劉佳銘 吳定剛 謝紅勝

（1.海軍裝備部 北京 100071）（2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064）

1 引言

20世紀(jì)70年代，IBM公司首次在IBM／370大型機(jī)上應(yīng)用虛擬化技術(shù)，極大提高了大型機(jī)的資源利用率。隨著軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬化技術(shù)開始在普通×86計(jì)算機(jī)上應(yīng)用，并成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)發(fā)展和研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向。

大多數(shù)服務(wù)器系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)成本低、可擴(kuò)展性好等優(yōu)勢(shì)，但其編程管理和維護(hù)比較復(fù)雜。虛擬化技術(shù)在物理服務(wù)器上架設(shè)虛擬機(jī)監(jiān)控器（Virtual Machine Monitor，VMM），將底層的硬件資源進(jìn)行抽象管理，隱藏底層硬件的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，為客戶操作系統(tǒng)虛擬邏輯上的硬件層，使其呈現(xiàn)出多個(gè)邏輯服務(wù)器。

目前，虛擬化技術(shù)主要應(yīng)用在商業(yè)數(shù)據(jù)中心，高校計(jì)算機(jī)教學(xué)和數(shù)字圖書館建設(shè)等方面，已經(jīng)取得了較好的效果。文中結(jié)合艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)仿真特點(diǎn)，提出基于KVM虛擬化的仿真實(shí)現(xiàn)方案，為作戰(zhàn)系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)提供了較好的技術(shù)支撐。

2 虛擬化技術(shù)

虛擬化為一組物理資源提供統(tǒng)一的邏輯訪問接口［1］，通過分層組織，由底層的硬件和高層的軟件實(shí)現(xiàn)抽象層次，從邏輯層面對(duì)物理資源進(jìn)行重新分配與描述，使其不受底層資源配置的限制。通過由位于下層的軟件向位于上層的軟件提供一個(gè)與它期待的運(yùn)行環(huán)境完全一致的接口方法，抽象出一個(gè)虛擬的軟件或硬件接口，使得上層的軟件可以直接運(yùn)行在虛擬環(huán)境之上。

虛擬化技術(shù)能夠在一套物理計(jì)算機(jī)上虛擬出多個(gè)邏輯上獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，運(yùn)行多個(gè)獨(dú)立的操作系統(tǒng)和獨(dú)立的應(yīng)用軟件。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和應(yīng)用間的有效隔離，對(duì)資源進(jìn)行按需分配，保障每個(gè)系統(tǒng)的安全性和運(yùn)行性能。典型的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬化系統(tǒng)架構(gòu)

虛擬化系統(tǒng)的核心是虛擬機(jī)監(jiān)控器VMM。它主要對(duì)資源進(jìn)行調(diào)度、分配和管理，保證多個(gè)虛擬機(jī)（Virtual Machine，VM）系統(tǒng)間的相互隔離和多個(gè)客戶操作系統(tǒng)的正常運(yùn)行。虛擬機(jī)監(jiān)控器具有最高級(jí)的運(yùn)行權(quán)限，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理硬件設(shè)備的直接管理，而虛擬機(jī)和客戶操作系統(tǒng)可作為運(yùn)行在VMM上的用戶程序。

2.1 虛擬化分類

虛擬化技術(shù)主要分為平臺(tái)虛擬化、資源虛擬化、應(yīng)用程序虛擬化和表示層虛擬化。在應(yīng)用層面上表現(xiàn)為服務(wù)器虛擬化、內(nèi)存虛擬化、設(shè)備虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化和網(wǎng)絡(luò)虛擬化等。其中服務(wù)器虛擬化主要可分為三類［2～5］：

