虚拟机监视器结构与实现技术*

首先介绍了虚拟机技术的发展历史以及虚拟机监视器所具有的优点和特性,总结了其体系结构和分类,并分析了虚拟机监视器内部逻辑模块;从CPU虚拟化、内存虚拟化、I/O虚拟化和硬件支持四个方面讨论了虚拟机监视器的实现技术;最后基于当前学术界和业界对虚拟机技术的研究情况,阐述了未来虚拟机技术面对的机遇与挑战。     

基于cc-NUMA多核处理器构架的虚拟机监控器原型设计与实现

基于cc-NUMA构架的多核处理器是未来的主流。系统内集成百处理器核心也会在几年内出现,而现有的系统软件并不能充分发挥这一构架的优势。文章设计实现了一个虚拟机原型,通过虚拟机向上层操作系统屏蔽底层cc-NU-MA构架的特性,使操作系统无需修改可高效的运行并且应用程序降低开发的难度。实验结果表明运行在虚拟化后同一NUMA节点内的Linux可以达到很好的性能。     

虚拟机陷出的检测及分析

虚拟机执行敏感指令时会陷出到虚拟机管理器(virtual machine monitor,VMM)处理,虚拟机频繁陷出是影响虚拟化性能的重要因素,因此全面了解导致陷出的敏感指令对虚拟化性能优化有重要意义。提出了一个创新性的方法"桶竞争法"(competition in bucket method,CBM),通过把敏感指令的地址映射到不同的桶中,采用竞争方式在各个桶内寻找陷出次数最多的几个地址,能高效地跟踪所有的虚拟机陷出。     

基于协作型VMM的虚拟机执行环境动态配置模型

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 VT-x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。     

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.     

虚拟机协同调度问题研究

由于虚拟化技术能对多个服务有效隔离避免其相互间干扰而得到广泛应用。对于需要多个服务协同工作的大型应用,传统虚拟机监控器调度时忽视了虚拟机间的协同性,降低了虚拟机间并行工作的可能性,从而影响了服务质量。对虚拟机的协同调度进行研究,分析了调度对虚拟机协同性及服务质量的影响,提出了一种虚拟机协同调度算法。实验表明,协同调度使虚拟化平台服务器响应时间降低了1/3,且没有对调度的公平性造成明显影响。     

基于VMI的虚拟机远程证明方案

可信计算组织（TCG,trusted computing group）提出的虚拟机远程证明方案可以为云计算平台提供虚拟机完整性验证服务,而直接使用 TCG 提出的方案性能较低,并且会受到布谷鸟攻击的威胁。利用虚拟机自省技术（VMI,virtual machine introspection）设计了新的虚拟机远程证明方案。通过在虚拟机监视器（VMM,virtual machine monitor）中获取虚拟机远程验证证据的方法消除在虚拟机内执行布谷鸟攻击的路径,利用物理可信平台模块（TPM,trusted platform module）保证虚拟机远程验证证据的完整性,减少了身份证明密钥（AIK,attestation identity key）证书的产生数量,降低了私有证书颁发机构的负载。实验表明,方案可以有效验证虚拟机的完整性状态,在虚拟机数量较多的情况下,性能优于TCG提出的虚拟机远程证明方案。     

虚拟机缓存划分的设计与实现

阐述了一种基于VMM(virtual machine manager)的虚拟机缓存划分的设计与实现。该方法采用操作系统中的页面着色技术,在虚拟机管理器Xen上进行实现。这种机制对于VMM之上的客户操作系统是完全透明的,便于操作,具有很好的灵活性。经测试表明,提出的缓存划分的方法能够显著地提高同时运行在不同虚拟机上的应用程序的性能。对从SPEC CPU 2006基准测试程序里面挑选出来的并发程序的负载进行测试,结果表明缓存划分最高可以使其性能提升19%。     

PDSS 虚拟机的设计

本文针对可编程器件仿真系统设计中有关中断处理、I／O端口访问冲突等技术难题,将虚拟机的思想应用于PDSS,完成了PDSS虚拟机的设计。本文在介绍PDSS虚拟机结构及功能模块的基础上对虚拟机设计中有关虚拟内存管理和虚拟中断处理两个技术难题进行了较详细论述,给出了具体的处理方法,较好地解决了可编程器件仿真的问题。     

一种恶意软件行为分析系统的设计与实现

基于虚拟化技术的恶意软件行为分析是近年来出现的分析恶意软件的方法。该方法利用虚拟化平台良好的隔离性和控制力对恶意软件运行时的行为进行分析,但存在两方面的不足：一方面,现有虚拟机监视器（Virtual Machine Monitor,VMM）的设计初衷是提高虚拟化系统的通用性和高效性,并没有充分考虑虚拟化系统的透明性,导致现有的VMM很容易被恶意软件的环境感知测试所发现。为此,提出一种基于硬件辅助虚拟化技术的恶意软件行为分析系统——THVA。THVA是一个利用了安全虚拟机（SVM）、二级页表（NPT）和虚拟机自省等多种虚拟化技术完成的、专门针对恶意软件行为分析的微型VMM。实验结果表明,THVA在行为监控和反恶意软件检测方面表现良好。     

基于虚拟机监控器的隐私透明保护

操作系统漏洞经常被攻击者利用,从而以内核权限执行任意代码(返回用户态攻击,ret2user)以及窃取用户隐私数据.使用虚拟机监控器构建了一个对操作系统及应用程序透明的内存访问审查机制,提出了一种低性能开销并且无法被绕过的内存页面使用信息实时跟踪策略;结合安全加载器,保证了动态链接库以及应用程序的代码完整性.能够确保即使操作系统内核被攻击,应用程序的内存隐私数据依然无法被窃取.在Linux操作系统上进行了原型实现及验证,实验结果表明,该隐私保护机制对大多数应用只带来6%~10%的性能负载.     

