谈虚拟环境中设备访问的实现方法(中)

谈虚拟环境中设备访问的实现方法（中）

康华 ：主要从事 Linux 操作系统内核、虚拟机、Linux 技术标准、计算机安全、软件测试等领域的研究与开发工作，曾就职 MII-HP 软件实验室 、瞬联软件公司/MOTOROLA，现就职于Lenovo研究院 。其所合写的Linux专栏见http://www.csdn.net/subject/linux/。 如果需要可以联系通过 kanghua151@msn.com （MSN）联系我. 

摘要：  上期我们对虚拟机中各种设备访问方式进行介绍与分析归纳。在继续具体介绍虚拟机种光驱刻录实现之前，先占用一些篇幅介绍一下设备虚拟化中的一个关键问题：I/O截获。

什么是I/O截获？

VMM截获I/O操作是指：guest 系统发送的I/O访问请求被VMM拦截，而不是像native环境下那样被直接写入到物理设备中。原因是显而易见的，因为不能让guest系统直接修改硬件状态，否则有可能会造成系统故障（轻则影响其他guest运行，重则会让整个系统宕机）。所以VMM会将截获的I/O指令进行分析后模拟执行，也就是将“伪造”的数据返回给Guest系统。

       目前所有虚拟机软件的I/O虚拟化原理都如上所说，过程大同小异。不过具体的截获方式又有所差别。这里就几种典型的I/O截获方式进行介绍和分析。

 

1．ISA层的虚拟化技术中的I/O截获方法

      ISA层的虚拟化技术是指采用软件模拟指令集的方式进行指令虚拟。具体的实现方式是截获客户操作系统发出的指令，并把它们“翻译”成Host平台上的可用指令进行执行，其中所说的指令既包括处理器内部指令，也包含IO指令。因此I/O的截获和其他处理器指令截获方式一样，都是在虚拟机模拟CPU取指令过程中被发现并被进而模拟处理的。这种虚拟机的代表是Bochs和QEMU，都是运行在用户空间的进程虚拟机。

 

2 .  硬件抽象层的虚拟化技术的I/O截获方法

硬件抽象层的虚拟化技术是指在guest 和 host系统ISA相同的情况下，尽可能避免翻译和模拟guest指令，而是让其直接运行；仅仅在guest系统执行特权指令（修改系统资源或执行结果受资源状态决定）时，虚拟机才会截获并接管处理，以免系统发生异常或冲突。

虚拟机为了能截获特权指令，要求执行于高特权级别，属于内核程序。这样每由用户态运行的guest系统产生trap时，就能被VMM捕获到。而I/O指令（x86中 in/out等）属于典型的特权指令，在用户空间使用将产生trap。

如果出现特权指令在特权级不够的情况下执行，并不能方便地产生trap的情况。对这一问题的解决方案有３种：一种是指令扫描结合动态指令修改的软件技术，有许多商业的虚拟化产品采用了这种方案。此种虚拟化技术的代表产品是VMware；另一种是对guest 系统进行修改，使得修改资源时能产生必要的trap，以便能被VMM截获。代表软件是xen(其中的modify方式)。最后一种方案是修改x86 CPU，使它支持虚拟化（即让所有敏感特权指令都能产生trap），也就是Intel的Vanderpool技术和AMD的Pacifica技术的目标，具体代表是KVM　和Xen (unmodify方式)。　

I/O截获后如何模拟？

       I/O请求或读或写在被VMM截获后都需要模拟执行。模拟即可以在VMM内部完成，也可以在host中完成。VMM内部完成的好处是速度快，缺点是需要在VMM中实现模拟设备，工作量大；且使得VMM变的臃肿，降低了VMM的可靠性。在host中完成虽然需要将I/O请求从VMM转发到host中的设备模拟进程，增加了上下文切换和调度时间。但是优点更突出：1 可以利用已存在的设备模拟代码（如qemu）；2于宿主性设备模拟可以借助host系统的设备驱动。3 保持了VMM尽量精简。鉴于以上原因多数虚拟化软件都采用将设备模拟纺在host中进行。

最后，为了让大家能更清楚认识I/O虚拟化过程。我举Xen中完成I/O虚拟化的过程进行说明：

首先guest 系统执行I/O请求命令（如out xxx）; 由于guest处于用户空间，I/O访问会引发trap，这时处于特权级运行的VMM会将捕获该trap,　然后VMM可能在自己内部模拟执行该I/O请求（如对中断控制器的请求或简单的pit模拟等都实现在VMM内部），或者将I/O请求向上发送给处于Domain0中运行的Qemu进程模拟I/O操作（具体是通过event channel发送模拟中断通知domain0中的qemu）。Qemu进程当监听到上发的I/O请求后，会调对应端口注册的处理函数进行I/O模拟处理，并将模拟结果送回VMM，从而返回给guest系统。