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嵌入式虛擬機(jī)管理器Xvisor對(duì)比分析

時(shí)間：2023-07-14 03:39:01 | 來源：網(wǎng)站運(yùn)營

時(shí)間：2023-07-14 03:39:01 來源：網(wǎng)站運(yùn)營

嵌入式虛擬機(jī)管理器Xvisor對(duì)比分析：虛擬化（Virtualization）這種起源于上世紀(jì)60年代IBM大型機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)在處理器性能大幅度提升的當(dāng)下，再次迅速發(fā)展起來，并從最初的的裸機(jī)虛擬化（Type-I虛擬化）技術(shù)開始，演化出主機(jī)虛擬化（Type-II虛擬化）、混合虛擬化（Hybrid虛擬化）等更復(fù)雜的虛擬化模型，并在此基礎(chǔ)山發(fā)展出了當(dāng)下最熱門的云計(jì)算技術(shù)，極大地降低了IT成本，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性，可靠性和擴(kuò)展性。

嵌入式系統(tǒng)則是虛擬化技術(shù)在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用。文中的Xvisor正是一款開源的采用裸機(jī)虛擬化技術(shù)的輕量級(jí)嵌入式Hypervisor，具有良好的代碼架構(gòu)和和可移植性，支持ARM和X86處理器的半虛擬化和基于硬件的全虛擬化技術(shù)。

文中圍繞嵌入式Hypervisor的5個(gè)核心部分 - 客戶機(jī)IO事件模擬、主機(jī)中斷、 鎖同步延遲、內(nèi)存管理和內(nèi)存占用，基于當(dāng)下最流行的ARM處理器架構(gòu)，進(jìn)行了深入的闡述和對(duì)比。

本文翻譯自Embedded Hypervisor Xvisor: A Comparative Analysis。譯者在翻譯時(shí)盡量逐詞翻譯，但是某些語句為了更清楚的表述根據(jù)譯者的理解進(jìn)行了轉(zhuǎn)述。若有不妥，請(qǐng)參考原文。



















摘要

由于與減少費(fèi)用、提高資源利用率和更高的性能直接相關(guān)，虛擬化技術(shù)已經(jīng)在嵌入式系統(tǒng)中廣泛流行。為了在嵌入式系統(tǒng)的嚴(yán)格時(shí)間約束和低內(nèi)存占用的虛擬化環(huán)境中獲得高效的性能，我們需要高效的Hypervisor（虛擬機(jī)管理器）。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有了一些開源的Hypervisor，例如Xen，Linux KVM和OKL4 Microvisor，這仍然是第一篇介紹開源嵌入式虛擬機(jī)管理器Xvisor(eXtensible Versatile hypervisor)，并從對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的影響上，與兩個(gè)常用虛擬機(jī)管理器KVM和Xen進(jìn)行對(duì)比的論文。實(shí)驗(yàn)證明，在ARM處理器架構(gòu)上，Xvisor具有更低的CPU開銷，更高的內(nèi)存帶寬，更低的鎖同步延遲和虛擬定時(shí)器中斷開銷，并且能夠全面提升嵌入式系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng); 虛擬化; Xen, Linux KVM; Xvisor；ARM；Hypervisor（虛擬機(jī)管理器）；

1. 介紹

近年來，多核嵌入式系統(tǒng)需求的增長已經(jīng)開始引領(lǐng)虛擬化技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的研究。嵌入式系統(tǒng)通常具有資源有限，實(shí)時(shí)性約束，高性能要求，增長的應(yīng)用程序棧需求（必須使用有限外設(shè)）等特點(diǎn)[參考文獻(xiàn)1]。

虛擬化技術(shù)提供了在單核或多核處理器上以虛擬機(jī)（VM或客戶機(jī)）方式運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)的方法。每個(gè)客戶機(jī)運(yùn)行在一個(gè)或多個(gè)虛擬處理單元（vCPU）上。進(jìn)而，一個(gè)客戶機(jī)的所有vCPU（虛擬CPU）同另外一個(gè)客戶機(jī)的vCPU完全隔離，但是共享同一套外設(shè)。

因此，虛擬化的應(yīng)用提供了如下優(yōu)勢(shì)[參考文獻(xiàn)2]：

  1. 過去運(yùn)行在不同設(shè)備上的服務(wù)現(xiàn)在可以作為多個(gè)VM運(yùn)行在同一個(gè)設(shè)備上；
  2. 在同一個(gè)設(shè)備上合并操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)特性和通用目的特性，即在不同的VM中執(zhí)行實(shí)時(shí)程序和通用程序[參考文獻(xiàn)3]；
  3. 更好的容錯(cuò)性；
  4. 提供高可靠應(yīng)用間的隔離性。
同樣的，嵌入式虛擬化已經(jīng)有在如下方面有力的證明了它的能力：

