一種虛擬機系統及其啟動方法

2023-10-08 09:49:59

專利名稱：一種虛擬機系統及其啟動方法
技術領域：
本發明屬於虛擬一支術領域，尤其涉及一種虛擬機系統及該虛擬機系統的啟 動方法。
背景技術：
虛擬化技術(Virtualization Technology, VT)是指在一套完整的計算機硬 件平臺上，通過軟體或硬體的方法，將一組硬體虛擬成多組硬體，並提供給多 個獨立運行的軟體系統(通常是作業系統，如Windows98、 Windows2000、 WindowsXP、 Linux、 Urlix、 Mac等)作為獨立運行環境。這些獨立運行的環境 (作業系統)通常被稱為虛擬機(Virtual Machines, VM)。具備VT技術的計 算機裝置可以並行的運行多個獨立的作業系統，各作業系統之間除了運行過程 中分享硬體資源(如內存、10、存儲器和VT處理器O夕卜，互相保持獨立，可 以看作是多個獨立的計算機在運行。
目前，VT技術主要有兩種， 一種是完全虛擬化(Full Virtualization)的虛 擬機技術， 一種是半虛擬化(也稱為準虛擬化，Part Virtualization)的虛擬機技 術。其中完全虛擬化的虛擬機技術是指所虛擬的硬體環境與計算機底層的真實 硬體環境完全相同，作業系統可以不經任何修改就可以直接運行在虛擬硬體上， 其有軟體和硬體兩種實現方式，軟體實現如VMWare虛擬機，硬體實現如硬體 仿真器。雖然VMWare等其他虛擬化系統實現了硬體環境的完全虛擬化，但 它們仍需要進行實時的機器代碼翻譯，從而影響計算機的性能。
準虛擬化的虛擬機技術是指所虛擬的硬體環境與計算機底層的真實硬體環 境並不完全相同，作業系統需要進行適當的修改，才能在虛擬的硬體環境中運 行。準虛擬化的虛擬機技術以Xen虛擬機技術為代表。Xen是一個開放原始碼說明書第2/9頁
虛擬才幾監^見器(Virtual Machines Modules, VMM),其工作才莫式為主枳4莫式， 即在安裝好主機作業系統(Host OS)後，再在Host OS中安裝Xen，然後在 Xen上安裝其他作業系統(統稱為Guest OS)。在主積4莫式下，Guest OS建立 在Host OS上的可訪問資源，當Host OS的資源供不應求時，或者各Guest OS 之間的協作不友好時，Host OS的資源將成為Guest OS的性能瓶頸，從而難以 保證所有的資源能夠正確地分配給有相應資源需求的進程。

發明內容
本發明實施例的目的在於提供一種虛擬機系統，旨在解決現有準虛擬化技 術由於採用主機模式導致各客戶作業系統之間協作不友好，使主機作業系統成 為客戶作業系統的性能瓶頸的問題。
本發明實施例是這樣實現的， 一種虛擬機系統，包括計算機硬體、虛擬機 監視器、主機作業系統和一個或者多個虛擬機，所述虛擬機監視器集成於所述 主機作業系統中，所述一個或者多個虛擬機運行於所述虛擬機監視器中。
本發明實施例的另一目的在於提供一種虛擬機系統的啟動方法，所述虛擬 機系統包括計算機硬體、集成有虛擬機監視器的主機才喿作系統以及運行於所述 虛擬機監視器的一個或者多個虛擬機，所述方法包括下述步驟
對主機作業系統的完整性進行度量，完成主機作業系統的引導操作；
加載集成於主機作業系統中的虛擬機監視器，並將虛擬機系統的控制權轉 換至虛擬機監視器；一
虛擬機監視器根據用戶輸入的虛擬機管理命令，執行相應的操作。
在本發明實施例中，通過將虛擬機監視器集成到主機作業系統中，即在計 算機底層的真實硬體與主機作業系統之間插入可控的虛擬機監視器，通過該虛 擬機監視器可以直接對運行於虛擬機監視器上的一個或者多個客戶作業系統進 行監控和度量，從而使各客戶作業系統通過底層硬體的支持,直接訪問硬體資 源，，直接在硬體支持下運行,擁有最佳的性能。


