基于微内核架构的嵌入式系统虚拟化技术介绍

虚拟机环境的架构分析

　　在计算领域，虚拟化是一个广义的术语，通常是指对于计算资源的一种抽象。通过虚拟化，可使计算资源复杂的实际物理特性对于应用程序或终端用户加以隐藏[1]。这种过程既可以让单一的物理资源(如一台服务器，一个存储设备或一个操作系统)表现为多个可用的虚拟资源，也可以让多个物理资源(如多台服务器或多个存储设备)表现为单一的可用虚拟资源[2]，甚至可以将多个物理资源加以整合并分化出多个可用的虚拟资源。

　　图1 虚拟机架构： 管理层架构与主机操作系统架构之间的比较

　　VMware Workstation[3]是一款传统的基于主机操作系统架构的虚拟机，并将虚拟机管理器运行于高特权级以使用特权级指令。这类虚拟机一般是针对特定的平台架构设计的，可以使同一平台架构下的各种操作系统如同应用程序那样高效地运行在同一主机操作系统之上。但是，这种应用模型也有一个非常严重的缺陷——主机操作系统，作为一切的基础，会占用一定的系统资源并大大增加系统达到可信计算所需要验证的代码量。

　　由于像英特尔这样的硬件制造商开发出了新一代的硬件虚拟化技术，如今像Xen[4]这样的虚拟机管理层已经可以以极小的虚拟化开销支持未经修改的操作系统的高效运行。基于管理层架构的虚拟机所面临的问题是管理层所提供的抽象往往过于粗粒度以至于很难对细小的软件组件进行有效地描述。而对于运行在特权级的虚拟机管理逻辑部分——超级虚拟机(Super VM)也是这样。它往往运行在一个商业操作系统软件之上以提供对各虚拟机的管理服务。而一旦发生错误，则将很有可能因此波及到别的虚拟机[5]。

　　拥有微内核架构的操作系统被设计用以构成一个可自由裁减的系统并且易于保证其可信计算基础，系统所定义的操作系统和用户态应用程序之间的接口与硬件平台的接口很相近，这样既保证了操作系统的功能性，又避免了操作系统的代码过于冗长，十分适合用以构建一个良好的虚拟机环境。有些人使用像L4Linux[6]这样经过修改的客户操作系统使其运行在高效的微内核之上。但是此类修改很难被应用到所有的商业操作系统上致使其应用范围受到严格的限制。

　据此，一种颇为可行的方法是有效地利用微内核操作系统的特点，将基于主机操作系统架构的虚拟化和基于管理层的虚拟化融合到一起，结合特权指令部分和一个用户态虚拟机管理器来克服彼此的缺陷。如此，加之利用像L4这样高性能的微内核操作系统，我们可以最终获得在效率，功能性和安全性三方面取得均衡的虚拟机环境。

　　基于微内核架构的虚拟化技术

　　图2 基于微内核架构的虚拟机的系统结构

　　本架构(图2)设计中，我们将主要针对特定的平台架构(即英特尔x86架构)，以L4微内核系统作为基础，利用硬件虚拟化技术的支持以构建高效、安全的虚拟机。

　　不同于一般的虚拟机，我们将系统划分为两个部分：一个必要的拥有特权指令权限的内核态虚拟机描述部分以运行指令和请求资源，和一个用户态的虚拟机资源控制单元以处理各类事件并实现管理。

　　内核态虚拟机的抽象将主要要通过两方面完成：一，以L4任务机制为基础，利用其地址空间的控制功能以提供必要的隔离性。二，对线程机制进行增强，形成特殊的虚拟CPU线程，用以模拟每个处理器。

　除此之外，构建虚拟机还需要完善内存页表的访问，中断的处理以及文件系统。这些则需要通过内核态的虚拟机描述部分与用户态的虚拟机管理器协同完成。同时还需要利用用户态虚拟机管理器建立一系列的管理和调试接口。