  1. 摩托羅拉Evoke，第一個(gè)虛擬化手機(jī)[參考文獻(xiàn)4]；
  2. 工業(yè)自動(dòng)化，虛擬化允許添加額外的應(yīng)用而不需要增加更多的處理單元[參考文獻(xiàn)5]；
  3. 汽車可以通過在若干個(gè)互相隔離的VM（虛擬機(jī)）上分別運(yùn)行娛樂信息操作系統(tǒng)、AUTOSAR（汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)）操作系統(tǒng)和RTOS（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)），從而使得多個(gè)服務(wù)可以在同一套硬件上運(yùn)行[參考文獻(xiàn)6]；
  4. 其他用戶案例，例如零售和博彩行業(yè)。
基于下面的考慮，文中的分析性研究將新的嵌入式Hypervisor - Xvisor與2個(gè)現(xiàn)存的嵌入式開源Hypervisor - KVM/Xen進(jìn)行對(duì)比：

  1. 本次研究基于ARM架構(gòu)。這是由于最新的ARM處理器架構(gòu)已經(jīng)提供了硬件虛擬化擴(kuò)展，并且ARM處理器在嵌入式系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。另外，這3個(gè)Hypervisor共有的的大部分板級(jí)支持包（BSP）都使用了ARM架構(gòu)處理器。
  2. KVM和Xen被選中作為對(duì)比的虛擬機(jī)管理器，是基于如下原因：



  1. 實(shí)驗(yàn)使用小型基準(zhǔn)測(cè)試工具在客戶機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。這些測(cè)試工具測(cè)試內(nèi)存訪問，Cache（高速緩存）訪問，整形操作，任務(wù)處理等。這些操作上的性能增強(qiáng)能夠提升系統(tǒng)的整體性能，不像是那些專注于測(cè)試某種特殊工作負(fù)荷（例如Web服務(wù)器，內(nèi)核編譯，圖形渲染等）的宏基準(zhǔn)測(cè)試工具。
  2. 實(shí)驗(yàn)僅使用通用目的操作系統(tǒng)（GPOS）Linux作為客戶機(jī)。因?yàn)椋@是唯一可被這3種Hypervisor支持的客戶機(jī)操作系統(tǒng)。目前沒有一個(gè)通用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以同時(shí)為這3種ypervisor所支持。因此時(shí)間約束測(cè)試將通過如下因素的吞吐量測(cè)試來實(shí)施：



Xen，KVM和Xvisor實(shí)現(xiàn)的說明和限制的討論如下所示：

2. 虛擬化技術(shù)分類

基于如下兩個(gè)特征[參考文獻(xiàn)11]，我們把虛擬化技術(shù)劃分為5類：







相應(yīng)的，虛擬化技術(shù)分類在通過客戶機(jī)獲取的性能測(cè)量中扮演著重要角色。

2.1 Hypervisor設(shè)計(jì)

Hypervisor的角色是硬件和虛擬機(jī)之間的接口。這些Hypervisor的實(shí)現(xiàn)風(fēng)格決定了他們作為虛擬化管理器的操作效率。給予他們的實(shí)現(xiàn)，所有Hypervisor都屬于下面3種設(shè)計(jì)分類之一：

  1. 完全宏內(nèi)核設(shè)計(jì)
    完全宏內(nèi)核Hypervisor使用一個(gè)單一的軟件層來負(fù)責(zé)主機(jī)硬件訪問，CPU虛擬化和客戶機(jī)IO模擬。例如Xvisor和VMware ESXi Server[參考文獻(xiàn)12]。
  2. 部分宏內(nèi)核設(shè)計(jì)
    部分宏內(nèi)核Hypervisor通常是一個(gè)通用目的宏內(nèi)核操作系統(tǒng)（例如Linux，F(xiàn)reeBSD，NETBSD，Windows等）的擴(kuò)展。他們?cè)诓僮飨到y(tǒng)內(nèi)核支持主機(jī)硬件訪問和CPU虛擬化，并通過用戶空間軟件支持客戶機(jī)IO模擬。例如Linux KVM和VMware Workstation[參考文獻(xiàn)13]。
  3. 微內(nèi)核設(shè)計(jì)
    微內(nèi)核Hypervisor通常是在Hypervisor內(nèi)核種提供基本的主機(jī)硬件訪問和CPU虛擬化功能的輕量級(jí)微內(nèi)核。它們依賴于一個(gè)管理VM來支持整個(gè)主機(jī)的硬件訪問，客戶機(jī)IO模擬和其他服務(wù)。這些微內(nèi)核Hypervisor中的一些在一個(gè)分離的驅(qū)動(dòng)VM上運(yùn)行每一個(gè)主機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序而不是在通用管理VM上運(yùn)行。例如Xen，微軟Hyper-V[參考文獻(xiàn)14]，OKL4 Microvisor[參考文獻(xiàn)15]和INTEGRITY Multivisor[參考文獻(xiàn)16]。

