基于Xen的嵌入式虛擬化技術(shù)研究

胡雯

摘 要：本文首先介紹了嵌入式虛擬化技術(shù)的特點及3個不同的技術(shù)類型，著重研究了基于Xen管理程序的嵌入式半虛擬化技術(shù)，并進行了基于ARM嵌入式平臺的虛擬化操作系統(tǒng)的移植和數(shù)據(jù)傳遞的測試實驗，為進一步的研究和推廣嵌入式虛擬化技術(shù)提供有價值的參考。

關(guān)鍵詞：嵌入式；虛擬化；Xen

中圖分類號：TB317 文獻標(biāo)識碼：A

1 序言

虛擬化是一種資源管理技術(shù)，其目的是整合計算機的所有軟硬件資源，在不受原有計算機資源的環(huán)境配置等限制，將計算機的所有軟硬件資源重新整合劃分，為用戶提供更優(yōu)的架構(gòu)方式及功能實現(xiàn)?？梢岳斫鉃椋@種集成是將單個物理資源表示為多個可用虛擬資源，也可以使多個物理資源表示為單個虛擬資源可用，甚至多個物理資源可以集成和區(qū)分出來的可用虛擬資源。

2 嵌入式虛擬化技術(shù)分析

Virtualization虛擬化技術(shù)在早期主要應(yīng)用在服務(wù)器和大型機上，隨著PC的快速增長，虛擬化已經(jīng)逐漸應(yīng)用到x86架構(gòu)，并得到普及。

虛擬化將IT環(huán)境變得更強大，更有彈性和更有活力，虛擬化做到了將多個操作系統(tǒng)集成到單個高性能服務(wù)器上，利用硬件平臺的資源來支持更多應(yīng)用程序，或簡化IT基礎(chǔ)架構(gòu)，降低難度在資源管理上，并避免不必要的IT基礎(chǔ)架構(gòu)擴展。虛擬機的真正硬件獨立性還使虛擬機運行時遷移，允許真正的不間斷操作，最大化業(yè)務(wù)連續(xù)性，而不必為購買超高可用性平臺支付高昂的價格。

虛擬化技術(shù)分為3個類型：模擬虛擬化技術(shù)、全虛擬化技術(shù)、半虛擬化技術(shù)。

2.1 模擬虛擬化技術(shù)

這種虛擬化技術(shù)只用于某些特定的領(lǐng)域，例如，在一個處理器平臺上模擬另一個指令集不同的處理器平臺，或在這個平臺中的其他處理器平臺運行軟件，比如在X86平臺上模擬ARM嵌入式領(lǐng)域平臺，可以使嵌入式平臺的軟件開發(fā)變得容易。與嵌入式平臺相比，目前X86平臺的硬件資源相對豐富，因此即使仿真會使計算機本身性能嚴(yán)重下降，但嵌入式平臺的仿真也具有可用性，該技術(shù)適合嵌入式環(huán)境低成本，方便快捷的嵌入式軟件開發(fā)。已開發(fā)出的相應(yīng)模擬器軟件有Bochs，QEMU等。

2.2 全虛擬化（Full Virtualization）技術(shù)

該技術(shù)可理解為基于動態(tài)指令的全虛擬化，是一種純軟件虛擬化技術(shù)。其特點是當(dāng)虛擬機管理程序正在執(zhí)行時，虛擬機操作系統(tǒng)的指令掃描到了二進制代碼，會挑選敏感指令并將其轉(zhuǎn)換為其它等效指令，運行等效指令而不是敏感指令。這種方法由于使用軟件同步檢測和運行的方式實現(xiàn)程序的執(zhí)行，性能不高，但運行速度要優(yōu)于模擬虛擬化技術(shù)。

2.3 半虛擬化（Para Virtualization）技術(shù)

半虛擬化技術(shù)也叫基于硬件的半虛擬化技術(shù)，主要應(yīng)用在開源操作系統(tǒng)，如Linux操作系統(tǒng)。其技術(shù)特征在于，操作系統(tǒng)要執(zhí)行的調(diào)用及其他特定指令的特權(quán)操作或指令修改等，交由下層的虛擬機管理器VMM進行管理，并根據(jù)VMM返回信息再進行指令修改等后續(xù)操作，并通過系統(tǒng)調(diào)用機制主動向虛擬機管理器報告，讓虛擬機管理器代替執(zhí)行。半虛擬化技術(shù)因為高性能的VMware ESX，Xen虛擬化平臺和KVM虛擬化平臺，無需修改操作系統(tǒng)等簡單性優(yōu)勢，已被許多虛擬化產(chǎn)品采用。基于此，在嵌入式虛擬化系統(tǒng)中也開始支持和使用半虛擬化技術(shù)，加快嵌入式虛擬化的普及。

目前主流的嵌入式處理器芯片都存在有敏感非特權(quán)指令，而且不支持硬件輔助完全虛擬化，并且若使用基于軟件的全虛擬化又對性能影啊很大，不適合用于嵌入式平臺。因此，大家轉(zhuǎn)向?qū)ふ腋玫慕鉀Q方案，XEN管理程序的出現(xiàn)，為嵌入式虛擬化技術(shù)帶來了希望。

