CN101426027A - 面向分布式虚拟机监控器的底层通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种面向分布式虚拟机监控器的底层通信方法，它通过设计和实现分层协议栈-即可靠传输层、地址转换层、MAC层，来实现多个节点之间虚拟机监控器(VMM)的通信和内存空间共享，为分布式虚拟机监控器系统(DVMM)中其它功能的实现提供通信支持，进而实现整个分布式虚拟机监控器系统(DVMM)系统工作的可靠性和稳定性。该方法构思巧妙、科学合理，具有广阔地推广价值和应用前景。
Description
(一)技术领域：
本发明涉及一种计算机的通信方法，特别是涉及一种面向分布式虚拟机监控器的底层通信方法，属于计算机技术领域。
(二)背景技术：
1、虚拟化技术
虚拟化是一个广义的术语，在计算机方面通常是指计算和处理在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行。虚拟化技术是指对物理资源进行抽象的技术。通过虚拟化技术可以在硬件和操作系统之间构建一个虚拟平台，实现在同一个硬件平台上构建相互隔离的多个运行域，每一个运行域中都可以分别运行自己的操作系统和应用软件。
当今的虚拟化技术研究的重点是基于ISA(Instruction set architecture，指令集系统结构)虚拟化构建虚拟机监视器(VMM)。按照实现方式不同可以分为全虚拟化技术和半虚拟化技术，全虚拟化是完全模拟客户软件运行所需要的硬件环境，客户操作系统和应用软件可以不经修改地运行在虚拟环境中；半虚拟化是为客户软件模拟一个和物理环境不完全相同的虚拟硬件环境，需要修改客户操作系统，使之与VMM相互协作，共同完成执行客户软件的任务。
当前虚拟化技术研究主要集中于服务器虚拟化(Server Virtualization)。服务器虚拟化主要是解决服务器系统的整体效能及资源利用率问题。目前，服务器虚拟化研究的热点是位于操作系统之下监控器层面的虚拟化技术Virtual MachineMonitor(简称VMM，也称Hypervisor)。虚拟技术可在硬件和操作系统之间构建一个虚拟平台，实现一个硬件平台上构建相互隔离的运行域，每一个运行域中都可以分别运行自己的操作系统和应用软件。
分布式VMM系统是指在不同的物理机器上分别运行一个VMM，各个VMM之间可以相互通信，从而组成一个分布式VMM系统，如图1所示。通过分布式VMM系统可以将多台物理机的资源进行统一管理，为上层的操作系统提供更多的硬件资源，从而实现高性能的目的。
2、计算机通信
计算机之间的网络通信一般都是通过协议栈的方式来实现。所谓协议栈是指在网络中，为了完成通信，必须使用多种协议，每种协议完成特定的功能，这些协议按照层次顺序组合在一起，构成了协议栈(Protocol Stack)，也称为协议族(Protocol Suite)。在当前的计算机网络通信中，主要的协议栈参考模型有OSI模型和TCP/IP模型两种。
图2是两个参考模型的对比图，左侧是OSI(Open System Interconnect)开放式系统互联，一般都叫OSI参考模型，是ISO(国际标准化组织)组织在1985年研究的网络互联模型。最早的时候网络刚刚出现的时候，很多大型的公司都拥有了网络技术，公司
部计算机可以相互连接。可以却不能与其它公司连接。因为没有一个统一的规范。计算机之间相互传输的信息对方不能理解。所以不能互联。ISO为了更好的使网络应用更为普及，就推出了OSI参考模型。其含义就是推荐所有公司使用这个规范来控制网络。这样所有公司都有相同的规范，就能互联了。
