[发明专利]面向多核平台和分布式虚拟化环境的I/O系统及工作方法

说明书

技术领域

本发明涉及虚拟化技术和计算机I/O技术领域，特别是涉及面向多核平台 和分布式虚拟化环境的I/O系统及工作方法。

背景技术

虚拟化是一个广义的术语，在计算机方面通常是指计算元件在虚拟的基础 上而不是真实的基础上运行。通过虚拟化技术，把单个硬件虚拟为数量更多的 虚拟部件，从而使得更多的应用能够并行运行，以充分利用多核平台的并行计 算能力。虚拟化技术可以扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程。

计算机I/O技术在计算机技术的发展中始终是一个十分重要的关键技术。 其技术特性决定了计算机的I/O性能对计算机的整体性能有重要影响。从根 本上讲，无论现在还是将来，I/O技术都将制约着计算机技术的应用与发展， 尤其在高端计算领域。

要对I/O设备进行虚拟化，就需要监视客户虚拟机的行为，截获客户虚拟 机的I/O操作，对其加以分析解释，然后发送给设备驱动程序，由设备驱动程 序来完成对设备的操作。其中，根据是否修改Guest OS，可以把本地设备的 虚拟化分为两大类：全虚拟化中的I/O设备虚拟化和半虚拟中的I/O设备虚拟 化。

半虚拟化是剑桥大学提出的概念，与之相伴的是XEN项目的研究与开发， 它的出现，是如何改进全虚拟化带来的较大的性能损失的研究结果。图1为 Xen(一种半虚拟化的体系结构)中I/O虚拟化的体系结构图。图中最底层为 硬件资源，Xen VMM(virtual machine monitor)运行于硬件资源之上，对硬 件资源进行管理，并虚拟化出若干个虚拟硬件环境。在Xen VMM上面运行多个 Guest OS。无修改的用户应用程序运行于Guest OS的应用层。在Guest OS 的内核层运行有前端设备驱动程序，用户应用程序通过前端设备驱动程序对设 备进行操作。而前端设备驱动程序并不真正对设备进行操作，它通过后端设备 驱动程序实现对真正的设备操作。后端设备驱动程序位于VM0中。VM0是一个 特殊的Guest OS，我们也称之为有特权的Guest OS。在VM0的内核中，运行 了一个后端设备驱动程序的服务。它的职责就是接受从其它Guest OS发出的 I/O操作请求，转交给VM0中的真实设备驱动程序，由真实设备驱动程序完成 对设备的操作，并把从真实设备驱动程序返回的操作结果返回给前端设备驱动 程序。

但是，面临多核平台时，上述半虚拟化I/O架构会产生很多的缺点和问题：

1.由于引入了虚拟化层次和半虚拟化策略下的I/O处理架构，应用从发出 I/O请求到I/O请求最终被处理并返回处理结果，要经过多个层次，每个层次 都要对I/O请求进行处理，大大增加了I/O请求的中间处理层次，降低了I/O 处理的效率；

2.由于所有的物理I/O设备驱动都位于特权虚拟机Dom0中，一旦某个物 理I/O设备驱动产生问题，可能会导致整个多核平台的崩溃，使得此平台上运 行的数量众多的虚拟机和用户应用的崩溃，造成严重的后果；

3.由于所有的物理I/O设备驱动都位于特权虚拟机Dom0中，所有的I/O 请求都要交由特权虚拟机Dom0来执行，这使得特权虚拟机Dom0成为系统的 I/O性能瓶颈。多核平台的计算能力越强，能够支持的虚拟机和应用越多，这 种情况就越明显。当某个多核平台上运行的虚拟机和应用的数量超过特权虚拟 机Dom0所能支持的极限后，很多虚拟机和应用在运行过程中不得不经常暂停 运行以等待特权虚拟机Dom0对它们所发出的I/O请求进行处理并返回结果。 这样会造成多核平台计算能力的极大浪费；

4.在上述半虚拟化下的I/O架构中，对I/O访问的迁移并没有提供很好的 支持，人们需要借助集中的远程I/O资源等技术才能实现对分布式虚拟化环境 中I/O访问的迁移的支持。如果虚拟机或者应用访问的是本地物理节点上资 源，则这些虚拟机和应用无法迁移到其它物理节点上，这也限制了分布式计算 系统中动态负载平衡的实现和资源利用率的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供面向多核平台和分布式虚拟化环境的I/O系统及 工作方法，实现了多核平台和分布式虚拟化环境中的简洁高效、安全可靠、可 扩展性好的I/O访问机制，并且能够为多核平台上并行运行的众多虚拟机和用 户应用提供高效I/O访问机制，为分布式虚拟化环境中的虚拟机和用户应用的 迁移提供良好的支持。