3 XEN虛擬化技術(shù)

3.1 技術(shù)簡介

XEN 是英國劍橋大學(xué)計算機實驗室開發(fā)的一個虛擬化開源項目，由于其具有占用資源少、和操作系統(tǒng)完全貼合等優(yōu)點，很快就被技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用于虛擬化領(lǐng)域和嵌入式虛擬化領(lǐng)域。其特點是基于X86體系結(jié)構(gòu)，并且與開源操作系統(tǒng)能完美結(jié)合，支持全虛擬化和半虛擬化。以高性能、占用資源少著稱，因此被作為嵌入式虛擬化技術(shù)的首選應(yīng)用方案。

3.2 實驗方案

基于Xen的嵌入式半虛擬化實現(xiàn)方案如圖1所示，首先在ARM Cortex-A8處理器平臺上移植Xen-ARM虛擬化平臺，然后將虛擬化后的嵌入式操作系統(tǒng)Linux（編號Domain O）與另一個嵌入式操作系統(tǒng)（編號Domain1）分別作為客戶操作系統(tǒng)運行在VMM上，客戶機OS或應(yīng)用程序與VMM直接通過Hypercall（系統(tǒng)調(diào)用）實現(xiàn)信息通信，DomainO與Domainl直接通過共享內(nèi)存來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。

3.3 實驗過程

（1） 嵌入式系統(tǒng)移植，實驗操作如下：

[root@localhost ～]# yum-config-manager --add-repo=http：//mirrors.aliyun.com/centos/6.7/xen4/x86_64/

[root@localhost ～]# yum install xen –y

[root@localhost ～]# vim /etc/grub.conf

titleCentOS （3.18.12-11.el6.x86_64）

root （hd0，0）

kernel /xen.gz dom0_mem=1024M cpufreq=xen dom0_max_vcpus=2 dom0_vcpus_pin

module /vmlinuz-3.18.12-11.el6.x86_64 ro root=/dev/mapper/vg0-root

……

module /initramfs-3.18.12-11.el6.x86_64.img [root@localhost ～]# mkdir -pv /data/xen -pv

[root@localhost ～]# cd /data/xen/

[root@localhostxen]# qemu-img create -f raw -o size=2G busybox.img

[root@localhostxen]# mkfs.ext4 busybox.img

[root@localhost ～]# yumgroupinstall "Development Tools" "Server Platform Development"

[root@localhost ～]# yum install glibc-static

[root@localhost ～]# tar xf busybox-1.22.1.tar.bz2

[root@localhost busybox-1.22.1]# make&& make install

[root@localhost busybox-1.22.1]# mount -o loop /data/xen/busybox.img /mnt/

[root@localhostmnt]# mkdirdevproc sys home

[root@localhostxen]# xl create busybox

Parsing config from busybox

DEBUG libxl__blktap_devpath 76 aio：/data/xen/busybox.img

DEBUG libxl__blktap_devpath 81 /dev/xen/blktap-2/tapdev0

[root@localhostxen]# xl list

Name ID MemVCPUs State Time（s）

Domain-0 0 1024 2 r----- 29.0

busybox-01 4 256 1 -b---- 0.6

（2）數(shù)據(jù)通信測試

由Domain0負責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，Domain1通過共享內(nèi)存獲取數(shù)據(jù)，并設(shè)計一個測試程序在Domain1端運行，觀察運行時的數(shù)據(jù)和運行速度，測試獲取數(shù)據(jù)的正確性，以及程序引擎的代碼運行速率，以此來檢驗該虛擬化環(huán)境的運行性能。并將該測試搬到PC機上搭建的一個類似的虛擬化環(huán)境中進行。測試結(jié)果如表1所示，傳遞數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)正確率為100%，讀取數(shù)據(jù)的代碼運行速度基本接近于PC機虛擬化環(huán)境。由此證明，該嵌入式虛擬化環(huán)境的可用性及運行性能都較高，可以作為研究嵌入式虛擬化技術(shù)的有價值的參考數(shù)據(jù)。

4 小結(jié)

由于虛擬化技術(shù)還在繼續(xù)發(fā)展中，本文選擇Xen虛擬化管理工具，完成了嵌入式虛擬化平臺的移植，及數(shù)據(jù)傳遞等程序測試，并與同等虛擬化環(huán)境的PC機程序，做了對比試驗，實驗結(jié)果表明該虛擬化技術(shù)在保證數(shù)據(jù)正確的基礎(chǔ)上，基本能夠?qū)崿F(xiàn)OS對硬件的訪問及管理。由于硬件環(huán)境的限制，本文只選擇了2個虛擬化系統(tǒng)實例，并且選用了ARM微處理器平臺進行實驗。今后將在多虛擬化系統(tǒng)的環(huán)境下，對不同嵌入式平臺做進一步的研究和測試。

參考文獻：

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（本文審稿 李正發(fā)）