TCP/IP协议(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)是1969年在美国的ARPANet网上开始研制的，最初的目的是分组交换。TCP/IP协议历经三十多年发展，逐渐得以完善、成熟，并成为网络市场中事实上的网络通信协议标准。
TCP/IP协议能够如此流行，在于它具备如下三个特点：
1)、TCP/IP协议并不依赖于特定的网络传输硬件，所以TCP/IP协议能够集成各种各样的网络。用户能够使用以太网(Ethernet)、令牌环网(Token RingNetwork)、拨号线路(Dial-up line)、X.25网以及所有的网络传输硬件。
2)、TCP/IP协议不依赖于任何特定的计算机硬件或操作系统，提供开放的协议标准，即使不考虑Internet，TCP/IP协议也获得了广泛的支持。所以TCP/IP协议成为一种联合各种硬件和软件的实用系统。
3)、TCP/IP工作站和网络使用统一的全球范围寻址系统，在世界范围内给每个TCP/IP网络指定唯一的地址。这样就使得无论用户的物理地址在哪儿，任何其他用户都能访问该用户。
两种参考模型有很多共同点，都是以协议栈的概念为基础，并且协议栈中的协议彼此相互独立。而且，两个模型中各个层的功能也大体相似。例如，在两个模型中，传输层以及传输层以上的各层都为希望进行通信的进程提供了一种端到端的、与网络无关的服务。这些层形成了传输提供方。另外，在在这两个模型中，传输层之上的各层也都是传输服务的用户，并且是面向应用的用户。
正因为TCP/IP协议具有通用性，所以其实现的复杂程度也很高，不适合当作专用协议来使用。并且TCP/IP协议需要操作系统内核的支持，不可以独立运行。本发明涉及的分布式VMM系统是直接运行在硬件之上的，没有操作系统的支持，因此TCP/IP协议不适合用在分布式VMM系统中。
3、几种典型的机群通信
VMMC是一种基于虚拟内存映射的通信机制，它支持从发送方虚拟内存到接收方虚拟内存的数据直接传送。在VMMC中，传统的消息发送原语被分解成两个：映射原语和发送原语。VMMC首先通过映射原语在源和目的虚拟内存地址空间之间建立起映射关系，即将接收方的一块虚拟地址空间映射至发送方同样大小的一块虚拟地址空间上。一旦建立起了这种映射关系，发送和接收进程就可以利用映射好的虚拟内存作为发送和接收的缓冲区，在没有核心介入的情况下，进行多次的数据发送和接收。为了提供必要的保护机制和支持DMA传送方式，映射原语实现于系统核心；而发送原语则实现于用户级，以提高通信效率。在这种映射机制下，接收方不需要显式的接收原语。
然而，VMMC也存在着一些不足之处：一是建立和维护虚拟内存映射的开销比较大，在映射好的内存不能被多次重用的情况下，通信性能将不太理想；二是VMMC的实现需要操作系统内核的支持，不能用在分布式VMM系统中。
Active Message是一种异步通信机制，它采用了与传统的通信机制完全不同的设计思路，更直接地使用通信硬件提供的功能。它的基本设计思想就是让消息的发送方预先指定好接收方用于处理该消息的函数，消息到达接收方时，这个预先指定的函数被调用，来处理到达的消息。Active Message这种简单得几乎没有任何协议的异步通信机制，更接近于硬件的异步通信过程，因而能够更加有效地发挥通信硬件的性能。与传统的Send/Receive通信机制相比，Active Message在实现上的最大改进在于它不需要任何缓存，这使得Active Message非常自然地避免了传统通信机制存在的由于复杂的缓冲区管理、慢速的内存数据拷贝和流量控制造成的大量软件开销。并且Active Message是一种异步通信机制，消息的发送方预先指定好了接收方用于处理该消息的函数，因此也没有程序运行时消息发送操作和接收操作时间上的不匹配问题。
Active Message之所以不能用于分布式VMM系统，也是由于这种机制需要操作系统内核提供支持，这是分布式VMM系统不能满足的。
