萬物互聯(lián)網(wǎng)時代即將到來。隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，越來越多的設(shè)備接入了物聯(lián)網(wǎng)，但隨著物聯(lián)網(wǎng)在各行業(yè)中的部署越來越多，應(yīng)用場景日益復(fù)雜，因此傳統(tǒng)的上網(wǎng)設(shè)備跟不上日益復(fù)雜的應(yīng)用場景，這時虛擬化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
物聯(lián)網(wǎng)市場的應(yīng)用場景日益復(fù)雜，越來越多的上網(wǎng)設(shè)備需要支持更多的硬件資源、操作系統(tǒng)、軟件工具及應(yīng)用程序，現(xiàn)有的解決方案顯然無法為數(shù)量龐大的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供相應(yīng)的靈活性，這使開發(fā)者們面臨巨大的設(shè)計(jì)壓力。虛擬化技術(shù)是解決這些問題的關(guān)鍵。不過，現(xiàn)有的虛擬化解決方案并不能滿足物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的輕量級和靈活性的特殊要求。為了滿足當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)市場的發(fā)展趨勢，Linux基金會推出了開源項(xiàng)目---ACRN，
ACRN到底具有哪些強(qiáng)大的功能,它又是怎么實(shí)現(xiàn)的?今天我們就從架構(gòu)到應(yīng)用對ACRN進(jìn)行詳細(xì)分析，讓開發(fā)者們快速上手使用ACRN進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
ACRN是一個專為嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)的hypervisor，包括如下兩部分：一套hypervisor的參考軟件和架構(gòu)，通過虛擬機(jī)監(jiān)視器(Virtual Machine Manager)可以在同一個物理硬件上安全地同時運(yùn)行多個操作系統(tǒng)。另外，它還為設(shè)備虛擬化模擬定義了一套參考設(shè)計(jì)框架，稱為“ACRN設(shè)備模型”。
ACRN hypervisor是一個Type-I的hypervisor，可以直接運(yùn)行在物理硬件上，適用于各種物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式設(shè)備解決方案。ACRN hypervisor解決了當(dāng)前數(shù)據(jù)中心hypervisor和partitioning hypervisor之間存在的差距。ACRN hypervisor設(shè)計(jì)時把系統(tǒng)分為不同的功能域，并為物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式設(shè)備精心挑選的用戶操作系統(tǒng)進(jìn)行共享優(yōu)化。
汽車應(yīng)用案例
ACRN hypervisor的一個有趣的案例是用于汽車場景。ACRN hypervisor可以用于構(gòu)建軟件定義駕駛艙(SDC)或者車載娛樂系統(tǒng)(IVE)。作為參考實(shí)現(xiàn)，ACRN可以為嵌入式hypervisor廠商的解決方案提供一個很好的基礎(chǔ)，以及一套I/O設(shè)備虛擬化的參考設(shè)計(jì)。
在這種場景下，汽車SDC系統(tǒng)由儀表盤(IC)系統(tǒng)、車載信息娛樂系統(tǒng)(IVI)和一個或多個后座娛樂系統(tǒng)(RSE)組成。為了整體系統(tǒng)安全性考慮，每個系統(tǒng)都作為獨(dú)立的虛擬機(jī)運(yùn)行。
儀表盤系統(tǒng)(IC)用于顯示和駕駛員相關(guān)的車輛的駕駛操作信息，如：
汽車的速度、燃油、行駛里程和其它駕駛信息;
投影在擋風(fēng)玻璃上的抬頭顯示，用以警告缺油或胎壓報(bào)警;
顯示后視攝像頭影像和車身的周邊攝像頭信息，用于輔助停車;
車載娛樂系統(tǒng)(IVI)的功能包括：
導(dǎo)航系統(tǒng)、收音機(jī)和其它娛樂系統(tǒng);
連接到移動設(shè)備，可以打電話，播放音樂或者通過語音識別來控制應(yīng)用程序;