2.2 虛擬化模式

虛擬化模式?jīng)Q定了能夠在Hypervisor上運(yùn)行的客戶機(jī)的類型[參考文獻(xiàn)17，18]：

  1. 全虛擬化
    通過提供系統(tǒng)虛擬機(jī)（例如模擬類似于真實(shí)硬件的整個(gè)系統(tǒng)），允許未經(jīng)修改的客戶機(jī)操作系統(tǒng)作為客戶機(jī)運(yùn)行。（譯者注：該模式需要借助硬件的虛擬化支持，例如X86架構(gòu)AMD-V/Intel VT，ARMv8和Power架構(gòu)的虛擬化profile等。）
  2. 半虛擬化
    通過提供Hypercall（虛擬機(jī)調(diào)用接口），允許修改過的的客戶機(jī)操作系統(tǒng)作為客戶機(jī)運(yùn)行。這個(gè)模式要求客戶機(jī)使用Hypercall來進(jìn)行各種IO操作（例如，網(wǎng)絡(luò)收發(fā)，塊讀寫，終端讀寫等等）和在某些時(shí)候執(zhí)行某些關(guān)鍵指令。這些Hypercall會(huì)觸發(fā)一個(gè)trap（陷阱）中斷以進(jìn)入Hypervisor。這些trap中斷基于Hypercall參數(shù)，使得Hypervisor為客戶機(jī)提供期待的服務(wù)。

3. 嵌入式系統(tǒng)的開源Hypervisor

下面是兩個(gè)開源虛擬機(jī)管理器Xen和KVM的一個(gè)簡(jiǎn)單介紹，用于在Hypervisor研究中跟Xvisor進(jìn)行對(duì)照。

由于我們研究中對(duì)性能比較的關(guān)系，我們講述了這些Hypervisor中已知的招致客戶機(jī)運(yùn)行并由此影響整個(gè)虛擬化嵌入式系統(tǒng)性能的系統(tǒng)組件的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。這包括每個(gè)Hypervisor如何處理CPU虛擬化，客戶機(jī)IO模擬和主機(jī)硬件訪問。另外，每個(gè)Hypervisor的某些主要優(yōu)勢(shì)也會(huì)被提及。

2.1 XEN

如圖2所示，Xen Hypervisor是一個(gè)支持全虛擬化和半虛擬化客戶機(jī)的微內(nèi)核Hypervisor。Xen Hypervisor內(nèi)核是一個(gè)輕量級(jí)微內(nèi)核，提供：

Domain（域）是Xen內(nèi)核相應(yīng)于虛擬機(jī)或客戶機(jī)的概念。

Domain0（Dom0）是一個(gè)特殊類型的域，運(yùn)行著一個(gè)Linux內(nèi)核的修改版本。Dommain0必須運(yùn)行在一個(gè)比任何其他VM或客戶機(jī)更高的優(yōu)先級(jí)上，并且具有對(duì)主機(jī)硬件的完全訪問權(quán)限。Dom0的主要目的是利用Linux內(nèi)核提供IO虛擬化和客戶機(jī)管理服務(wù)。

DomainU（DomU）相應(yīng)于運(yùn)行著一個(gè)客戶機(jī)操作系統(tǒng)的客戶虛擬機(jī)?？蛻魴C(jī)的IO事件模擬和半虛擬化通過DomU和Dom0之間的通訊來實(shí)現(xiàn)。這一目的通過使用Xen事件通道來完成。半虛擬化客戶機(jī)，相應(yīng)于DomU PVM，使用Xen事件通道來訪問Dom0半虛擬化IO服務(wù)?？墒?，全虛擬化客戶機(jī)，相應(yīng)于DomU HVM，使用運(yùn)行在Dom0用戶空間中的QEMU來模擬客戶機(jī)IO事件。

所有用來管理客戶機(jī)或域的用戶接口都通過運(yùn)行在Dom0用戶控件的Xen工具棧來完成。沒有Dom0，Xen不能提供DomU PVM或者DomU HVM。



Xen最重要的優(yōu)勢(shì)是使用Linux內(nèi)核作為Dom0，因?yàn)檫@能幫助Xen重用Linux內(nèi)核現(xiàn)有的設(shè)備驅(qū)動(dòng)和其他部分?？墒?，這個(gè)優(yōu)勢(shì)帶來了后面章節(jié)將會(huì)提到的額外代價(jià)。也就是說，作為Dom0運(yùn)行的Linux內(nèi)核比直接運(yùn)行在真實(shí)硬件上（沒有Xen）稍微慢了一點(diǎn)。這是因?yàn)?，Dom0只是Xen的另一個(gè)域，有它自己的嵌套頁表，并且可能被Xen調(diào)度器調(diào)度出去。

2.2 KVM

KVM(基于內(nèi)核的虛擬機(jī))是一個(gè)支持全虛擬化和半虛擬化技術(shù)的部分宏內(nèi)核Hypervisor。KVM主要提供全虛擬化客戶機(jī)，并以可選的VirtIO設(shè)備[參考文獻(xiàn)20]的形式提供半虛擬化支持。