Fast Sockets是由美国California大学Berkeley分校的Culler教授等于1996年开发的一种面向局域网的通信软件，它采用新的高效通信协议在用户空间实现了一般UNIX操作系统均提供的Berkeley Sockets API。该项工作试图通过修改现有的网络通信协议(TCP/IP)，使得通信过程中软件开销最小，同时又能保持Fast Sockets与现有应用程序以及广域网通信协议的兼容性。Fast Sockets目前已在HP/UX和Solaris两种平台上实现。其中HP/UX平台由两台99MHzHP735通过FDDI网络连接而成，使用Medusa网络接口卡。
但是目前Fast Sockets的实现和使用还有一定的限制，如在实现上要求目标平台提供GAM界面，也是在有操作系统的情况下才可以正常工作，因此也不能满足分布式VMM系统对通信的需求。
综上所述，现有的一些通信系统和通信机制不能满足分布式VMM系统对通信的需求，这就需要设计一种针对分布式VMM系统特点的通信协议栈层次结构，为系统中其他功能的实现提供通信支持。
(三)发明内容：
1 目的
本发明的目的是提供一种面向分布式虚拟机监控器的底层通信方法，它能为VMM提供一种专用和高效的通信方式，实现多个节点之间VMM的通信和内存空间共享，虚拟IO可以利用通信实现跨节点的IO操作。底层通信软件能为分布式VMM系统提供正确、有序和高效的通信，实现整个分布式VMM系统中其他功能的实现提供通信支持，进而实现整个分布式VMM系统工作的可靠性和稳定性。
2 通信功能和分布式VMM系统的关系
本发明所述的面向分布式VMM的底层通信方法是整个分布式VMM系统的一部分，是为整个分布式VMM系统中其他功能提供通信支持的基础功能模块。
2.1通信软件在分布式VMM系统中的地位
图1是DVMM(Distribute Virtual Machine Monitor，分布式VMM)系统的结构图。从中可以看出，通信模块是整个系统的基础模块，为DVMM中其他的各个模块提供通信支持。其他的各个模块通过通信实现跨节点资源的整合，达到集群的目的。从而可以为上层的操作系统提供更多的硬件资源。由于其他的各个功能模块都需要用到通信，所以通信模块在DVMM中占有重要的地位，是实现其他功能的基础。通信性能的好坏也在一定程度上限制了整个DVMM系统的性能。
2.2 通信软件
2.2.1 通信模块概述：
在整个DVMM系统中，通信模块起着非常重要的作用。整个DVMM系统是通过通信把分布的各个节点组合起来，实现提供高性能服务的目的。系统中其他功能模块的初始化和功能的实现都依赖于各个节点之间的通信。
2.2.2 通信对象：
这里所说的通信是指DVMM之间的跨节点通信，直接作用在硬件之上。通信模块是作为整个DVMM系统的一部分而存在的，是为DVMM系统中其他有关模块服务的。这里的通信不涉及到客户操作系统，对GOS来说，通信模块是透明的。另外，通信限制在局域网之内的，不涉及到与Internet网的通信。
2.2.3 目标：
通信模块的主要目标是实现多个节点之间DVMM的通信，把各个节点有效地整合在一起，形成一个统一的整体。为其他功能的实现提供基础保障，从而为GOS(Guest Operation System)呈现出一个功能强大的平台和资源。为了使整个系统具有较高的性能和稳定性，要求通信模块能提供正确、有序和高效的通信。
2.2.4 功能：
所设计的通信模块的功能主要是实现DVMM之间的通信，为各物理机器之间资源的感知与整合提供通信基础；使各物理机器的内存能够统一编址，实现单一存储空间，跨节点的各处理器之间能够相互通信、协调，进而实现单一进程空间和单一系统映像；同时也使跨节点操纵外设成为可能。
3 设计方案
