StratoVirt:下一代轻量级虚拟化VMM

发布于 2022-8-3 18:11
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StratoVirt 是什么
Strato,取自 stratosphere,意指地球大气层中的平流层,大气层可以保护地球不受外界环境侵害,而平流层则是大气层中最稳定的一层;类似的,虚拟化技术是操作系统平台之上的隔离层,既能保护操作系统平台不受上层恶意应用的破坏,又能为正常应用提供稳定可靠的运行环境;以 Strato 入名,寓意为保护 openEuler 平台上业务平稳运行的轻薄保护层。同时,Strato 也承载了项目的愿景与未来:轻量、灵活、 安全和完整的保护能力。

StratoVirt 是计算产业中面向云数据中心的企业级虚拟化VMM,实现了一套架构统一支持虚拟机、容器、Serverless 三种场景,在轻量低噪、软硬协同、安全等方面具备关键技术竞争优势。StratoVirt 在架构设计和接口上预留了组件化拼装的能力和接口,StratoVirt 可以按需灵活组装高级特性直至演化到支持标准虚拟化,在特性需求、应用场景和轻快灵巧之间找到最佳的平衡点。

StratoVirt:下一代轻量级虚拟化VMM-开源基础软件社区为什么选择 Rust
在项目成立初期,我们调研了业界成熟基于 C 语言开发的虚拟化软件-QEMU,统计了在过去十几年中 QEMU 的 CVE 问题,发现其中有将近一半是因为内存问题导致的,例如缓冲区溢出、内存非法访问等等。如何有效避免产生内存问题,成为我们在编程语言选型方面的重要考虑。因此,专注于安全的 Rust 语言进入我们视线。

◆ Rust 语言拥有强大的类型系统、所有权系统、借用和生命周期等机制,不仅保证内存安全,还保证并发安全,极大的提升软件的质量。在支持安全性的同时,具有零成本抽象特点,既提升代码的可读性,又不影响代码的运行时性能。
◆ Rust 语言拥有强大的软件包管理器和项目管理工具-Cargo 

◊ Cargo 能够对项目的依赖包进行方便、统一和灵活的管理。项目所有的依赖包都定义在 Cargo.toml 文件中,开发者可以按需使用来自 Rust 官方仓库 crates.io 的各类功能包。

◊ Cargo 集成了完整的代码管理工具,例如项目创建(cargo new)、构建(cargo build)、清理(cargo clean)、测试(cargo test)、运行(cargo Run)等等。

◊ Cargo 在代码静态扫描方面提供相应的工具,能够进一步提升开发者编码风格和代码质量。
◊  cargo fmt:使用符合 rust-lang 定义的 Rust 代码风格来规范 Rust 代码。
◊ cargo check:可以对本地项目库和所有依赖进行编译检查,它会通过对项目进行编译来执行代码检查。

◊ cargo clippy:一个 Rust 语言的 lint 工具集合包,包含了超过 350 种 lint 规则。

 

StratoVirt 的优势

StratoVirt 是 openEuler 最稳定、最坚固的保护层。它重构了 openEuler 虚拟化底座,具有以下六大技术特点。

◆ 强安全性与隔离性

◊ 采用内存安全语言 Rust 编写,保证语言级安全性;

◊ 基于硬件辅助虚拟化实现安全多租户隔离,并通过 seccomp 进一步约束非必要的系统调用,减小系统攻击面;
◆ 轻量低噪

◊ 轻量化场景下冷启动时间<50ms,内存底噪<4M;
◆ 高速稳定的 IO 能力
◊ 具有精简的设备模型,并提供了稳定高速的 IO 能力;
◆ 资源伸缩
◊ 具有 ms 级别的设备伸缩时延,为轻量化负载提供灵活的资源伸缩能力;
◆ 全场景支持
◊ 完美支持 X86 和 Arm 平台:X86 支持 VT,鲲鹏支持 Kunpeng-V,实现多体系硬件加速;

◊ 可完美集成于容器生态,与 Kubernetes 生态完美对接,在虚拟机、容器和 serverless 场景有广阔的应用空间;
◆  扩展性

◊ 架构设计完备,各个组件可灵活地配置和拆分;

◊ 设备模型可扩展,可扩展 PCIe 等复杂设备规范,实现标准虚拟机演进;

 

StratoVirt 的架构

StratoVirt 核心架构自顶向下分为三层:

◆ 外部 API: StratoVirt 使用 QMP 协议与外部系统通信,兼容 OCI,同时支持对接 libvirt。
◆ BootLoader: 轻量化场景下使用简单的 BootLoader 加载内核镜像,而不像传统的繁琐的 BIOS 和 Grub 引导方式,实现快速启动;标准虚拟化场景下,支持 UEFI 启动。
◆ 模拟主板:
◊ microvm:为了提高性能和减少攻击面,StratoVirt 最小化了用户态设备的模拟。模拟实现了 KVM 仿真设备和半虚拟化设备,如 GIC、串行、RTC 和 virtio-mmio 设备。
◊ 标准机型:提供 ACPI 表实现 UEFI 启动,支持添加 virtio-pci 以及 VFIO 直通设备等,极大提高虚拟机的 I/O 性能。

