利用微內(nèi)核架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)虛擬化技術(shù)

　　在計算領(lǐng)域，虛擬化是一個廣義的術(shù)語，通常是指對于計算資源的一種抽象。通過虛擬化，可使計算資源復(fù)雜的實(shí)際物理特性對于應(yīng)用程序或終端用戶加以隱藏[1]。這種過程既可以讓單一的物理資源(如一臺服務(wù)器，一個存儲設(shè)備或一個操作系統(tǒng))表現(xiàn)為多個可用的虛擬資源，也可以讓多個物理資源(如多臺服務(wù)器或多個存儲設(shè)備)表現(xiàn)為單一的可用虛擬資源[2]，甚至可以將多個物理資源加以整合并分化出多個可用的虛擬資源。

圖1 虛擬機(jī)架構(gòu)： 管理層架構(gòu)與主機(jī)操作系統(tǒng)架構(gòu)之間的比較

　　VMware Workstation[3]是一款傳統(tǒng)的基于主機(jī)操作系統(tǒng)架構(gòu)的虛擬機(jī)，并將虛擬機(jī)管理器運(yùn)行于高特權(quán)級以使用特權(quán)級指令。這類虛擬機(jī)一般是針對特定的平臺架構(gòu)設(shè)計的，可以使同一平臺架構(gòu)下的各種操作系統(tǒng)如同應(yīng)用程序那樣高效地運(yùn)行在同一主機(jī)操作系統(tǒng)之上。但是，這種應(yīng)用模型也有一個非常嚴(yán)重的缺陷——主機(jī)操作系統(tǒng)，作為一切的基礎(chǔ)，會占用一定的系統(tǒng)資源并大大增加系統(tǒng)達(dá)到可信計算所需要驗(yàn)證的代碼量。

　　由于像英特爾這樣的硬件制造商開發(fā)出了新一代的硬件虛擬化技術(shù)，如今像Xen[4]這樣的虛擬機(jī)管理層已經(jīng)可以以極小的虛擬化開銷支持未經(jīng)修改的操作系統(tǒng)的高效運(yùn)行。基于管理層架構(gòu)的虛擬機(jī)所面臨的問題是管理層所提供的抽象往往過于粗粒度以至于很難對細(xì)小的軟件組件進(jìn)行有效地描述。而對于運(yùn)行在特權(quán)級的虛擬機(jī)管理邏輯部分——超級虛擬機(jī)(Super VM)也是這樣。它往往運(yùn)行在一個商業(yè)操作系統(tǒng)軟件之上以提供對各虛擬機(jī)的管理服務(wù)。而一旦發(fā)生錯誤，則將很有可能因此波及到別的虛擬機(jī)[5]。

　　擁有微內(nèi)核架構(gòu)的操作系統(tǒng)被設(shè)計用以構(gòu)成一個可自由裁減的系統(tǒng)并且易于保證其可信計算基礎(chǔ)，系統(tǒng)所定義的操作系統(tǒng)和用戶態(tài)應(yīng)用程序之間的接口與硬件平臺的接口很相近，這樣既保證了操作系統(tǒng)的功能性，又避免了操作系統(tǒng)的代碼過于冗長，十分適合用以構(gòu)建一個良好的虛擬機(jī)環(huán)境。有些人使用像L4Linux[6]這樣經(jīng)過修改的客戶操作系統(tǒng)使其運(yùn)行在高效的微內(nèi)核之上。但是此類修改很難被應(yīng)用到所有的商業(yè)操作系統(tǒng)上致使其應(yīng)用范圍受到嚴(yán)格的限制。

　　據(jù)此，一種頗為可行的方法是有效地利用微內(nèi)核操作系統(tǒng)的特點(diǎn)，將基于主機(jī)操作系統(tǒng)架構(gòu)的虛擬化和基于管理層的虛擬化融合到一起，結(jié)合特權(quán)指令部分和一個用戶態(tài)虛擬機(jī)管理器來克服彼此的缺陷。如此，加之利用像L4這樣高性能的微內(nèi)核操作系統(tǒng)，我們可以最終獲得在效率，功能性和安全性三方面取得均衡的虛擬機(jī)環(huán)境。

　　本架構(gòu)(圖2)設(shè)計中，我們將主要針對特定的平臺架構(gòu)(即英特爾x86架構(gòu))，以L4微內(nèi)核系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，利用硬件虛擬化技術(shù)的支持以構(gòu)建高效、安全的虛擬機(jī)。

圖2 基于微內(nèi)核架構(gòu)的虛擬機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　不同于一般的虛擬機(jī)，我們將系統(tǒng)劃分為兩個部分：一個必要的擁有特權(quán)指令權(quán)限的內(nèi)核態(tài)虛擬機(jī)描述部分以運(yùn)行指令和請求資源，和一個用戶態(tài)的虛擬機(jī)資源控制單元以處理各類事件并實(shí)現(xiàn)管理。