通過手勢識別或觸控進(jìn)行交互;
后座娛樂系統(tǒng)(RSE)可以運(yùn)行：
娛樂系統(tǒng);
虛擬辦公;
連接到前排座椅的IVI系統(tǒng)和移動設(shè)備(云連接);
連接到移動設(shè)備，可以打電話，播放音樂或者通過語音識別來控制應(yīng)用程序;
通過手勢識別或觸控進(jìn)行交互;
ACRN hypervisor可以支持Linux*和Android*虛擬機(jī)作為用戶操作系統(tǒng)(UOS)，UOS由ACRN hypervisor進(jìn)行管理。開發(fā)者和OEM廠商可以在ACRN hypervisor之上運(yùn)行自己的虛擬機(jī)，以及IC、IVI和RSE VM。Service OS是作為VM0運(yùn)行(在Xen* hypervisor中被稱為Dom0，在KVM* hypervisor中被稱為Host OS)，User OS用戶操作系統(tǒng)作為VM1運(yùn)行(也被稱為DomU)。
圖1顯示了一個使用ACRN hypervisor的實(shí)例框圖。
圖1：SOS和UOS運(yùn)行在ACRN hypervisor之上
從ACRN hypervisor的架構(gòu)圖中可以看到：
ACRN hypervisor直接位于bootloader之上，因而具備快速啟動的能力;
部分資源進(jìn)行partitioning，以確保安全關(guān)鍵性應(yīng)用和非安全關(guān)鍵業(yè)務(wù)可以共存在同一平臺上;
豐富的I/O設(shè)備虛擬化提供在多個VM之間的I/O設(shè)備共享，從而提供全面的用戶體驗(yàn);
通過高效的虛擬化，一個SoC可以支持多個操作系統(tǒng)同時運(yùn)行;
圖1中的黃色部分是ACRN項(xiàng)目的軟件棧。該架構(gòu)框圖中列出的某些功能還沒有完全實(shí)現(xiàn)，歡迎社區(qū)共同參與開發(fā)實(shí)現(xiàn)。另外，圖中的其他模塊來自于別的開源項(xiàng)目，這里僅供參考。
許可證
ACRN hypervisor和ACRN Device Model軟件采用的都是自由許可證的BSD-3-Clause，它允許以“源代碼和二進(jìn)制再次發(fā)布和使用，無論是否進(jìn)行了修改”， 許可證中也注明了完整版權(quán)聲明和免責(zé)聲明。
ACRN Device Model, Service OS, and User OS
為了使ACRN hypervisor代碼盡可能精悍且高效，用于實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備共享的device model代碼運(yùn)行在Service OS中而非ACRN Hypervisor。哪些I/O設(shè)備被共享以及其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)將在下面的pass-through章節(jié)具體介紹。
Service OS在所有虛擬機(jī)里，以最高優(yōu)先權(quán)運(yùn)行，以滿足那些對時間響應(yīng)要求很高的需求和系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的需求(QoS)。具體到Service OS中的任務(wù)(task)，他們的優(yōu)先級則有高有低。例如響應(yīng)User OS請求的回調(diào)函數(shù)，其運(yùn)行在Service OS的軟件(或者mediator)就會繼承User OS的優(yōu)先級。另外，在Service OS中還有一些在后臺運(yùn)行的任務(wù)也是低優(yōu)先級。
在上述的車載系統(tǒng)示例中，User OS是駕駛控制和車內(nèi)娛樂的中心樞紐。它能提供收音機(jī)和各種娛樂選項(xiàng)、車內(nèi)空調(diào)和通風(fēng)控制、車輛導(dǎo)航顯示等支持。它可以讓第三方設(shè)備使用USB、藍(lán)牙或者WiFi等連接技術(shù)與車載系統(tǒng)進(jìn)行交互，例如：Android Auto* 或者 Apple CarPlay*, 還能提供許多其它功能。
啟動步驟
在圖2中，我們展示了在一個采用英特爾架構(gòu)平臺的NUC上使用UEFI驗(yàn)證啟動的步驟。
Figure 2 ACRN Hypervisor Boot Flow
啟動引導(dǎo)順序執(zhí)行如下：
1 UEFI驗(yàn)證和啟動ACRN hypervisor和Service OS的引導(dǎo)加載程序;