KVM擴(kuò)展Linux內(nèi)核的執(zhí)行模式以允許Linux作為一個(gè)Hypervisor來工作。除了已有的2種執(zhí)行模式（內(nèi)核模式和用戶模式），客戶機(jī)模式被作為一種新的模式添加到Linux內(nèi)核中。這種方式允許客戶機(jī)操作系統(tǒng)與主機(jī)操作系統(tǒng)運(yùn)行在相同的執(zhí)行模式下（除了某些特殊指令和寄存器訪問），并且IO訪問將陷入到主機(jī)Linux內(nèi)核。主機(jī)Linux內(nèi)核將把一個(gè)虛擬機(jī)視作一個(gè)QEMU進(jìn)程。KVM只能在主機(jī)內(nèi)核上虛擬化CPU，并且依賴于運(yùn)行在用戶控件的QEMU來處理客戶機(jī)IO事件的模擬和半虛擬化。

如圖2所示，KVM包含2個(gè)主要組件：

  1. 內(nèi)核空間字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)，通過一個(gè)字符設(shè)備文件/dev/kvm提供CPU虛擬化服務(wù)和內(nèi)存虛擬化服務(wù)；
  2. 提供客戶機(jī)硬件模擬的用戶空間模擬器（通常是QEMU）。
與這兩個(gè)組件之間的服務(wù)請(qǐng)求通訊，例如虛擬機(jī)和vCPU的創(chuàng)建，通常通過/dev/kvm設(shè)備文件的IOCTRL操作來處理。

KVM最重要的優(yōu)勢(shì)（類似于Xen）是使用Linux內(nèi)核作為主機(jī)內(nèi)核。這樣有助于KVM重用Linux內(nèi)核現(xiàn)有的設(shè)備驅(qū)動(dòng)和其他部分。然而，由于KVM依賴于嵌套頁表故障機(jī)制的客戶機(jī)模式到主機(jī)模式的虛擬機(jī)切換，特殊指令陷阱（Trap），主機(jī)中斷，客戶機(jī)IO事件，和另一個(gè)從主機(jī)模式喚醒客戶機(jī)執(zhí)行的虛擬機(jī)切換，這個(gè)優(yōu)勢(shì)也導(dǎo)致了KVM整體性能本質(zhì)上的降低。

2.3 Xvisor

圖4中的Xvisor是一個(gè)支持全虛擬化和半虛擬化技術(shù)的完全宏內(nèi)核Hypervisor。它的目的是提供一個(gè)僅需少量系統(tǒng)開銷和很小內(nèi)存占用的在嵌入式系統(tǒng)中使用的輕量級(jí)Hypervisor。Xvisor主要提供全虛擬化客戶機(jī)，并以VirtIO設(shè)備[參考文獻(xiàn)20]的形式提供半虛擬化支持。





Xvisor的所有核心組件，例如CPU虛擬化，客戶機(jī)IO模擬，后端線程，半虛擬化服務(wù)，管理服務(wù)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)，都作為一個(gè)獨(dú)立的軟件層運(yùn)行，不需要任何必備的工具或者二進(jìn)制文件。

客戶機(jī)操作系統(tǒng)運(yùn)行在Xvisor上，具有更少的特權(quán)；而Xvisor的實(shí)現(xiàn)負(fù)責(zé)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)vCPU。此外，所有設(shè)備驅(qū)動(dòng)和管理功能的后端處理運(yùn)行在不具有最高優(yōu)先級(jí)的孤兒vCPU（沒有分配給某個(gè)客戶機(jī)的vCPU）上?？蛻魴C(jī)配置信息以設(shè)備樹(Device Tree)[參考文獻(xiàn)21]的形式維護(hù)。這種方式通過使用設(shè)備樹腳本（DTS），使得客戶機(jī)硬件信息的維護(hù)更加容易。換句話說，為嵌入式系統(tǒng)定制一個(gè)虛擬機(jī)時(shí)不需要修改代碼。

Xvisor最重要的優(yōu)勢(shì)是運(yùn)行在提供所有虛擬化相關(guān)服務(wù)的最高特權(quán)等級(jí)上的單一軟件層。不像KVM，Xvisor的上下文切換非常輕量級(jí)（參見第5章），因此嵌套頁表、特殊指令陷阱、主機(jī)中斷和客戶機(jī)IO事件等的處理也非?？焖?。進(jìn)而，所有設(shè)備驅(qū)動(dòng)都作為Xvisor的一部分直接運(yùn)行，具有完全的特權(quán)并且沒有嵌套頁表，以確保不會(huì)出現(xiàn)性能退化。另外，Xvisor的vCPU調(diào)度器是基于單CPU的，不處理多核系統(tǒng)的負(fù)載均衡。在Xvisor中，多核系統(tǒng)的負(fù)載均衡器是一個(gè)分離的部分，獨(dú)立于vCPU調(diào)度器（不像KVM和XEN）。在Xvisor中，vCPU調(diào)度器和負(fù)載均衡器都是可擴(kuò)展的。

Xvisor唯一的限制是缺少Linux那樣豐富的單板和設(shè)備驅(qū)動(dòng)。為了處理這個(gè)限制，Xvisor提供了Linux兼容層頭文件以方便從Linux內(nèi)核移植設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架和設(shè)備驅(qū)動(dòng)。盡管不能完全解決問題，移植成本也可以大幅度減少。