圖1是本發明實施例提供的虛擬機系統的結構示意圖； 圖2是本發明實施例提供的虛擬機監視器的結構示意圖； 圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8是本發明最佳實施例提供的圖形化虛 擬機監視器的各種界面示意圖9是本發明實施例提供虛擬機系統的啟動方法的實現流程圖。
具體實施例方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實 施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅 僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
在本發明實施例中，將虛擬機監視器集成到主機作業系統中，從而在計算 機底層的真實硬體與主機作業系統之間插入可控的虛擬機監視器層，通過集成 在主機作業系統中的虛擬機監視器可以直接對虛擬機監視器上運行的客戶操作 系統進行監控和度量，從而使各客戶作業系統不再需要主機作業系統的支持， 直接在硬體支持下運行，從而擁有最佳的性能。
隨著Intel VT和AMD VT技術的發展，虛擬化4支術已延伸到中央處理器 (Central Processing Unit, CPU)領域，從而以Xen虛擬機技術為代表的虛擬 機技術也多了一種工作模式，即管理程序模式。管理程序模式是指融合了 VT技 術的CPU (以後均稱為VT處理器)可以直4妻支持Xen,可控的Guest OS不經 任何修改就可以直4妄在Xen上運行，這樣，Guest OS的運行不再需要Host OS 的支持，直接在硬體支持下運行，從而擁有最佳的性能。本發明實施例提供的 虛擬機系統正是基於VT處理器設計的。
圖1示出了本發明實施例提供的虛擬機系統的邏輯結構，為了便於說明， 僅示出了與本發明實施例相關的部分。
6本發明實施例提供的虛擬機系統包括硬體10、集成有虛擬機監視器的主機
作業系統20,以及運行於虛擬機監視器上的一個或者多個虛擬機30。
其中硬體10的結構與現有的虛擬機系統的硬體系統的結構基本一致，主要 包括VT處理器101、主板(圖未示出)、內存102、輸入輸出(Input/Output, I/O)設備103、存儲設備104 (如硬碟或者光介質存儲設備等)等。
集成有虛擬機監視器的主機作業系統20是虛擬機系統的虛擬平臺，其中虛 擬機監視器在主機作業系統20中是以模塊化實現的。當用戶在硬體10上安裝 該集成有虛擬機監視器的主機作業系統20時，該虛擬機監視器以Driver的形 式作為主機作業系統20的Driver進行加載。在本發明實施例中，主機操作系 統20可以是現有技術中的任何一種作業系統(如Linux作業系統、Windows 2000 作業系統、WindowsXP作業系統、FreeBSD作業系統或者類Linux作業系統等)。 為了減少虛擬機系統中的集成有虛擬機監視器的主機作業系統20佔用的系統 資源，該主機作業系統採用Linux作業系統。其中虛擬機監視器基於硬體10進 行虛擬化處理，為運行於虛擬機監視器上的一個或者多個虛擬機30虛擬出的虛 擬機環境，該虛擬機監浮見器的技術原理和基於硬體的虛擬化技術是現有技術， 在此不再贅述。