1）全虛擬化。虛擬操作系統(tǒng)與底層硬件完全隔離，由hypervisor層轉(zhuǎn)化虛擬操作系統(tǒng)對(duì)底層硬件的調(diào)用代碼，操作系統(tǒng)可以原封不動(dòng)地安裝到虛擬機(jī)上，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、兼容性好等特點(diǎn)。其客戶操作系統(tǒng)的運(yùn)行速度會(huì)根據(jù)不同的實(shí)現(xiàn)方式而不同。完全虛擬化依賴于高水平的處理器集成技術(shù)，要求hypervisor層管理各個(gè)虛擬服務(wù)器，并保持彼此間的獨(dú)立性。

2）準(zhǔn)虛擬化。準(zhǔn)虛擬化與完全虛擬化有一些類似，它在客戶操作系統(tǒng)中集成了與準(zhǔn)虛擬化相關(guān)的指令，客戶操作系統(tǒng)通過這些指令配合hypervisor層調(diào)用硬件資源，減少了指令轉(zhuǎn)換開銷，可以提供很高的虛擬性能。

3）操作系統(tǒng)層虛擬化。操作系統(tǒng)層的虛擬化不依賴于hypervisor層，所有虛擬機(jī)運(yùn)行于同一個(gè)主機(jī)操作系統(tǒng)上，主機(jī)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)多個(gè)虛擬機(jī)間的硬件資源分配，并且讓這些虛擬機(jī)彼此獨(dú)立，統(tǒng)一運(yùn)行。

2.2 虛擬化技術(shù)優(yōu)勢(shì)［6］

隨著虛擬化技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，虛擬化的優(yōu)勢(shì)也越來越明顯。虛擬化技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)有：

1）提高硬件資源的利用率

虛擬化技術(shù)使得單一物理服務(wù)器可以運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)或獨(dú)立應(yīng)用，讓每一個(gè)應(yīng)用（如數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)）在單一的操作系統(tǒng)上獨(dú)立運(yùn)行，提高了服務(wù)器資源的利用率和應(yīng)用的承載能力，降低了運(yùn)維的成本和管理難度。

2）服務(wù)的隔離

虛擬化技術(shù)能夠在一臺(tái)物理設(shè)備上為應(yīng)用提供多個(gè)有效的獨(dú)立運(yùn)行支撐平臺(tái)，保障應(yīng)用需求。滿足絕大多數(shù)應(yīng)用對(duì)具有獨(dú)立運(yùn)行環(huán)境和平臺(tái)的應(yīng)用需求，保障不同業(yè)務(wù)運(yùn)行在不同的獨(dú)立平臺(tái)上，相互間完全隔離，不產(chǎn)生干擾。

3）高可用性

虛擬機(jī)比實(shí)體機(jī)具有更強(qiáng)的彈性。利用虛擬化技術(shù)可以有效解決高可用性、容錯(cuò)、負(fù)載均衡、備份等應(yīng)用問題，而不必依靠復(fù)雜技術(shù)或是昂貴設(shè)備。

此外，虛擬化還可以解決很多物理設(shè)備無法解決的問題，包括動(dòng)態(tài)主機(jī)遷移、快速刪除重復(fù)數(shù)據(jù)、統(tǒng)一桌面管理等，甚至可以創(chuàng)建永不宕機(jī)的集成環(huán)境。

3 KVM虛擬化

3.1 概述［7］

基于內(nèi)核的虛擬機(jī)（Kernel Virtual Machine，KVM）是開源組織提出的基于硬件虛擬化的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)方案，2007年2月發(fā)布的Linux2.6.20內(nèi)核第一次包含了KVM，是進(jìn)入Linux核心的虛擬化解決方案。利用KVM實(shí)現(xiàn)物理計(jì)算機(jī)的虛擬化，還需要借助QEMU，為客戶操作系統(tǒng)提供網(wǎng)卡、I／O等設(shè)備的虛擬，其架構(gòu)如圖2所示。

圖2 KVM系統(tǒng)架構(gòu)