StratoVirt:下一代轻量级虚拟化VMM-开源基础软件社区

StratoVirt源码目录解析主要分为四部分:

◆ acpi:提供构建 ACPI 表的接口。
◆ address_space:地址空间模拟,实现地址堆叠等复杂地址分配模式。
◆ boot_loader:内核引导程序,实现快速加载和启动功能。
◆ cpu:模拟多架构下的 vcpu。
◆ devices:模拟中断控制器、串口等一系列主板的基础设备。
◆ hypervisor:提供与内核 hypervisor 如 KVM 交互的 API 接口。
◆ machine:模拟 microvm 以及标准 VM 机型。
◆ machine_manager:提供虚拟机管理接口,兼容 QMP 等常用协议,可扩展。
◆ migration:提供用于热恢复的相关 API 接口。
◆ migration_derive:提供用于热恢复特性的过程宏实现。
◆ ozone:提供了轻量虚拟化场景下的安全管理框架。
◆ pci:实现了遵循 PCIe/PCI 协议规范的设备访问和模拟。
◆ sysbus:模拟系统总线,所有非 PCI 类设备都挂在系统总线上。
◆ util:提供一些通用接口的实现。
◆ vfio:提供 VFIO 设备直通功能。
◆ virtio:遵循 virtio 协议,支持 virtio-mmio 以及 virtio-pci 设备。

StratoVirt:下一代轻量级虚拟化VMM-开源基础软件社区当前 StratoVirt 实现了两种机型:microvm 和标准机型。其中,microvm 实现了运行业务负载的最小的设备集合。因此 LightMachine 是 StratoVirt 最重要的顶层数据结构,它的逻辑上分为 CPU 模拟管理,地址空间管理,IO 设备模拟管理(包括中断控制器和 bus 数据结构中管理各类仿真设备,例如 virtio 设备,serial 设备等),如下图右侧所示:

StratoVirt:下一代轻量级虚拟化VMM-开源基础软件社区x86_64 和 aarch64 下的标准机型分别为 q35 和 virt,可以通过 libvirt 来进行生命周期等标准虚拟机管理。标准机型的系统总线下拥有 PCIe 主桥,下面可以挂接 virtio-pci 设备,支持 VFIO 设备直通。此外,标准机型支持构建 ACPI 表,不仅可以提供 UEFI 的标准启动能力,还可以在未来提供设备热插拔、虚拟机更完善的生命周期管理能力。

StratoVirt:下一代轻量级虚拟化VMM-开源基础软件社区首先,我们先看一下 address_space 地址空间模拟实现功能:

StratoVirt:下一代轻量级虚拟化VMM-开源基础软件社区◆ 内存地址空间通过 Region 组成树形层次关系,支持地址堆叠和优化级。
◆ 通过快速映射算法形成扁平地址空间(Flat View)。
◆ 通过设置 Listener 监听地址空间变化,执行相关回调函数。
其次,我们再看一下 CPU 模拟实现功能:

StratoVirt:下一代轻量级虚拟化VMM-开源基础软件社区◆ 基于 KVM 暴露接口实现虚拟 CPU 的硬件加速。
◆ 通过 ArchCPU 结构隐藏体系架构(aarch64 和 x86_64)差异,具体实现位于体系架构相关目录中。
◆ Arc 反向索引该 CPU 所属的 LightMachine 虚拟机对象,使得后续在虚拟机内扩展设备时,CPU 可访问该对象。

最后,我们再看一下 IO 设备模拟功能:

轻量化虚拟机的主要设备均通过 VirtioMMIO 协议实现,统一通过 VirtioMmioDevice 数据结构来模拟。

StratoVirt:下一代轻量级虚拟化VMM-开源基础软件社区在 IO 设备初始化阶段,通过 VirtioMMIO 协议协商前后端都可以访问的 virtio queue、中断事件以及通知事件等等。当前端 VM 有 IO 请求时,将请求数据写入 virtio queue 中,通过通知事件告知后端 StratoVirt;后端监听通知事件发生时,读取 virtio queue 中的请求数据,根据请求数据进行 IO 处理,IO 请求处理完成后,并以中断事件方式通知前端 VM。

StratoVirt:下一代轻量级虚拟化VMM-开源基础软件社区virtio 设备同样也支持挂到 PCI 总线上,因此在拥有 PCIe 主桥的标准机型下支持为虚拟机添加 virtio-pci 设备。virtio-pci 设备同样遵循上图的 I/O 下发流程,只是传输层协议从 mmio 变成了 PCI。
 

StratoVirt 未来
StratoVirt 的发展路标为,通过一套代码架构分别提供轻量以及标准机型,支持 serverless、安全容器、标准虚机等多种应用场景:

◆ 轻量虚拟机模式下,单虚机内存底噪小于 4MB,启动时间小于 50ms,且支持 ms 级时延的设备极速伸缩能力,当前已经开发完毕,2020 年 9 月已经在 openEuler 社区开源;
◆ 标准虚拟机模式下,可支持完整的机器模型,启动标准内核镜像,可以达成 Qemu 的能力,同时在代码规模和安全性上有较大优势。

 

 

 

 

文章转载自公众号:openEuler
 
 

已于2022-8-3 18:11:54修改
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