4. 客戶機(jī)IO事件模擬

嵌入式系統(tǒng)需要作為虛擬機(jī)（VM）或客戶機(jī)運(yùn)行傳統(tǒng)軟件。傳統(tǒng)嵌入式軟件可能期待需要Hypervisor模擬的特殊硬件。這就是為什么Hypervisor必須盡可能減小客戶機(jī)IO事件模擬的開銷。后面的小章節(jié)解釋了前面提及的Hypervisor在ARM處理器架構(gòu)上模擬的客戶機(jī)IO事件的生命周期。注意，這非常重要。因?yàn)樵谶@些Hypervisor中，客戶機(jī)IO事件流在所有處理器架構(gòu)包括ARM上都是相同的。

4.1 Xen ARM

圖5展示了Xen ARM用于DomU HVM（全虛擬化客戶機(jī)）的客戶機(jī)IO事件模擬的生命周期。從標(biāo)志1開始，一個(gè)客戶機(jī)IO事件被觸發(fā)，然后使用標(biāo)志2和標(biāo)志3所示的Xen事件通道轉(zhuǎn)發(fā)到Dom0內(nèi)核。隨后，運(yùn)行在Dom0用戶空間的QEMU在標(biāo)志4模擬客戶機(jī)IO事件。最后在標(biāo)志5，控制返回到DomU。

圖中所示流程導(dǎo)致了一定數(shù)目的開銷。首先，盡管已經(jīng)進(jìn)行過優(yōu)化，基于域間通信的Xen事件通道還是具有非零開銷。其次，Dom0內(nèi)核到用戶空間和相反方向的上下文切換增加了客戶機(jī)IO事件模擬的開銷。





4.2 KVM ARM

圖6展示了客戶機(jī)IO事件模擬在KVM ARM上的處理流程。圖中場(chǎng)景開始在標(biāo)志1，即一個(gè)客戶機(jī)IO事件被觸發(fā)的時(shí)刻?？蛻魴C(jī)IO事件引起一個(gè)VM-Exit事件，引起KVM從客戶機(jī)模式切換到主機(jī)模式。然后，如標(biāo)志2和3所示，客戶機(jī)IO事件被運(yùn)行在用戶空間的QEMU處理。最后，在標(biāo)志4處，VM-enter發(fā)生，引起KVM從主機(jī)模式切換到客戶機(jī)模式。

處理開銷主要由VM-exit和Vm-ente上下文切換引起，而這正是KVM眾所周知的嚴(yán)重開銷。





4.3 Xvisor ARM

不像其他Hypervisor，Xvisor ARM在客戶機(jī)IO事件模擬上不會(huì)引發(fā)額外的調(diào)度或者上下文切換的開銷。如圖7所示，流程開始在標(biāo)志1，一個(gè)客戶機(jī)IO事件被Xvisor ARM捕獲時(shí)。隨后，事件在標(biāo)志2處的不可睡眠的通用上下文中被處理以確保時(shí)間被處理，并具有預(yù)期的開銷。





5. 主機(jī)中斷

嵌入式系統(tǒng)在處理主機(jī)中斷時(shí)，必須遵守嚴(yán)格的時(shí)間約束。在虛擬化環(huán)境中，Hypervisor在處理主機(jī)中斷時(shí)可能會(huì)有額外的開銷，轉(zhuǎn)而影響主機(jī)IO性能。請(qǐng)重點(diǎn)注意，文中所述的Hypervisor的主機(jī)中斷處理流程對(duì)所有處理器架構(gòu)包括ARM都是相同的。

5.1 Xen ARM

在Xen中，主機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)作為Dom0 Linux內(nèi)核的一部分運(yùn)行。因此所有主機(jī)中斷都被轉(zhuǎn)發(fā)到Dom0。如圖8所示，流程開始在標(biāo)志1，一個(gè)主機(jī)IRQ（中斷請(qǐng)求）被觸發(fā)，然后在標(biāo)志2處被轉(zhuǎn)發(fā)到Dom0。如圖中標(biāo)志3和4所示，所有主機(jī)中斷由Dom0處理。如果一個(gè)主機(jī)中斷在DomU運(yùn)行時(shí)被觸發(fā)，那么它將在Dom0被調(diào)度進(jìn)來后才能得到處理，因此主機(jī)中斷處理引發(fā)了調(diào)度開銷。





5.2 KVM ARM

圖9所示為KVM ARM上客戶機(jī)正在運(yùn)行時(shí)的主機(jī)中斷處理流程[參考文獻(xiàn)22]。如圖中標(biāo)志1所示，每個(gè)主機(jī)中斷觸發(fā)一個(gè)VM-exit。一旦中斷如圖中標(biāo)志2和3所示，被主機(jī)內(nèi)核處理，KVM通過標(biāo)志4處的VM-entry恢復(fù)客戶機(jī)。當(dāng)某個(gè)KVM客戶機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，VM-exit和VM-entry增加了相當(dāng)大的主機(jī)中斷處理開銷。進(jìn)而，如果主機(jī)中斷被轉(zhuǎn)發(fā)到KVM客戶機(jī)，那么調(diào)度開銷也會(huì)存在。