2 UFEI(或Service OS的引導(dǎo)加載程序)驗(yàn)證并啟動Service OS內(nèi)核;
3 Service OS的內(nèi)核通過dm-verity驗(yàn)證并且加載ACRN Device Model和虛擬引導(dǎo)加載程序;
4 虛擬引導(dǎo)加載程序啟動用戶端的驗(yàn)證啟動進(jìn)程;
ACRN Hypervisor架構(gòu)
ACRN hypervisor是Type 1的虛擬機(jī)管理程序，能夠直接運(yùn)行在硬件系統(tǒng)上。它是一個混合的VMM架構(gòu)，采用一個運(yùn)行在特權(quán)級的Service OS來管理和協(xié)調(diào)I/O設(shè)備的使用。它能支持多個用戶虛擬機(jī)，其中每個虛擬機(jī)都可以運(yùn)行Linux或者安卓操作系統(tǒng)作為用戶操作系統(tǒng)。
在虛擬機(jī)內(nèi)運(yùn)行的操作系統(tǒng)是與其它虛擬機(jī)內(nèi)的系統(tǒng)或應(yīng)用程序相互隔離的，從而縮小了潛在的被攻擊可能性，最大限度地減小安全隱患。當(dāng)然由于系統(tǒng)運(yùn)行在虛擬機(jī)內(nèi)也可能會給其應(yīng)用程序的運(yùn)行帶來額外的延遲。
圖3顯示了ACRN hypervisor、車載系統(tǒng)中的Instrumental Cluster (IC) VM和Service VM一起協(xié)同工作的架構(gòu)圖。Service OS(SOS)負(fù)責(zé)包括平臺設(shè)備在內(nèi)的大部分設(shè)備的管理，并提供I/O的協(xié)調(diào)功能。某些PCIe設(shè)備可以通過VM配置直通給User OS使用。IC應(yīng)用程序和虛擬機(jī)特定的應(yīng)用程序都運(yùn)行在SOS中，例如：ACRN device model和ACRN VM管理器。
ACRN hypervisor內(nèi)還有ACRN虛機(jī)管理器，用來收集User OS的運(yùn)行信息，并控制用戶虛擬機(jī)的開始、停止和暫停，還能暫?；蛘呋謴?fù)執(zhí)行單個虛擬CPU。
圖3 ACRN Hypervisor 架構(gòu)圖
ACRN hypervisor采用了英特爾虛擬化技術(shù)(Intel VT)，其運(yùn)行在虛擬機(jī)擴(kuò)展模式(VMX)的root模式下，也稱為主機(jī)模式或VMM模式。其他所有的用戶虛擬機(jī)包括UOS和SOS都運(yùn)行在VMX non-root模式或guest模式下。(以下為了簡略，我們將繼續(xù)使用術(shù)語VMM模式和guest模式)。
VMM模式下有4種權(quán)限的ring模式，但ACRN hypervisor僅在ring 0的特權(quán)模式下運(yùn)行，其余ring 1-3并未使用。運(yùn)行在guest模式下的用戶系統(tǒng)(包括SOS和UOS)也有自己的4個ring模式(ring 0-3)。用戶系統(tǒng)的內(nèi)核運(yùn)行在guest模式下的ring 0，而用戶系統(tǒng)的應(yīng)用程序則在guest模式下運(yùn)行于ring 3(ring 1和ring 2一般不被商業(yè)操作系統(tǒng)所使用)。
如圖4所示，VMM模式和guest模式通過VM Exit和VM Entry進(jìn)行切換。當(dāng)引導(dǎo)加載程序?qū)⒖刂茩?quán)交給ACRN hypervisor時，處理器還未啟動VMX模式。ACRN hypervisor首先需要通過VMXON指令啟用VMX模式。啟用VMX后，處理器處于VMM模式，它可以通過VM resume指令進(jìn)入guest模式(或者通過第一次VM launch指令)，然后可以通過處理器的VM exit事件回到VMM模式。一般處理器會在響應(yīng)某些指令和事件時發(fā)生VM exit。
在guest模式下，處理器的執(zhí)行是由一個虛擬機(jī)控制結(jié)構(gòu)(VMCS)所控制的。VMCS包含了虛機(jī)狀態(tài)(在VM Entry時加載并在VM Exit時保存)，主機(jī)狀態(tài)(在VM exit時加載)，以及虛機(jī)的控制執(zhí)行。ACRN hypervisor為每個虛擬CPU創(chuàng)建了一個VMCS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并使用該VMCS來控制運(yùn)行在guest模式下處理器的行為。