'運行於虛擬機監視器上的一個或者多個虛擬機30主要由客戶作業系統和 運行在客戶作業系統中的應用軟體組成，如其可以由用戶根據需要在主機操作 系統20中集成的虛擬機監視器上安裝的一個或者多個客戶作業系統和在每個 客戶作業系統下運行的應用軟體組成。在一臺計算機中，可以同時並行的運行 多個虛擬機30，且各虛擬機30之間相互獨立，互不幹涉，同時為用戶提供應 用和服務。該一個或者多個虛擬機30運行在虛擬機監—見器所虛擬出的虛擬機環 境中，通過虛擬機監視器提供的虛擬硬體抽象層實現對物理硬體的訪問和調用。 為了便於虛擬機監視器對其上運行的一個或者多個虛擬機30進行監控和 度量，在本發明實施例中，集成在主機作業系統20的中的虛擬機監視器採用圖 形化界面實現。圖2示出了本發明實施例提供的虛擬機監視器的結構，為了便於說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分。
虛擬機管理命令接收單元201接收用戶發送的虛擬機管理命令。該虛擬機 管理命令包括但不限於虛擬機創建命令、虛擬機修改命令、虛擬機啟動命令、 虛擬機激活命令、虛擬機切換命令、虛擬機刪除命令等。用戶可以通過虛擬機 監視器呈現給用戶的圖形界面發送虛擬機管理命令。
硬體設備虛擬化單元202對虛擬機系統中的硬體10進行虛擬化處理，主要 包括VT處理器201的虛擬化處理、內存102的虛擬化處理、輸入輸出 (Input/Output, I/O )設備103的虛擬化處理以及存儲設備104的虛擬化處理等。
虛擬的硬體資源。如當虛擬機管理命令接收單元201接收到用戶發送的虛擬機 創建命令時，虛擬機資源配置單元203根據用戶輸入的待創建的虛擬機30的創
當虛擬機管理命令接收單元201接收到用戶發送的虛擬機修改命令時，虛擬機 資源配置單元203根據用戶輸入的待修改的虛擬機30的修改參數，為待修改的 虛擬機30重新分配硬體設備虛擬化單元202虛擬的硬體資源。
虛擬機調度單元204通過VT指令庫205中的VM Entry和VM Exit指令實 現虛擬機系統的控制權在虛擬機監視器和虛擬機30之間的轉換。在虛擬機監視 器內部，通過虛擬機調度單元204控制每個虛擬機30對虛擬機系統中VT處理 器101和其他硬體資源的佔用，從而實現各虛擬機30中的應用軟體的並行處理。 其中VT指令庫25中存儲有虛擬機監視器的全部指令，並對這些指令進行管理。
虛擬機監視器與運行於其上的虛擬機30對虛擬機系統的控制權之間的交 互有兩種機制Guest OS到虛擬機監視器的同步調用由特定的系統調用函數來 完成，該過程類似於傳統OS中對系統調用的使用，由於該過程屬於現有技術 或者根據現有技術容易推導出，在此不再贅述；虛擬機監視器到Guest OS的通 告遞交由異步事件機制來完成，該過程類似於常用的設備中斷遞交機制，允許 重要事件(如GuestOS的中斷請求)採用輕量級的通告形式，由於該過程屬於現有技術或者根據現有技術容易推導出，在此不再贅述。
以下詳細說明本發明實施例提供的虛擬機系統的啟動流程
首先在計算機硬體平臺中安裝集成有虛擬機監視器的主機作業系統，主機 作業系統安裝好之後，重新啟動計算機可以進入主機"^喿作系統。由於虛擬機監 視器是以模塊化集成在主機作業系統中的，在進入主機作業系統時，虛擬機監 視器將以驅動(Driver)的形式作為主機作業系統的Driver進行加載。進入主 機作業系統後，用戶將會進入如圖3所示的虛擬機監視器的登錄界面。在用戶 第一次使用該虛擬機系統時，該虛擬機監視器的登錄信息是默認的，如默認的 用戶名為Admin，密碼為123456。用戶可以修改虛擬機監視器的登錄信息。當 用戶釆用默認的登錄信息登錄虛擬機監視器後，進入如圖4所示的虛擬機監視 器的主界面。虛擬機監視器與運行於其上的所有虛擬機之間的操作，如在虛擬 機監視器中創建新的虛擬機，啟動已創建的虛擬機等都將在該虛擬機監視器的 主界面進行。下面將介紹如何在該虛擬機監視器中創建新的虛擬機。