QEMU對(duì)虛擬機(jī)操作系統(tǒng)的I／O操作進(jìn)行虛擬。虛擬操作系統(tǒng)生成的I／O請(qǐng)求被截獲并轉(zhuǎn)發(fā)到用戶空間，由QEMU的設(shè)備模型模擬I／O操作，觸發(fā)真實(shí)的I／O操作。QEMU實(shí)質(zhì)是一種利用動(dòng)態(tài)翻譯技術(shù)實(shí)現(xiàn)的快速指令集層虛擬機(jī)，可以支持對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)備的模擬，包括多種處理器（×86、ARM、PowerPC等）、存儲(chǔ)設(shè)備、圖形處理設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等［8］。

KVM通過使用硬件虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬機(jī)操作系統(tǒng)代碼的直接硬件處理，減少了指令轉(zhuǎn)化的開銷，提高了系統(tǒng)的性能。

3.2 KVM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

KVM虛擬機(jī)支持的虛擬操作系統(tǒng)種類很多，基于×86架構(gòu)的Windows、Unix等操作系統(tǒng)都可以穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)KVM本身以瘦虛擬化形式運(yùn)行在Linux內(nèi)核中，具有很強(qiáng)的硬件支持能力。當(dāng)前主流硬件設(shè)備均配有對(duì)應(yīng)的Linux驅(qū)動(dòng)，因此KVM也可以順利運(yùn)行在在最廣泛的主流硬件系統(tǒng)之上［9］。

此外，KVM虛擬化技術(shù)具有較強(qiáng)的靈活性，能較好地利用不同操作系統(tǒng)和特殊硬件設(shè)備，降低不同系統(tǒng)間的維護(hù)復(fù)雜度，為系統(tǒng)提供優(yōu)良的系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。

4 基于KVM的作戰(zhàn)系統(tǒng)仿真

采用RHEL6.0內(nèi)核中的KVM完成對(duì)物理計(jì)算機(jī)的虛擬化，對(duì)網(wǎng)卡進(jìn)行虛擬，采用TUN／TAP模式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，搭建基于KVM虛擬化的作戰(zhàn)系統(tǒng)仿真運(yùn)行平臺(tái)。

4.1 創(chuàng)建虛擬機(jī)

將虛擬機(jī)創(chuàng)建為L(zhǎng)inux系統(tǒng)內(nèi)的一個(gè)普通鏡像文件。創(chuàng)建命令如下

用qemu命令創(chuàng)建名為“l(fā)inux.img”、容量為100G的虛擬磁盤。虛擬磁盤并非預(yù)先分配全部空間，而會(huì)根據(jù)使用情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，容量分配范圍不超過100G。

4.2 部署仿真操作系統(tǒng)

KVM通過虛擬機(jī)命令參數(shù)啟動(dòng)指定虛擬機(jī)所對(duì)應(yīng)的CPU、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)卡、系統(tǒng)時(shí)鐘等硬件配置。使用啟動(dòng)命令將虛擬磁盤文件和虛擬機(jī)關(guān)聯(lián)起來，引導(dǎo)安裝操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)安裝引導(dǎo)指令為

設(shè)置虛擬機(jī)使用位于“／data／”目錄下的磁盤鏡像文件“l(fā)inux.img”作為系統(tǒng)安裝硬盤，內(nèi)存容量為1024M，從光驅(qū)啟動(dòng)虛擬機(jī)進(jìn)行操作系統(tǒng)安裝。隨后進(jìn)入系統(tǒng)安裝引導(dǎo)程序，安裝操作界面與在物理計(jì)算機(jī)上正常安裝操作系統(tǒng)的操作界面一致。

安裝完畢后將上述啟動(dòng)命令中的參數(shù)“－boot d”修改為“－boot c”，即可從磁盤鏡像正常啟動(dòng)虛擬機(jī)。

在仿真實(shí)現(xiàn)過程中，可以通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬機(jī)創(chuàng)建命令的自動(dòng)控制，完成對(duì)虛擬的動(dòng)態(tài)創(chuàng)建和管理。