5.3 Xvisor ARM

Xvisor的主機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)通常作為Xvisor的一部分以最高權(quán)限運(yùn)行。因此，圖10中，處理主機(jī)中斷時(shí)是不需要引發(fā)調(diào)度和上下文切換開銷的。只有當(dāng)主機(jī)中斷被轉(zhuǎn)發(fā)到一個(gè)當(dāng)前沒有運(yùn)行的客戶機(jī)時(shí)，才會(huì)引發(fā)調(diào)度開銷。





6. 鎖同步延遲

在虛擬化環(huán)境中，鎖同步延遲問題是[參考文獻(xiàn)23]中提到的一個(gè)眾所周知的問題。這個(gè)問題因如下2個(gè)調(diào)度器的存在而產(chǎn)生：

這里，兩個(gè)調(diào)度器互相意識(shí)不到對(duì)方，導(dǎo)致客戶機(jī)vCPU被Hypervisor隨意搶占。我們給出了一個(gè)關(guān)于這種延遲和所有3個(gè)Hypervisor如何處理它們的一個(gè)簡(jiǎn)要介紹。

同一個(gè)客戶機(jī)中vCPU之間鎖同步的低效處理導(dǎo)致了圖11和12中顯示的兩個(gè)不確定場(chǎng)景：vCPU搶占和vCPU堆積問題。兩種問題都可能導(dǎo)致在獲取同一個(gè)客戶機(jī)的vCPU鎖時(shí)增加等待時(shí)間。

當(dāng)一個(gè)運(yùn)行在持有鎖的某主機(jī)CPU（pCPU0）上的vCPU（vCPU0）被搶占，而同時(shí)另一個(gè)運(yùn)行在其他主機(jī)CPU（pCPU1）上的vCPU（vCPU1）正在等待這個(gè)鎖，那么vCPU搶占問題就會(huì)發(fā)生。另外，發(fā)生在一個(gè)運(yùn)行著多個(gè)vCPU的單主機(jī)CPU上的鎖調(diào)度沖突問題也會(huì)導(dǎo)致vCPU堆積問題發(fā)生。也就是說，希望獲取某個(gè)鎖的vCPU（vCPU1）搶占了運(yùn)行在同一個(gè)主機(jī)CPU上的vCPU（vCPU0），但是vCPU0正在持有這個(gè)鎖。






在ARM機(jī)構(gòu)上，操作系統(tǒng)典型的使用WFE（等待事件）指令來等待請(qǐng)求一個(gè)鎖，并使用SEV（發(fā)送事件）指令來釋放一個(gè)鎖。ARM架構(gòu)允許WFE指令被Hypervisor捕獲，但是SEV指令不能被捕獲。為了解決vCPU堆積問題，所有3種Hypervisor（Xen ARM，KVM ARM和Xvisor ARM）都使用捕獲WFE指令的方法使得vCPU讓出時(shí)間片。ARM架構(gòu)的vCPU搶占問題能夠通過使用半虛擬化鎖的方式來解決，但是需要對(duì)客戶機(jī)操作系統(tǒng)進(jìn)行源碼級(jí)的修改。

7. 內(nèi)存管理

嵌入式系統(tǒng)要求有效的內(nèi)存處理。對(duì)于嵌入式Hypervisor來說，內(nèi)存管理的開銷需要慎重考慮。ARM架構(gòu)提供2級(jí)翻譯表（或者說嵌套頁表），用于客戶機(jī)內(nèi)存虛擬化,即圖13所示的2階段MMU?？蛻魴C(jī)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)編程第1階段頁表，將客戶機(jī)虛擬地址(GVA)翻譯到間接物理地址（IPA）。ARM Hypervisor負(fù)責(zé)編程第2階段頁表來從將間接物理地址（IPA）翻譯成實(shí)際物理地址（PA）。



TLB-miss（Translation Look-aside Buffers miss，即頁表緩沖缺失）時(shí)必須檢索翻譯表。這個(gè)過程中使用的第2階段頁表的級(jí)數(shù)影響內(nèi)存帶寬和虛擬化系統(tǒng)的整體性能。比如最糟糕的情況下，N級(jí)第1階段翻譯表和M級(jí)第2階段翻譯表需要NxM次內(nèi)存訪問。對(duì)任何虛擬化系統(tǒng)上的客戶機(jī)來說，TLB-miss損失都是非常昂貴的。為了減少2階段MMU中的TLB-miss損失，ARM Hypervisor在第2階段創(chuàng)建更大的頁。

7.1 Xen ARM

Xen ARM為每個(gè)客戶機(jī)或域（Dom0或DomU）創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的3級(jí)第2階段翻譯表。Xen ARM能創(chuàng)建4K字節(jié)，2M字節(jié)或1G字節(jié)的第2階段翻譯表項(xiàng)。Xen ARM也按需分配客戶機(jī)內(nèi)存，并試圖基于IPA和PA對(duì)齊構(gòu)造盡可能最大的第2階段翻譯表項(xiàng)。