虚拟机备份机制研究

虚拟机是近年来的学术研究热点,其为客户操作系统提供了底层物理机器的抽象,是构成虚拟计算环境的核心之一。本文介绍了虚拟机的备份机制,具体介绍了常用虚拟机备份方法,虚拟机监视器VMM层次的快照、克隆、记录日志、迁移等备份方法以及大型数据中心的备份机制。本文比较了客户操作系统层次、VMM层次、虚拟机外部三个层次的虚拟机备份方法,总结了存在的问题,并探讨了未来的发展趋势。     

分析Windows98虚拟内存

在机器ＲＡＭ内存有限的情况下,使用虚拟内存将能获得很大的性能提升。本文以虚拟内存管理程序为核心对Ｗｉｎｄｏｗｓ９８的虚拟内存进行了较为详细的分析。     

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.     

一种基于硬件辅助虚拟化的软件行为分析器的设计与实现

基于虚拟化技术的软件行为分析是近年来出现的分析软件的方法。文本提出一种基于硬件辅助虚拟化技术的软件行为分析器——HVA。HVA是一个利用了安全虚拟机(SVM)、二级页表(NPT)和虚拟机自省等多种虚拟化技术完成的、专门针对软件行为分析的微型VMM。结果表明,HVA在软件行为分析方面表现良好。     

跨平台系统级虚拟机的访存优化

跨平台系统级虚拟机软件模拟访存操作效率低,严重影响了虚拟机的性能.为提高跨平台虚拟机访存效率,提出了一种使用宿主系统TLB硬件、加速跨平台系统级虚拟机访存地址转换的软硬件协同优化方法.该方法相对于软件访存模拟方法,有效利用了宿主系统的硬件资源,提高了跨平台系统级虚拟机执行访存操作效率.实验结果表明该方法将虚拟机系统的整体性能提高了近15%.提出的方法已实际应用在龙芯系统级跨平台虚拟机中.     

Mach的面向对象的虚存管理实现方法

Ｍａｃｈ是一个新兴的操作系统，Ｍａｃｈ的虚存管理别具特色，本文介绍了Ｍａｃｈ的虚存环境、虚存管理的数据结构，算法及虚存实现。     

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。     

Design and verification of a lightweight reliable virtual machine monitor for a many-core architecture

Virtual machine monitors (VMMs) play a central role in cloud computing. Their reliability and availability are critical for cloud computing. Virtualization and device emulation make the VMM code base large and the interface between OS and VMM complex. This results in a code base that is very hard to verify the security of the VMM. For example, a misuse of a VMM hyper-call by a malicious guest OS can corrupt the whole VMM. The complexity of the VMM also makes it hard to formally verify the correctness of the system’s behavior. In this paper a new VMM, operating system virtualization (OSV), is proposed. The multiprocessor boot interface and memory configuration interface are virtualized in OSV at boot time in the Linux kernel. After booting, only inter-processor interrupt operations are intercepted by OSV, which makes the interface between OSV and OS simple. The interface is verified using formal model checking, which ensures a malicious OS cannot attack OSV through the interface. Currently, OSV is implemented based on the AMD Opteron multi-core server architecture. Evaluation results show that Linux running on OSV has a similar performance to native Linux. OSV has a performance improvement of 4%–13% over Xen.     

VM aware journaling: improving journaling file system performance in virtualization environments

Journaling file systems, which are widely used in modern operating systems, guarantee file system consistency and data integrity by logging file system updates to a journal, which is a reserved space on the storage, before the updates are written to the data storage. Such journal writes increase the write traffic to the storage and thus degrade the file system performance, especially in full data journaling, which logs both metadata and data updates. In this paper, a new journaling approach is proposed to eliminate journal writes in server virtualization environments, which are gaining in popularity in server platforms. Based on reliable hardware subsystems and virtual machine monitor (VMM), the proposed approach eliminates journal writes by retaining journal data (i.e. logged file system updates) in the memory of each virtual machine and ensuring the integrity of these journal data through cooperation between the journaling file systems and the VMM. We implement the proposed approach in Linux ext3 in the Xen virtualization environment. According to the performance results, a performance improvement of up to 50.9journaling approach of ext3 due to journal write elimination. In metadata‐write dominated workloads, this approach could even outperform the metadata journaling approaches of ext3, which do not guarantee data integrity. These results demonstrate that, on virtual servers with reliable VMM and hardware subsystems, the proposed approach is an effective alternative to traditional journaling approaches. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.