4.3 配置虛擬網(wǎng)絡(luò)

通過TUN／TAP模式進(jìn)行物理網(wǎng)卡與虛擬網(wǎng)卡間的網(wǎng)橋連接，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)與主機(jī)、虛擬機(jī)與外部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的正常通信［10］。虛擬操作系統(tǒng)可按手工指定方式設(shè)置網(wǎng)卡IP地址，詳細(xì)操作如下：

1）創(chuàng)建虛擬網(wǎng)橋br0。創(chuàng)建ifcfg－br0文件，編輯如下內(nèi)容：

2）修改主機(jī)網(wǎng)卡信息。修改主機(jī)網(wǎng)卡配置文件的內(nèi)容，添加“BRIDGE＝br0”。

3）進(jìn)行虛擬網(wǎng)卡與物理網(wǎng)卡間的橋接。

（1）創(chuàng)建一個(gè)名為tap0的虛擬網(wǎng)卡，所有者為root。

tunctl–t tap0－u root

（2）將主機(jī)網(wǎng)卡eth0加入網(wǎng)橋br0。

brctl addif br0eth0

（3）將虛擬網(wǎng)卡tap0加入網(wǎng)橋br0。

brctl addif br0tap0

（4）激活虛擬網(wǎng)卡tap0。

ifconfig tap0up

TUN設(shè)備會(huì)通過網(wǎng)橋br0將虛擬網(wǎng)卡tap0與物理網(wǎng)卡eth0進(jìn)行映射和鏈接。最后檢查網(wǎng)絡(luò)配置，顯示tap0、br0和eth0的詳細(xì)信息。

啟動(dòng)虛擬機(jī)系統(tǒng)，按照上述操作配置網(wǎng)絡(luò)信息，即可在同一網(wǎng)段內(nèi)實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)與主機(jī)系統(tǒng)及其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的信息通信。

4.4 作戰(zhàn)系統(tǒng)仿真

艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)分系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量不斷增加，增加了系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對(duì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求，同時(shí)也提高了設(shè)備安裝的空間需求。

此外，各分系統(tǒng)設(shè)備間存在著大量功能重復(fù)的設(shè)備，例如：幾乎所有的分系統(tǒng)均配有獨(dú)立的信息處理設(shè)備，造成了大量處理設(shè)備的重復(fù)和空間浪費(fèi)。

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的集中控制和統(tǒng)一管理，對(duì)資源進(jìn)行有效分配，需要利用虛擬化技術(shù)對(duì)服務(wù)器等處理設(shè)備進(jìn)行虛擬化處理，結(jié)合應(yīng)用需求完成對(duì)物理資源的管理和應(yīng)用程序的部署。

利用KVM虛擬化技術(shù)，在兩臺(tái)臺(tái)式工作站上共計(jì)虛擬出五個(gè)虛擬機(jī)。通過對(duì)KVM虛擬化命令的集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬機(jī)的自動(dòng)創(chuàng)建和網(wǎng)絡(luò)配置。在五個(gè)虛擬機(jī)上分別部署不同的客戶操作系統(tǒng)，主要有：Windows、Linux、Vx－Works和Solaris等，搭建相互獨(dú)立的仿真運(yùn)行平臺(tái)，結(jié)合仿真需求將不同類型的應(yīng)用程序部署在對(duì)應(yīng)的平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)作戰(zhàn)系統(tǒng)主要功能的模擬與仿真。仿真體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于KVM虛擬化仿真體系結(jié)構(gòu)圖