用戶通過點擊如圖4所示的虛擬機監視器的主界面中.的"創建虛擬機"按 鈕，向虛擬機監視器發送虛擬機創建命令。虛擬機監視器中的虛擬機管理命令 接收模塊接收到該虛擬機創建命令後，向用戶輸出一如圖5所示的創建參數設 置窗口，以供用戶輸入待創建的虛擬機的創建參數。用戶可以通過該創建參數 設置窗口設置待創建的虛擬機的名稱，待創建的虛擬機的內存大小和存儲設備 的容量，虛擬CPU (Virtual CPU， VCPU).的個數，待創建的虛擬機是否支持 CDROM和USB設備，當用戶設置待創建的虛擬機支持CDROM時，用戶還可 以設置硬碟和CDROM的啟動順序。當用戶設置完待創建虛擬機的創建參數後， 通過點擊該創建參悽t設置窗口的"提交"按鈕來確認本次設置，以向虛擬機監 視器輸入待創建虛擬機的創建參數。
虛擬機監視器中的虛擬機資源配置單元根據用戶輸入的待創建虛擬機的創 建參數，為該待創建虛擬機分配硬體設備虛擬化單元虛擬的硬體資源，創建新 的虛擬機。為了便於用戶對虛擬機監視器中運行的一個或者多個虛擬機進行監控和度量，將新創建的虛擬機添加至如圖4所示的虛擬機監視器的主界面中。 在虛擬機監視器的主界面中添加了新創建的虛擬機之後，虛擬機監視器的主界
面如圖6所示。
用戶可以通過如圖6所示的虛擬機監視器主界面中呈現的"啟動虛擬機" 標誌(該標誌可以是圖標或者按鈕等)向虛擬機監視器發送虛擬機啟動命令， 虛擬機監視器的虛擬機管理命令接收模塊接收到該虛擬機啟動命令後，啟動該 虛擬機啟動命令對應的虛擬機。虛擬機啟動之後，用戶即可在該虛擬機中安裝 客戶作業系統和應用軟體等。
如果虛擬機啟動之後默認處於全屏狀態，用戶可以通過如圖6中的切換按 鈕向虛擬機監-見器發送虛擬機切換命令，虛擬機調度單元通過VT指令庫中的 VM Entry和VM Exit指令實現虛擬機系統的控制權在虛擬機監一見器和虛擬機之 間的轉換，從而實現從客戶作業系統切換到主機作業系統，此時，虛擬機監視 器的主界面如圖7所示。
當從客戶才喿作系統切換到主機作業系統後，上述已啟動的虛擬機依然是運 行的，當用戶需要使用該虛擬機時，用戶可以通過如圖7所示的"激活虛擬機" 標誌(該標誌可以是圖標或者按鈕等)，向虛擬機監視器發送虛擬機激活命令， 虛擬機監視器的虛擬機管理命令接收模塊接收到該虛擬機激活命令後，將虛擬 機系統的操作權從主機作業系統切換至與該虛擬機激活命令對應的虛擬機。
當用戶不再需要該虛擬機時，可以通過"關閉虛擬機"標誌(該標誌可以 是圖標或者按鈕等)向虛擬機監視器發送虛擬機關閉命令，虛擬機監視器的虛 擬機管理命令接收模塊接收到該虛擬機關閉命令後，虛擬機調度單元通過VT 指令庫中的VM Entry和VM Exit指令將虛擬機系統的控制權從客戶作業系統 切換到主機作業系統，返回到如圖6所示的虛擬機監一見器的主界面。
如果創建的虛擬機的配置難以滿足用戶的需求，則用戶可以通過圖6所示 的虛擬機監視器中呈現的"修改虛擬機"標誌(該標誌可以是圖標或者)向虛 擬機監視器發送虛擬機修改命令，虛擬機監視器中的虛擬機管理命令接收模塊接收到該虛擬機修改命令後，向用戶輸出一如圖8所示的創建參數修改窗口， 用戶可以修改的虛擬機的創建參數包括虛擬機的內存大小和存儲設備的容量、 虛擬CPU的個數、虛擬機支持的設備、虛擬機所支持的設備的啟動順序等。當 用戶修改好虛擬機的創建參數後，通過點擊該修改參數設置窗口的"提交"按 鈕來確認本次修改，以向虛擬機監視器輸入修改的虛擬機的創建參數。虛擬機 監視器中的虛擬機資源配置單元根據用戶輸入的修改後的虛擬機創建參數，重 新為該虛擬機分配石更件設備虛擬化單元虛擬的硬體資源，此時，虛擬機監視器
的主界面如閨6所示。對虛擬機進行修改後，需要重新啟動該虛擬才幾，虛擬機
的配置才生效。