　　內(nèi)核態(tài)虛擬機(jī)的抽象將主要要通過兩方面完成：一，以L4任務(wù)機(jī)制為基礎(chǔ)，利用其地址空間的控制功能以提供必要的隔離性。二，對線程機(jī)制進(jìn)行增強(qiáng)，形成特殊的虛擬CPU線程，用以模擬每個處理器。

　　除此之外，構(gòu)建虛擬機(jī)還需要完善內(nèi)存頁表的訪問，中斷的處理以及文件系統(tǒng)。這些則需要通過內(nèi)核態(tài)的虛擬機(jī)描述部分與用戶態(tài)的虛擬機(jī)管理器協(xié)同完成。同時還需要利用用戶態(tài)虛擬機(jī)管理器建立一系列的管理和調(diào)試接口。

　　基于微內(nèi)核的虛擬機(jī)環(huán)境具有高可靠性，高靈活性以及實(shí)時性支持等特點(diǎn)，而隨著虛擬化技術(shù)的不斷發(fā)展，以及新體系架構(gòu)的引入，嵌入式系統(tǒng)虛擬化的性能障礙也正被逐漸克服，使之可以在嵌入式系統(tǒng)中有著以下廣泛的應(yīng)用前景：

　　·隨著智能手機(jī)，移動互聯(lián)網(wǎng)終端(MID)等一系列概念的推出與發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)正逐漸超越個人計算機(jī)成為主流的個人信息交互終端，隨之而來的則是對嵌入式系統(tǒng)的信息安全性能所提出的挑戰(zhàn)。通過虛擬化，我們可以支持多個相互隔離的操作系統(tǒng)在嵌入式平臺上的同時運(yùn)行，把如電子商務(wù)等安全性要求較高的應(yīng)用封裝在一個高度隔離的客戶操作系統(tǒng)當(dāng)中，并開放另一個操作系統(tǒng)做為普通應(yīng)用程序的運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)高度安全可靠的運(yùn)行模式。

　　·通過使用基于微內(nèi)核架構(gòu)的虛擬機(jī)，我們可以把嵌入式系統(tǒng)的硬件資源轉(zhuǎn)化為各個不同的實(shí)時系統(tǒng)服務(wù)向上以虛擬設(shè)備的方式提供給虛擬機(jī)上運(yùn)行的客戶操作系統(tǒng)。借由這種方式，可以同時支持豐富的非實(shí)時和實(shí)時應(yīng)用程序的同時運(yùn)行并為非實(shí)時的應(yīng)用程序與實(shí)時的系統(tǒng)功能之間提供一個良好而透明的交互接口。

圖3 基于虛擬化的信息安全模型

　　·通過使用虛擬機(jī)，我們可以在嵌入式平臺上得到一個兼容性較高的軟件運(yùn)行環(huán)境，最大程度地使嵌入式系統(tǒng)在硬件上的特異性通過軟件虛擬的方式變得透明化，進(jìn)一步使不同的嵌入式系統(tǒng)平臺之間以及嵌入式平臺和個人計算機(jī)之間能夠?qū)崿F(xiàn)軟件運(yùn)行的兼容。并且通過虛擬化，我們還能實(shí)現(xiàn)諸如不同平臺之間的程序遷移，分布式運(yùn)行，故障恢復(fù)等復(fù)雜的功能。

　　·通過引入網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和遠(yuǎn)程訪問機(jī)制，把各種遠(yuǎn)程的計算資源和設(shè)備資源借助虛擬化、本地化，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)對于遠(yuǎn)程資源的透明訪問，大幅擴(kuò)展嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)功能，使未來的嵌入式系統(tǒng)做為信息終端更加適應(yīng)云到端——數(shù)據(jù)中心到信息終端的發(fā)展模式。

　　結(jié)語

　　本文總結(jié)了虛擬化技術(shù)近期的發(fā)展和所取得的成果，分析了當(dāng)前主流的虛擬機(jī)架構(gòu)。筆者認(rèn)為基于主機(jī)系統(tǒng)和虛擬機(jī)監(jiān)視器的全虛擬化架構(gòu)過于依賴宿主系統(tǒng)的系統(tǒng)服務(wù)，導(dǎo)致基礎(chǔ)代碼的大量增加，大大降低了系統(tǒng)的可靠性，并且很大程度上受限于主機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)。另一方面，基于虛擬管理層的半虛擬化架構(gòu)則缺乏穩(wěn)健的系統(tǒng)構(gòu)成，僅對虛擬機(jī)提供了大粒度的抽象，無法構(gòu)建短小而精悍的系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，我們提出一種新的虛擬機(jī)環(huán)境，將兩者的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)的結(jié)合起來，整個虛擬機(jī)環(huán)境將被分成兩部分：為環(huán)境提供可靠性，安全性以及隔離度的虛擬機(jī)抽象;和提供資源管理和功能實(shí)現(xiàn)的用戶態(tài)虛擬機(jī)管理程序。而這樣的架構(gòu)不僅具有高可靠性和靈活性，而且由于其占用資源少并能提供實(shí)時性支持等特點(diǎn)在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。