7.2 KVM ARM

KVM用戶空間工具（QEMU）預(yù)先分配作為客戶機(jī)RAM使用的用戶空間內(nèi)存，并向KVM內(nèi)核模塊通知其位置。KVM內(nèi)核模塊為每個(gè)客戶機(jī)vCPU創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的3級(jí)第2階段翻譯表。典型的，KVM ARM將創(chuàng)建4K字節(jié)大小的第2階段翻譯表項(xiàng)，但是也能夠使用巨大化TLB優(yōu)化模式創(chuàng)建2M字節(jié)大小的第2階段翻譯表項(xiàng)。

7.3 Xvisor ARM

Xvisor ARM在客戶機(jī)創(chuàng)建時(shí)，預(yù)先分配連續(xù)的主機(jī)內(nèi)存以做為客戶機(jī)RAM。它為每個(gè)客戶機(jī)創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的3級(jí)第2階段翻譯表。Xvisor ARM能創(chuàng)建4K字節(jié)，2M字節(jié)或1G字節(jié)的第2階段翻譯表項(xiàng)。另外，Xvisor ARM總是基于IPA和PA對(duì)齊創(chuàng)建盡可能最大的第2階段翻譯表項(xiàng)。最后，客戶機(jī)RAM是扁平化和連續(xù)的（不像其它Hypervisor）。這有助于緩存預(yù)取訪問，從而進(jìn)一步提升客戶機(jī)內(nèi)存訪問性能。

8. 內(nèi)存占用比較

嵌入式系統(tǒng)要求小內(nèi)存占用（[參考文獻(xiàn)[24]）。下表I，II和III顯示Cubieboard2（[參考文獻(xiàn)[25]）上的安裝需求和最小內(nèi)存占用。因此后面問題答復(fù)如下：

  1. 需要滿足什么條件才能使Xen ARM，KVM ARM和Xvisor ARM運(yùn)行在系統(tǒng)上？
  2. Xen ARM，KVM ARM和Xvisor ARM需要消耗的的最小內(nèi)存是多少？




上圖中：





上圖中：

9. 基準(zhǔn)測(cè)試程序

我們實(shí)驗(yàn)中使用的基準(zhǔn)測(cè)試程序?qū)Ｗ⒂趶腃PU開銷、內(nèi)存帶寬和鎖同步機(jī)制方面比較Hypervisor。

9.1 Dhrystone

Dhrystone是一個(gè)用于測(cè)量處理器整形性能的簡(jiǎn)單基準(zhǔn)測(cè)試（[參考文獻(xiàn)[26]）。Dhrystone基準(zhǔn)測(cè)試的每秒總迭代次數(shù)被稱為每秒Dhrystones。進(jìn)而，Dhrystone結(jié)果的另外一個(gè)表示是DMIPS（每秒百萬條Dhrystone指令數(shù)），也就是每秒Dhrystones除以1757。DMIPS只不過是與VAX 11/780，，典型的1 MIPS機(jī)器（[參考文獻(xiàn)[27]）進(jìn)行比較的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。

9.2 Cachebench

Cachebench來評(píng)估計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存體系的性能。它專注于把處理器內(nèi)外的高速緩存的多個(gè)級(jí)別參數(shù)化。Cachebench進(jìn)行不同緩沖區(qū)大小的測(cè)試：內(nèi)存設(shè)置、內(nèi)存復(fù)制、整數(shù)讀取，整數(shù)寫入和整數(shù)讀取-修改-寫入。對(duì)于我們的實(shí)驗(yàn)，我們將生成以兆字節(jié)每秒為單位的內(nèi)存復(fù)制和整數(shù)讀取-修改-寫入測(cè)試的結(jié)果。

9.3 Stream

內(nèi)存帶寬已經(jīng)被認(rèn)為能夠影響系統(tǒng)性能（[參考文獻(xiàn)[29]）。STREAM是一個(gè)設(shè)計(jì)用來測(cè)量持續(xù)內(nèi)存帶寬（以兆字節(jié)每秒為單位）的簡(jiǎn)單復(fù)合基準(zhǔn)測(cè)試程序。STREAM基準(zhǔn)測(cè)試被明確的設(shè)計(jì)在任何系統(tǒng)的非常大的數(shù)據(jù)集合上工作，而不是可用的高速緩沖上。我們實(shí)驗(yàn)中使用的STREAM版本是v5.10，2000000數(shù)組大?。ù蠹s45.8M字節(jié)）

9.4 Hackbench

Hackbench通過確定調(diào)度給定數(shù)目任務(wù)花費(fèi)的時(shí)間來測(cè)量系統(tǒng)調(diào)度器性能。Hackbench的主要工作是調(diào)度線程和進(jìn)程。調(diào)度實(shí)體通過套接字或管道收發(fā)數(shù)據(jù)來通訊。運(yùn)行測(cè)試程序時(shí)能夠?qū)?shù)據(jù)大小和消息數(shù)目進(jìn)行設(shè)置。

10. 實(shí)驗(yàn)

后面的實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谠u(píng)估近期提議的嵌入式Hypervisor - Xvisor相較KVM和Xen的效率。本文試圖在Cubieboard2（[參考文獻(xiàn)[25]）上的客戶機(jī)Linux上運(yùn)行4個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試程序。Cubieboard2是一塊包含1GB RAM的ARM Cortex-A7雙核1GHz單板。試驗(yàn)中使用了如下Hypervisor版本：