當(dāng)虛機(jī)執(zhí)行到一個敏感指令時，就會觸發(fā)一次定義在VMCS配置中的VM exit事件。當(dāng)VM exit發(fā)生后，系統(tǒng)的控制權(quán)就交給了ACRN hypervisor。ACRN hypervisor會模擬虛機(jī)的指令(如果VM exit的原因是由于指令權(quán)限問題)，然后恢復(fù)虛機(jī)繼續(xù)執(zhí)行它的下一條指令，或者根據(jù)VM exit的原因進(jìn)行相關(guān)處理(例如，一個虛機(jī)的存儲頁面需要建立映射關(guān)系)，然后恢復(fù)虛機(jī)重新執(zhí)行該條指令。
需要注意的是用于VMM模式的地址空間和用于guest模式的地址空間是不同的。guest模式和VMM模式下使用不同的內(nèi)存映射表，因此虛機(jī)是無法訪問ACRN hypervisor的。ACRN hypervisor使用EPT來映射虛機(jī)地址，虛機(jī)頁表會將虛機(jī)的線性地址映射到虛機(jī)的物理地址， EPT表則將虛機(jī)的物理地址映射到機(jī)器物理地址或主機(jī)物理地址(HPA)。
ACRN Device Model Architecture
因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)備可能需要在不同的虛機(jī)之間被共享，虛機(jī)內(nèi)應(yīng)用程序(和操作系統(tǒng))要對這些共享設(shè)備進(jìn)行訪問就需要借助設(shè)備模擬。一般來說，設(shè)備模擬有三種架構(gòu)：
第一種架構(gòu)被稱為hypervisor中的設(shè)備模擬，這是在VMware*工作站產(chǎn)品(一個基于操作系統(tǒng)的hypervisor)中實(shí)現(xiàn)的設(shè)備模擬方式。在這種方式中，hypervisor負(fù)責(zé)模擬需要在各個虛機(jī)操作系統(tǒng)之間共享的常見設(shè)備，其中包括：虛擬磁盤、虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器和其它必要的平臺資源。
第二種架構(gòu)稱為用戶空間的設(shè)備模擬。顧名思義，不是將設(shè)備模擬的實(shí)現(xiàn)嵌入到hypervisor中，而是將其放在一個用戶空間的應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)。比如被各種獨(dú)立的hypervisor所使用的QEMU就提供了此類的設(shè)備模擬方式。這種架構(gòu)的優(yōu)勢在于設(shè)備模擬的實(shí)現(xiàn)不依賴于hypervisor，所以其它hypervisor可以重用改實(shí)現(xiàn)。甚至它還可以做任意設(shè)備的模擬，而不必?fù)?dān)心其功能的實(shí)現(xiàn)會影響hypervisor(其在特權(quán)模式下運(yùn)行)。
第三種架構(gòu)則是從基于hypervisor的設(shè)備模擬改變而來的半虛擬化驅(qū)動程序。該架構(gòu)一開始是在XEN項(xiàng)目中引入的，其中hypervisor提供物理設(shè)備驅(qū)動，每個虛機(jī)操作系統(tǒng)則需要安裝一個與能與物理驅(qū)動配合使用的hypervisor感知的驅(qū)動程序。
在以上討論的設(shè)備模擬架構(gòu)中，共享設(shè)備都需要付出代價。因?yàn)椴还茉O(shè)備模擬是在hypervisor中，還是在每個虛機(jī)內(nèi)的用戶空間中，都存在相應(yīng)的系統(tǒng)開銷。不過只要系統(tǒng)設(shè)備需要被多個虛機(jī)操作系統(tǒng)共享，這種開銷就是值得的。反之如果設(shè)備不需要被共享，那么就可以使用更有效的方法來訪問設(shè)備，例如使用“直通”。
看完以上的分析，你是否對ACRN有了更深入的了解?也是否有更多問題急需解答? 不用著急，我們將在下期中繼續(xù)講解各種技術(shù)細(xì)節(jié)，例如ACRN設(shè)備模塊架構(gòu)、設(shè)備pass through， ACRN I/O mediator, Virtio框架結(jié)構(gòu)等一一為你展示。
（原標(biāo)題：如何利用虛擬化技術(shù)解決物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)難題？）
