)良好而透明的交互接口。

·通過使用虛擬機(jī)，我們可以在嵌入式平臺(tái)上得到一個(gè)兼容性較高的軟件運(yùn)行環(huán)境，最大程度地使嵌入式系統(tǒng)在硬件上的特異性通過軟件虛擬的方式變得透明化，進(jìn)一步使不同的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)之間以及嵌入式平臺(tái)和個(gè)人計(jì)算機(jī)之間能夠?qū)崿F(xiàn)軟件運(yùn)行的兼容。并且通過虛擬化，我們還能實(shí)現(xiàn)諸如不同平臺(tái)之間的程序遷移，分布式運(yùn)行，故障恢復(fù)等復(fù)雜的功能。

·通過引入網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和遠(yuǎn)程訪問機(jī)制，把各種遠(yuǎn)程的計(jì)算資源和設(shè)備資源借助虛擬化、本地化，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)對(duì)于遠(yuǎn)程資源的透明訪問，大幅擴(kuò)展嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)功能，使未來的嵌入式系統(tǒng)做為信息終端更加適應(yīng)云到端－數(shù)據(jù)中心到信息終端的發(fā)展模式。

結(jié)語

本文總結(jié)了虛擬化技術(shù)近期的發(fā)展和所取得的成果，分析了當(dāng)前主流的虛擬機(jī)架構(gòu)。筆者認(rèn)為基于主機(jī)系統(tǒng)和虛擬機(jī)監(jiān)視器的全虛擬化架構(gòu)過于依賴宿主系統(tǒng)的系統(tǒng)服務(wù)，導(dǎo)致基礎(chǔ)代碼的大量增加，大大降低了系統(tǒng)的可靠性，并且很大程度上受限于主機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)。另一方面，基于虛擬管理層的半虛擬化架構(gòu)則缺乏穩(wěn)健的系統(tǒng)構(gòu)成，僅對(duì)虛擬機(jī)提供了大粒度的抽象，無法構(gòu)建短小而精悍的系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，我們提出一種新的虛擬機(jī)環(huán)境，將兩者的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)的結(jié)合起來，整個(gè)虛擬機(jī)環(huán)境將被分成兩部分：為環(huán)境提供可靠性，安全性以及隔離度的虛擬機(jī)抽象；和提供資源管理和功能實(shí)現(xiàn)的用戶態(tài)虛擬機(jī)管理程序。而這樣的架構(gòu)不僅具有高可靠性和靈活性，而且由于其占用資源少并能提供實(shí)時(shí)性支持等特點(diǎn)在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。