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Xen VMX虚拟网卡的研究和模型改进

作　者: 李超
导　师: 李小勇
学　校: 上海交通大学
专　业: 密码学
关键词: Xen VT-x 完全虚拟化设备模型虚拟网卡模型改进
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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引　用: 4次
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内容摘要

近年来互联网技术和应用的不断发展,推动了对软件兼容性和可移植性的需求,使得虚拟机日益成为研究热点。一般来说,虚拟化技术可以被分为两类:泛虚拟化(Para-virtualization)和完全虚拟化(Full-virtualization)。泛虚拟化的实现需要修改操作系统,系统的性能较高,但对操作系统的修改也导致其兼容性较差。与此相对,完全虚拟化实现不需要修改操作系统,可以直接运行各类主流的操作系统,但缺点是性能较差。Xen作为英国剑桥大学研究组提出的一个虚拟化实现方案,最初采用泛虚拟化的实现,具有极好的性能表现。日益成为虚拟化技术的一个研究热点。但泛虚拟化实现对操作系统的兼容性较差,而其完全虚拟化实现则比较困难。而Intel和AMD近年来推出了硬件虚拟化技术使这一情况得到改善,其中Intel的支持x86体系架构的硬件虚拟化技术被称为VT-x。该技术能极大地提升VMM(Virtual Machine Monitor)对虚拟机控制的灵活性和粒度。在硬件虚拟化技术的支持下,Xen3.0版本开始实现了完全虚拟化。这极大的提高了Xen的兼容性和可移植性。但Xen完全虚拟化的实现性能表现还较差,其中I/O的性能更是一个薄弱的环节。完全虚拟化的Xen通过虚拟设备模型的方式为虚拟机提供设备访问的接口,设备模型提供了对PC平台设备的模拟,即用软件的方法模拟硬件级的编程接口,从而使得无需修改虚拟机的操作系统即可通过这些接口访问物理设备。论文选择Ne2000虚拟网卡作为研究对象,对虚拟设备模型进行了深入的研究和分析。Ne2000作为一个功能相对简单的网卡,易于理解Xen对它虚拟化实现的原理和方法。而Ne2000虚拟网卡和其他的虚拟网卡在模型上是相似的,对Ne2000虚拟网卡的研究可以容易的推导到一般的虚拟网卡,同时其结论也容易被应用到其他的虚拟设备。论文对Ne2000网卡和Ne2000虚拟网卡的体系结构和工作原理进行了细致的分析和研究,并在模型分析和实验数据分析的基础上,指出了其模型中的性能瓶颈。即I/O请求所引起的Hypervisor(虚拟机监视器)、Domain0、DomainU之间的频繁切换,是影响系统性能的重要原因。针对这一分析结果,论文提出了将Ne2000虚拟网卡的状态信息放入I/O共享页中,使得Hypervisor和Domain0都可以直接访问该状态信息,通过在Hypervisor中处理部分网络I/O请求,减少Hypervisor和Domain0之间的切换开销来提高系统性能。在模型改进的基础上,论文介绍了对模型改进的具体实现。并分析了模型改进后的I/O请求处理流程和中断传递流程的变化。通过搭建实验环境对改进后的系统进行测试,验证了改进后的模型可以稳定的运行,其性能比原有模型有较大的提高。论文的模型改进可以被推广到一般的虚拟网卡,也可以被推广到其他的虚拟设备。同时论文指出减少Hypervisor和DomainU间的切换开销也可能会极大地提高系统性能,这些工作将是下一步的研究目标。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
第一章虚拟机概述  14-25
  1.1 背景介绍  14-15
  1.2 虚拟机概述  15-18
  1.3 虚拟机技术的应用  18-20
  1.4 虚拟化技术的新进展  20-23
    1.4.1 VMware  20-22
    1.4.2 Xen  22
    1.4.3 其他的虚拟化技术  22-23
  1.5 本文工作和论文结构  23-25
第二章 VT-X 技术与XEN  25-43
  2.1 VT-X 技术  25-29
    2.1.1 VMM 生命周期  26-27
    2.1.2 虚拟机控制结构VMCS  27-28
    2.1.3 VMX 指令  28-29
  2.2 XEN 的体系结构  29-37
    2.2.1 Xen 的概述  29-31
    2.2.2 一些重要的实现机制  31-37
  2.3 VT-X 下的XEN  37-42
    2.3.1 核心模块  39-41
    2.3.2 VMX 虚拟机  41-42
  2.4 本章小结  42-43
第三章 NE2000 虚拟网卡的分析与研究  43-64
  3.1 虚拟设备模型  43-49
    3.1.1 设备虚拟化概述  43-44
    3.1.2 VMX 虚拟设备模型  44-46
    3.1.3 虚拟设备的I/O 请求流程  46-47
    3.1.4 中断消息传递过程  47-49
  3.2 NE2000 网卡  49-55
    3.2.1 Ne2000 网卡概述  49
    3.2.2 Ne2000 网卡寄存器  49-51
    3.2.3 Ne2000 网卡工作原理  51-55
  3.3 NE2000 网卡的虚拟  55-63
    3.3.1 Ne2000 寄存器和网卡状态  56-57
    3.3.2 Ne2000 的初始化  57
    3.3.3 对I/O 操作的模拟  57-60
    3.3.4 Ne2000 的I/O 请求处理流程  60-62
    3.3.5 Ne2000 的中断处理流程  62-63
  3.4 本章小结  63-64
第四章 NE2000 虚拟网卡的性能分析与改进  64-77
  4.1 NE2000 虚拟网卡性能分析  64-66
    4.1.1 Ne2000 虚拟网卡模型分析  64-65
    4.1.2 性能数据分析  65-66
  4.2 性能改进方案设计  66-68
  4.3 方案的具体实现  68-76
    4.3.1 网卡状态信息  68-70
    4.3.2 Ne2000 的初始化  70-72
    4.3.3 I/O 操作函数  72-74
    4.3.4 I/O 请求处理流程  74-75
    4.3.5 中断处理流程  75-76
  4.4 本章小结  76-77
第五章实验  77-88
  5.1 实验环境  77-80
    5.1.1 软硬件环境  77
    5.1.2 测试工具  77-80
  5.2 实验方案  80-81
  5.3 实验结果及分析  81-86
    5.3.1 功能测试  81-82
    5.3.2 网络传输速度  82
    5.3.3 网络吞吐量  82-84
    5.3.4 网络响应时间  84-86
    5.3.5 其他测试结果  86
  5.4 结论  86-87
  5.5 本章小结  87-88
第六章结论与展望  88-90
  6.1 结论  88
  6.2 未来的工作  88-90
参考文献  90-92
致谢  92-93
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  93

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