在充分分析DVMM系统的通信特点的基础上，本发明一种面向DVMM的底层通信方法，是通过下列技术方案来实现的：
3.1 DVMM的通信需求分析
本发明设计的通信软件作为DVMM的一部分，其通信服务的对象是分布于不同物理机上的VMM，因此，要充分考虑DVMM对通信的需求及其通信的特殊性。通过分析DVMM其他功能模块的需求，可知涉及到跨节点的通信种类主要有以下几种：
1)IPI，每次传输一个寄存器的内容。
2)远程设备访问，每次传输IOREQ和控制信息，不超过100字节。
3)DSM，每次通信的数据量是一页。
4)远程I/O操作，每次传输一个指令。
根据以上通信种类及DVMM的实现方式，可知DVMM在通信时主要有以下特点：
1)通信只发生在局域网内部。
2)每次通信的最大数据量是一页大小的数据，即4k。
3)要求可靠通信。
4)要求通信延迟低。
总之，DVMM系统要求可靠、高效的底层通信，为DVMM系统中其他功能的实现提供基础支持。
3.2 通信协议栈层次结构
DVMM系统中的通信采用软件实现，不需要专用硬件配合。由于DVMM系统对通信软件要求可靠、高效及对数据处理及时，故将协议设计成专用协议栈，以达到高效的目的。同时，要求协议栈层次清晰，每层的功能简单、高效。
图4是从通信系统的角度来看通信软件的设计。从图中可以看出通信软件从上到下主要包括以下几层：可靠传输协议层、地址转换层和网卡驱动层，这是一个全新的协议栈层次结构。并且本发明的协议栈是直接运行在硬件之上、操作系统之下的，没有操作系统为协议提供系统支持，这就决定了实现该协议栈的难度非常大。VMM应用协议是由DVMM系统中的其他各个功能模块负责实现。通信的最下层是网卡和千兆以太网等硬件。本发明所涉及的是中间的三层协议所组成的协议栈。
各层的功能：
(1)可靠传输层
DVMM系统中的通信要求必须是可靠通信，所谓可靠通信是指通信的一方向另一方发送数据时，必须保证数据能正确的送达到对方。可靠传输层的作用既是保证数据传输过程中的可靠性。
在实现可靠传输层时我们采用了可靠数据协议(Reliable Data Protocol，RDP)。RDP协议是RFC908和RFC1151文档中说明的标准网络协议。通过独立编码实现RFC908和RFC1151中所介绍的RDP协议的方式实现协议栈的可靠传输层。通过RDP协议可以保证数据传输的可靠性。RDP协议的工作原理和TCP有些类似，是通过序列号确认及超时重传机制来实现数据的可靠传输。RDP和TCP的做主要区别是RDP协议是面向消息流的，而TCP协议是面向字节流的。即RDP协议序列号是都是以数据包为单位的，而TCP的序列号是以一个字节为单位的。之所以选择RDP协议是因为DVMM系统中通信的特点决定的：在DVMM系统中，每次的通信的数据量都比较小，以数据包的方式传输可以实现数据发送的高效性。
本发明是在没有操作系统的情况下实现RDP协议的，这是与其他实现方式不同。
(2)地址转换层
为了保持socket接口向上的兼容性，应用层socket网络编程仍然使用IP地址编程。但是论文设计的协议栈中没有IP层，没有采用IP地址寻址的方式。因此，需要将IP地址转换为MAC地址。通过MAC地址寻址的方式实现通信。
由于在协议栈中没有使用IP地址进行寻址，而是使用MAC地址进行寻址，因此需要将用户层传递下来的IP地址转换为MAC地址。同时负责维护和更新IP地址到MAC地址的转换表。
地址转换层在收到上层传递下来的IP地址时会查找地址转换表，如果有该IP地址对应的MAC地址，就将该MAC地址加入到数据包的MAC头部中；如果没有找到对应MAC地址，就调用ARP协议，利用ARP协议的寻址功能找到该IP对应的MAC地址，将其加入到MAC头部中，并将该IP地址和对应的MAC地址保存到地址转换表中，以备下次使用。
(4)MAC层