將指揮控制模擬系統(tǒng)、探測(cè)模擬系統(tǒng)、武器模擬系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)及Eclipse等相關(guān)的模擬系統(tǒng)／設(shè)備或軟件部署到相應(yīng)的虛擬機(jī)上。由于對(duì)虛擬機(jī)的管理和監(jiān)控需求要求不高，所以直接利用RHEL中KVM的管理功能對(duì)虛擬平臺(tái)進(jìn)行管理與監(jiān)控。各模擬系統(tǒng)或軟件通過虛擬網(wǎng)卡與以太網(wǎng)連接，完成相互間的信息交互。對(duì)于承載作戰(zhàn)業(yè)務(wù)的指揮控制模擬系統(tǒng)、探測(cè)模擬系統(tǒng)和武器模擬系統(tǒng)需要在啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)調(diào)用并加載Eclipse界面組件提供的配置界面，通過配置界面提供相應(yīng)的人機(jī)操作接口，控制和觸發(fā)相應(yīng)的操作，并進(jìn)行業(yè)務(wù)信息的顯示和處理。

5 仿真關(guān)鍵

1）仿真性能

通過虛擬化技術(shù)，可以在較少的物理服務(wù)器上虛擬出多個(gè)邏輯服務(wù)器，雖然提高了服務(wù)器的利用率，但對(duì)虛擬機(jī)的性能還是有影響的［11］。而對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的作戰(zhàn)仿真而言，性能影響直接決定著仿真的效果。經(jīng)測(cè)試統(tǒng)計(jì)，在一個(gè)單內(nèi)核的物理服務(wù)器上虛擬一個(gè)虛擬機(jī)，其性能損耗較少，約為2%～7%；若在一個(gè)單內(nèi)核的物理服務(wù)器上虛擬出三個(gè)虛擬機(jī)時(shí)，其性能損耗可高達(dá)20%～40%，虛擬機(jī)的性能損耗會(huì)隨著虛擬機(jī)的數(shù)量增加而顯著增加，因此虛擬機(jī)性能的損耗直接影響著虛擬機(jī)的數(shù)量。有限數(shù)量范圍內(nèi)的虛擬機(jī)性能，可以通過提高物理服務(wù)器的內(nèi)存和CPU配置來提高虛擬機(jī)的運(yùn)行性能，使其滿足仿真需求。

2）資源監(jiān)控與管理

虛擬機(jī)的監(jiān)控與管理是體現(xiàn)虛擬化技術(shù)優(yōu)勢(shì)的重要特征，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理主機(jī)資源和虛擬資源的有效管理和分配。結(jié)合應(yīng)用需求對(duì)資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配和統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)模擬軟件的動(dòng)態(tài)遷移和運(yùn)行負(fù)載的實(shí)時(shí)調(diào)配。對(duì)于同構(gòu)服務(wù)器資源的監(jiān)控、管理與遷移相對(duì)比較簡(jiǎn)單，可直接利用KVM提供的監(jiān)控接口和功能，設(shè)計(jì)符合仿真界面要求的監(jiān)控軟件，監(jiān)控管理虛擬資源和應(yīng)用程序。對(duì)于異構(gòu)分布式服務(wù)器系統(tǒng)的監(jiān)控與管理是一個(gè)較難的課題，不僅涉及到異構(gòu)平臺(tái)間監(jiān)控信息的一致性，更要考慮對(duì)虛擬機(jī)的遠(yuǎn)程控制，需要進(jìn)行更加深入的研究。

6 結(jié)語(yǔ)

KVM作為L(zhǎng)inux內(nèi)核中的虛擬化實(shí)現(xiàn)軟件，具有靈活、可擴(kuò)展等較多的優(yōu)勢(shì)，可以將相對(duì)有限的計(jì)算機(jī)物理資源進(jìn)行虛擬，按照需求進(jìn)行邏輯重組，保持資源的獨(dú)立性，充分利用服務(wù)器資源的同時(shí)，提高了對(duì)資源的管理和控制能力。結(jié)合作戰(zhàn)系統(tǒng)仿真的需求，詳細(xì)描述了一個(gè)簡(jiǎn)單仿真系統(tǒng)的搭建和虛擬化實(shí)現(xiàn)過程，為物理資源虛擬和平臺(tái)資源的配置研究奠定了基礎(chǔ)。

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