當用戶需要刪除已創建的虛擬機時，可以通過圖6所示的虛擬機監視器的 主界面中呈現的"虛擬機刪除"標誌(該標誌可以是圖標或者按鈕等)，向虛 擬機監視器發送虛擬機刪除命令，虛擬機管理平臺的虛擬機資源配置單元將分 配給該虛擬才幾的虛擬石更件資源收回，從而刪除該虛擬才幾。
圖9示出了本發明實施例提供的虛擬機系統的啟動方法的實現流程，該虛 擬機系統包括計算機硬體、集成有虛擬機監視器的主機作業系統以及運行於所 迷虛擬機監視器的一個或者多個虛擬機，詳述如下
在步驟S901中，計算機加電啟動後，VT處理器對主機作業系統的完整性 進行度量，完成主才il4喿作系統的引導操作。該步驟與現有技術中的計算機啟動 相似，在此不再贅述。
在步驟S902中，加載作為主機作業系統中的Driver的虛擬機監視器，同 時虛擬機系統的控制權轉換至該虛擬機監視器。其中該虛擬機監視器是採用圖 形化界面實現的，該虛擬機監視器的內部組成如上所述，在此不再贅述。
在步驟S903中，虛擬機監視器根據用戶輸入的虛擬機管理命令，執行相應 的操作。其中，虛擬機管理命令包括虛擬機創建命令、虛擬機修改命令、虛擬
機啟動命令、虛擬機激活命令、虛擬機切換命令或者虛擬機刪除命令。如當用 戶輸入的虛擬機管理命令為虛擬機創建命令時，則虛擬機監視器先向用戶輸出
ii一創建參數設置窗口 ，再根據用戶通過該創建參數設置窗口輸入的虛擬機創建 參數創建新的虛擬機；當用戶輸入的虛擬機管理命令為虛擬機修改命令時，則 虛擬機監視器先向用戶輸出一修改參數設置窗口 ，再根據用戶通過該修改參數 設置窗口輸入的修改後的虛擬機創建參數重新為該虛擬機分配虛擬化處理後的
硬體資源；當用戶輸入的虛擬機管理命令為虛擬機啟動命令時，則虛擬機監視 器啟動用戶請求啟動的虛擬機；所述虛擬機管理命令為虛擬機激活命令時，虛 擬機監視器執行所述虛擬機激活命令，激活虛擬機；當用戶輸入的虛擬機管理 命令為虛擬機切換命令時，則虛擬機監視器執行該虛擬機切換命令，將當前虛 擬機切換至用戶請求的虛擬機；當用戶輸入的虛擬機管理命令為虛擬機刪除命 令時，則虛擬機監視器刪除該虛擬機，並回收分配給該虛擬機的經虛擬化處理 後的硬體資源。依次類推，虛擬機監視器根據用戶輸入的虛擬機管理命令，執 行相應的操作。
在本發明實施例中，通過將虛擬機監視器集成到主機作業系統中，即在計 算機底層的真實硬體與主機作業系統之間插入可控的虛擬機監視器層，通過集 成在主機作業系統中的虛擬機監視器可以直接對虛擬機監視器上運行的客戶操 作系統進行監控和度量，從而使各客戶作業系統不再需要主機作業系統的支持， 直接在硬體支持下運行，從而擁有最佳的性能。同時集成於主機作業系統中的 虛擬機監視器採用圖形化界面設計，對上層客戶作業系統所執行操作的完全圖 形化支持，易用性有了很大提高，降低了用戶使用虛擬機技術的操作門檻，隱 藏了很大的客戶群，便於操作。
以上所述^L為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發 明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明 的保護範圍之內。
權利要求
1、一種虛擬機系統，包括計算機硬體、虛擬機監視器、主機作業系統和一個或者多個虛擬機，其特徵在於，所述虛擬機監視器集成於所述主機作業系統中，所述一個或者多個虛擬機運行於所述虛擬機監視器中。
2、 如權利要求l所述的系統，其特徵在於，所述虛擬機監視器包括 虛擬機管理命令接收單元，用於接收用戶發送的虛擬機管理命令； 硬體設備虛擬化單元，用於對所述硬體進行虛擬化處理； 虛擬機資源配置單元，用於將所述硬體設備虛擬化單元進行了虛擬化處理的^_件分配給所述一個或者多個虛擬機；通過VT指令庫，用於管理所述虛擬機監視器的全部指令； 虛擬機調度單元，用於通過所述VT指令庫中的指令實現虛擬機系統的控制權在所述虛擬機監視器和所述虛擬機之間的轉換。