该层的作用主要是组织和维护IP到MAC的转换表，同时将上层找到的MAC地址保存到sock结构中，这样网卡驱动就可以根据MAC地址将数据包发送出去。
在调用驱动层的发送接口函数之前，应将网卡驱动用到的控制信息保存到sock结构中，并且完成为数据包添加MAC头部等工作。在协议栈初始化时，应首先向设备抽象层注册一个接收处理函数。当网卡收到数据包后就调用该接口函数将数据递交给上层的协议。该接口函数会先检测收到的数据包是不是发给本机的，如果不是就直接丢弃；如果数据包是发给本机的，再调用有关的函数对数据做进一步处理。
3.3 通信软件的特点
整个分布式VMM系统是直接运行在物理硬件之上的，负责管理和整合硬件资源，为运行在上层的操作系统服务。通信功能作为分布VMM系统的一部分，为实现整个分布式VMM系统的其他功能服务。因此，需要在硬件层之上实现分布式VMM系统的通信功能，即在没有操作系统支持的情况下实现分布式VMM的通信功能。
针对分布式VMM系统对通信的特殊需求，同时考虑通信协议的专用性，在设计通信的协议栈时减少了协议的层次。一般通信协议都包含四层，本发明的通信协议只包含三层，即可靠传输层、地址转换层和MAC层。
综上所述，本发明是一种面向分布式虚拟机监控器的底层通信方法，它是由以下技术方案实现的，其具体步骤为：
步骤一：设计分层协议栈，即可靠传输层、地址转换层和MAC层，分别实现每层协议。
步骤二：可靠传输层的实现方法：
通过对现有的RDP(Reliable Data Protocol)协议进行精简，实现了一个名为RRDP(Reduced Reliable Data Protocol)协议，由该协议保证DVMM系统通信的可靠性和有序性。
1、当上层用户发送数据时，可靠传输层根据数据的大小申请一块内存区域，将用户数据打包成一个数据包存放在该内存区域。
2、创建一个名为rdphdr的数据结构，保存通信连接的控制信息，如IP地址、数据大小等有关信息，并将该信息放在数据包的头部，作为该数据包的控制信息。
3、然后将加上本层头部的数据包一起交给下层协议处理。
4、当该层接收到数据包时，根据RRDP头部的信息，将数据包交给上层的用户。
步骤三：地址转换层的实现方法：
1、在该层中有一张从IP地址到MAC地址的对应地址转化表；
2、从可靠传输层传下来的数据包中的头部中包含IP地址；
3、地址转换层在收到上层传递下来的IP地址时会查找地址转换表，如果有该IP地址对应的MAC地址，就将该MAC地址保存到sock结构中；如果没有找到对应MAC地址，就调用ARP协议，利用ARP协议的寻址功能找到该IP对应的MAC地址，并将该MAC地址保存到sock中，同时将该IP地址和对应的MAC地址保存到地址转换表中，以备下次查找使用。
步骤四：MAC层的实现方法：
1、地址转化层会将根据IP地址找到的MAC地址保存在sock结构中；
2、该层生成一个名为machdr的数据结构，保存MAC地址等信息；
3、将该结构添加到数据包的头部，然后发给下层的驱动程序；
4、当收到数据包时，MAC层去掉MAC头部，然后根据MAC头部中包含的信息将数据包交给RRDP协议处理。
三、优点及效果：
本发明提供了一种面向分布式虚拟机监控器的底层通信方法，它能为VMM提供一种专用和高效的通信方式，实现多个节点之间VMM的通信和内存空间共享，为分布式DVMM系统中其它功能的实现提供通信支持，进而实现整个分布式DVMM系统工作的可靠性和稳定性。该方法构思巧妙、科学合理，具有广阔地推广价值和应用前景。
4 附图说明：
图1 分布式虚拟机监视器结构示意图
图2 TCP/IP参考模型与OSI参考模型比较示意图
图3 通信在分布式VMM系统中的位置和作用示意图
图4 本发明的通信协议层次结构图示意图
5 具体实施方式：
见图1、图2、图3、图4所示，具体实施步骤如下：