  1. KVM: 最新的Linux-3.16-rc3被用作主機(jī)KVM內(nèi)核?？蛻魴C(jī)內(nèi)核是Linux-3.16-rc3。
  2. Xen：2014年8月3日發(fā)布的最新的Xen-4.5-unstable內(nèi)核被用作Hypervisor。Dom0內(nèi)核和DomU均為Linux-3.16-rc3。
  3. Xvisor：2014年7月18日發(fā)布的最新的Xvisor-0.2.4+被用作Hypervisor?？蛻魴C(jī)內(nèi)核是Linux-3.16-rc3。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過兩個(gè)測(cè)試向量獲取。第一個(gè)運(yùn)行在一個(gè)單核上，而另一個(gè)運(yùn)行在一個(gè)雙核上。測(cè)試系統(tǒng)（SUT，systems under test）如下：

  1. 沒有任何Hypervisor的主機(jī)；
  2. Xvisor客戶機(jī)；
  3. KVM客戶機(jī)；
  4. HugeTLB模式KVM客戶機(jī)；
  5. Xen客戶機(jī)。
為了確保只有CPU開銷，內(nèi)存帶寬和鎖同步延遲被引入測(cè)試結(jié)果，兩個(gè)測(cè)試向量都有一個(gè)具有2個(gè)vCPU的半虛擬化客戶機(jī)。而且，所有Hypervisor都進(jìn)行了如下優(yōu)化：

表IV和V顯示以DMIPS為單位的Dhrystone結(jié)果。Xvisor客戶機(jī)的DMIPS比KVM客戶機(jī)高大約0.2%，比HugeTLB模式KVM客戶機(jī)高0.19%，比Xen DomU高0.46%。Dhrystone基準(zhǔn)測(cè)試很小，在運(yùn)行時(shí)幾乎可以放在高速緩存中，因此內(nèi)存訪問開銷不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。盡管只有2個(gè)DMIPS的提升，這仍然提升了整個(gè)系統(tǒng)性能，因?yàn)?個(gè)DMIPS等于每秒1757次迭代。所以，使肌體上將是每秒數(shù)千次迭代（通常是幾百萬條機(jī)器指令）。












表VI, VII, VIII和IX顯示內(nèi)存復(fù)制和整數(shù)讀取-修改-寫入兩種操作的Cachebench結(jié)果。Xvisor客戶機(jī)的內(nèi)存復(fù)制結(jié)果比KVM客戶機(jī)高大約18%，比HugeTLB模式KVM客戶機(jī)高1.2%，比Xen DomU高0.67%。Xvisor客戶機(jī)的整數(shù)讀取-修改-寫入結(jié)果也比KVM客戶機(jī)高大約1.14%，比HugeTLB模式KVM客戶機(jī)高1.2%，比Xen DomU高1.64%。


























表X和XI顯示Xvisor客戶機(jī)的持續(xù)性內(nèi)存帶寬比KVM客戶機(jī)高大約0.72%，比HugeTLB模式KVM客戶機(jī)高1.57%，比Xen DomU高1.2%。














表XII和XIII中的Hackbench結(jié)果顯示示Xvisor客戶機(jī)的任務(wù)分發(fā)延遲比KVM客戶機(jī)低大約12.5%，比HugeTLB模式KVM客戶機(jī)低5.62%，比Xen DomU低6.39%。
















11. 結(jié)論

這篇論文介紹了作為開源Hypervisor - Xen和KVM性能缺點(diǎn)解決方案的新嵌入式Hypervisor - Xvisor。Xvisor的實(shí)現(xiàn)優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

而且，4種不同基礎(chǔ)準(zhǔn)測(cè)試的顯示結(jié)果支撐了Xvisor的實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示Dhrystone，Cachebench和Stream基準(zhǔn)測(cè)試在Xvisor ARM客戶機(jī)上具有更高的速率。這證明Xvisor ARM客戶機(jī)具有相對(duì)于KVM ARM客戶機(jī)和Xen ARM DomU更低的CPU開銷和更高的內(nèi)存帶寬。進(jìn)而，Hackbench在Xvisor ARM客戶機(jī)上具有更少的執(zhí)行時(shí)間。這說明Xvisor ARM客戶機(jī)具有相對(duì)于KVM ARM客戶機(jī)和Xen ARM DomU更低的鎖同步延遲和虛擬定時(shí)器中斷開銷。這些結(jié)果意味著Xvisor ARM下的客戶機(jī)相對(duì)于KVM ARM和Xen ARM更接近原生性能。最后， Xvisor ARM更小的內(nèi)存占用允許它在嵌入式系統(tǒng)上更有效的利用有限的內(nèi)存。

Xvisor允許額外的板級(jí)支持包（BSP）。更多的多核體驗(yàn)（不止是雙核）也是可能的。而且，基于上述測(cè)量數(shù)據(jù)已經(jīng)證明的性能提升，Xvisor將來在網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)虛擬化方面的實(shí)現(xiàn)也能具有更好的性能。

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