3、 如權利要求1或2所述的系統，其特徵在於，所述虛擬機監視器採用圖 形化界面實現。
4、 如權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述虛擬機管理命令包括虛擬 機創建命令、虛擬才幾修改命令、虛擬機啟動命令、、虛擬機激活命令、虛擬機 切換命令或者虛擬機刪除命令。 '
5、 如權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述硬體設備虛擬化單元對 VT處理器、內存、輸入輸出設備和/或存儲設備進行虛擬化處理。
6、 如權利要求l所述的系統，其特徵在於，所述主機作業系統為Linux操 作系統、Windows 2000作業系統、WindowsXP作業系統、FreeBSD作業系統 或者類Linux作業系統。
7、 如權利要求l所述的系統，其特徵在於，所述硬體包括VT處理器、主 板、內存、輸入輸出設備或者存儲設備。
8、 如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述虛擬機監視器以模塊化的 方式集成於所述主機作業系統中，在安裝所述主機作業系統時，所述虛擬機監視器以驅動的形式作為所述主機作業系統的驅動進行加載。
9、 一種如權利要求1所述的虛擬機系統的啟動方法，其特徵在於，所述方法包括下述步驟對主機作業系統的完整性進行度量，完成主機作業系統的引導操作； 加載集成於主機作業系統中的虛擬機監視器，並將虛擬機系統的控制權轉 換至虛擬機監視器；虛擬機監視器根據用戶輸入的虛擬機管理命令，執行相應的操作。
10、 如權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述虛擬機管理命令包括虛 擬機創建命令、虛擬機修改命令、虛擬機啟動命令、虛擬機激活命令、虛擬機 切換命令或者虛擬機刪除命令。
11、 如權利要求IO所述的方法，其特徵在於，所述虛擬機管理命令為虛擬 機創建命令時，虛擬機監視器執行所述虛擬機創建命令，創建新的虛擬機；所 述虛擬機管理命令為虛擬機修改命令時，虛擬機監視器執行所述虛擬機修改命 令，重新為虛擬機分配虛擬化處理後的硬體資源；所述虛擬機管理命令為虛擬 機啟動命令時，虛擬機監視器執行所述虛擬機啟動命令，啟動虛擬機；所述虛 擬機管理命令為虛擬機激活命令時，虛擬機監視器執行所述虛擬機激活命令， 激活虛擬機「所述虛擬機管理命令為虛擬機切換命令時，虛擬機監視器執行所 述虛擬機切換命令，從當前虛擬機切換至用戶請求的虛擬機；所述虛擬機管理 命令為虛擬機刪除命令時，虛擬機監視器執行所述虛擬機刪除命令，刪除用戶 請求刪除的虛擬機。
全文摘要
本發明適用於虛擬技術領域，提供了一種虛擬機系統及其啟動方法，虛擬機系統包括計算機硬體、虛擬機監視器、主機作業系統和一個或者多個虛擬機，所述虛擬機監視器集成於所述主機作業系統中，所述一個或者多個虛擬機運行於所述虛擬機監視器中。在本發明實施例中，通過將虛擬機監視器集成到主機作業系統中，即在計算機底層的真實硬體與主機作業系統之間插入可控的虛擬機監視器，通過該虛擬機監視器可以直接對運行於虛擬機監視器上的一個或者多個客戶作業系統進行監控和度量，從而使各客戶作業系統通過底層硬體的支持，直接訪問硬體資源，直接在硬體支持下運行，擁有最佳的性能。
文檔編號G06F9/455GK101493781SQ20081006599
公開日2009年7月29日 申請日期2008年1月24日 優先權日2008年1月24日
發明者姚文澤, 靖 宋, 張擁軍, 林詩達, 明 石, 兵 賈 申請人:中國長城計算機深圳股份有限公司