步骤一：设计分层协议栈，即可靠传输层、地址转换层和MAC层，分别实现每层协议。
步骤二：可靠传输层的实现方法：
通过对现有的RDP(Reliable Data Protocol)协议进行精简，实现了一个名为RRDP(Reduced Reliable Data Protocol)协议，由该协议保证DVMM系统通信的可靠性和有序性。
1、当上层用户发送数据时，可靠传输层根据数据的大小申请一块内存区域，将用户数据打包成一个数据包存放在该内存区域。
2、创建一个名为rdphdr的数据结构，保存通信连接的控制信息，如IP地址、数据大小等有关信息，并将该信息放在数据包的头部，作为该数据包的控制信息。
3、然后将加上本层头部的数据包一起交给下层协议处理。
4、当该层接收到数据包时，根据RRDP头部的信息，将数据包交给上层的用户。
步骤三：地址转换层的实现方法：
1、在该层中有一张从IP地址到MAC地址的对应地址转化表；
2、从可靠传输层传下来的数据包中的头部中包含IP地址；
3、地址转换层在收到上层传递下来的IP地址时会查找地址转换表，如果有该IP地址对应的MAC地址，就将该MAC地址保存到sock结构中；如果没有找到对应MAC地址，就调用ARP协议，利用ARP协议的寻址功能找到该IP对应的MAC地址，并将该MAC地址保存到sock中，同时将该IP地址和对应的MAC地址保存到地址转换表中，以备下次查找使用。
步骤四：MAC层的实现方法：
1、地址转化层会将根据IP地址找到的MAC地址保存在sock结构中；
2、该层生成一个名为machdr的数据结构，保存MAC地址等信息；
3、将该结构添加到数据包的头部，然后发给下层的驱动程序；
4、当收到数据包时，MAC层去掉MAC头部，然后根据MAC头部中包含的信息将数据包交给RRDP协议处理。
Claims (1)
1.一种面向分布式虚拟机监控器的底层通信方法，其特征在于：该方法步骤如下步骤一：设计分层协议栈，即可靠传输层、地址转换层和MAC层，分别实现每层协议；
步骤二：可靠传输层的实现方法：
通过对现有的RDP(Reliable Data Protocol)协议进行精简，实现了一个名为RRDP(Reduced Reliable Data Protocol)协议，由该协议保证分布式虚拟机监控器系统即DVMM系统通信的可靠性和有序性；
(1)当上层用户发送数据时，可靠传输层根据数据的大小申请一块内存区域，将用户数据打包成一个数据包存放在该内存区域；
(2)创建一个名为rdphdr的数据结构，保存通信连接的控制信息，如IP地址、数据大小等有关信息，并将该信息放在数据包的头部，作为该数据包的控制信息；
(3)然后将加上本层头部的数据包一起交给下层协议处理；
(4)当该层接收到数据包时，根据RRDP头部的信息，将数据包交给上层的用户；
步骤三：地址转换层的实现方法：
(1)在该层中有一张从IP地址到MAC地址的对应地址转化表；
(2)从可靠传输层传下来的数据包中的头部中包含IP地址；
(3)地址转换层在收到上层传递下来的IP地址时会查找地址转换表，如果有该IP地址对应的MAC地址，就将该MAC地址保存到sock结构中；如果没有找到对应MAC地址，就调用ARP协议，利用ARP协议的寻址功能找到该IP对应的MAC地址，并将该MAC地址保存到sock中，同时将该IP地址和对应的MAC地址保存到地址转换表中，以备下次查找使用；
步骤四：MAC层的实现方法：
(1)地址转化层会将根据IP地址找到的MAC地址保存在sock结构中；
(2)该层生成一个名为machdr的数据结构，保存MAC地址等信息；
(3)将该结构添加到数据包的头部，然后发给下层的驱动程序；
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