談虛擬環境中裝置訪問的實現方法 中

康華

：主要從事 linux 作業系統核心、虛擬機器、linux 技術標準、計算機安全、軟體測試等領域的研究與開發工作，曾就職 mii-hp 軟體實驗室 、瞬聯軟體公司/motorola，現就職於lenovo研究院 。其所合寫的linux專欄見http://www.csdn.net/subject/linux/

。 如果需要可以聯絡通過 [email protected] （msn）聯絡我.

摘要

：上期我們對虛擬機器中各種裝置訪問方式進行介紹與分析歸納。在繼續具體介紹虛擬機器種光碟機燒錄實現之前，先占用一些篇幅介紹一下裝置虛擬化中的乙個關鍵問題：i/o截獲。

vmm截獲

i/o操作是指：

guest

系統傳送的

i/o訪問請求被

vmm攔截，而不是像

native

環境下那樣被直接寫入到物理裝置中。原因是顯而易見的，因為不能讓

guest

系統直接修改硬體狀態，否則有可能會造成系統故障（輕則影響其他

guest

執行，重則會讓整個系統宕機）。所以

vmm會將截獲的

i/o指令進行分析後模擬執行，也就是將「偽造」的資料返回給

guest

系統。目前所有虛擬機器軟體的

i/o虛擬化原理都如上所說，過程大同小異。不過具體的截獲方式又有所差別。這裡就幾種典型的

i/o截獲方式進行介紹和分析。

1

isa層的虛擬化技術是指採用軟體模擬指令集的方式進行指令虛擬。具體的實現方式是截獲客戶作業系統發出的指令，並把它們「翻譯

」成host

平台上的可用指令進行執行，其中所說的指令既包括處理器內部指令，也包含

io指令。因此

i/o的截獲和其他處理器指令截獲方式一樣，都是在虛擬機器模擬

cpu取指令過程中被發現並被進而模擬處理的。這種虛擬機器的代表是

bochs

和qemu

，都是執行在使用者空間的程序虛擬機器。

2 .

硬體抽象層的虛擬化技術是指在

guest

和host

系統isa

相同的情況下，盡可能避免翻譯和模擬

guest

指令，而是讓其直接執行；僅僅在

guest

系統執行特權指令（修改系統資源或執行結果受資源狀態決定）時，虛擬機器才會截獲並接管處理，以免系統發生異常或衝突。

虛擬機器為了能截獲特權指令，要求執行於高特權級別，屬於核心程式。這樣每由使用者態執行的

guest

系統產生

trap

時，就能被

vmm捕獲到。而

i/o指令（

x86中

in/out

等）屬於典型的特權指令，在使用者空間使用將產生

trap

。如果出現特權指令在特權級不夠的情況下執行，並不能方便地產生

trap

的情況。對這一問題的解決方案有３種：一種是指令掃瞄結合動態指令修改的軟體技術，有許多商業的虛擬化產品採用了這種方案。此種虛擬化技術的代表產品是

vmware

；另一種是對

guest

系統進行修改，使得修改資源時能產生必要的

trap

，以便能被

vmm截獲。代表軟體是

xen(

其中的modify方式)

。最後一種方案是修改

x86 cpu

，使它支援虛擬化（即讓所有敏感特權指令都能產生

trap

），也就是

intel

的vanderpool

技術和amd

的pacifica

技術的目標，具體代表是

kvm和

xen (unmodify方式)

。　i/o

請求或讀或寫在被

vmm截獲後都需要模擬執行。模擬即可以在

vmm內部完成，也可以在

host

中完成。

vmm內部完成的好處是速度快，缺點是需要在

vmm中實現模擬裝置，工作量大；且使得

vmm變的臃腫，降低了

vmm的可靠性。在

host

中完成雖然需要將

i/o請求從

vmm**到

host

中的裝置模擬程序，增加了上下文切換和排程時間。但是優點更突出：

1 可以利用已存在的裝置模擬**（如

qemu）；2

於宿主性裝置模擬可以借助

host

系統的裝置驅動。

3 保持了

vmm盡量精簡。鑑於以上原因多數虛擬化軟體都採用將裝置模擬紡在

host

中進行。

最後，為了讓大家能更清楚認識

i/o虛擬化過程。我舉

xen中完成

i/o虛擬化的過程進行說明：

首先guest

系統執行

i/o請求命令（如

out ***）;

由於guest

處於使用者空間，

i/o訪問會引發

trap

，這時處於特權級執行的

vmm會將捕獲該

trap,

然後vmm

可能在自己內部模擬執行該

i/o請求（如對中斷控制器的請求或簡單的

pit模擬等都實現在

vmm內部），或者將

i/o請求向上傳送給處於

domain0

中執行的

qemu

程序模擬

i/o操作（具體是通過

event channel

傳送模擬中斷通知

domain0

中的qemu

）。qemu

程序當監聽到上發的

i/o請求後，會調對應埠註冊的處理函式進行

i/o模擬處理，並將模擬結果送回

vmm，從而返回給

guest

系統。

談虛擬環境中裝置訪問的實現方法 上

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