TWI501102B - 虛擬時間控制裝置、方法及電腦程式產品 - Google Patents

Description

虛擬時間控制裝置、方法及電腦程式產品

本發明係關於一種虛擬時間控制裝置、方法及電腦程式產品；更具體而言，本發明係關於一種利用一系統計時器及一即時時鐘之虛擬時間控制裝置、方法及電腦程式產品。

對於資訊產業人員而言，不論在開發應用軟體的過程、提供軟體資訊服務或其他軟體運作，執行於硬體上的作業系統(operating system)所使用的實際時間往往扮演關鍵的角色。

舉例而言，軟體業者在開發應用軟體的過程，通常需要對該應用軟體進行各種不同的測試，在確定該應用軟體能正常運作後，才會推出上市。然而，某些應用軟體需要較長的測試時間，其潛在的問題才會出現。特別是當應用軟體為防毒軟體時，軟體業者必需對該防毒軟體進行各種不同的測試，以確保該防毒軟體能排除各種不同惡意軟體的攻擊。不過，某些潛伏型的惡意軟體的發作時間較長，因此必需拉長測試時間。對於軟體業者而言，當測試時間拉長時，其營運成本也就隨之增加。因此，若能使測試環境的時間加速，便能縮短實際的測試時間，進而降低營運成本。再舉例而言，雲端服務業者所提供的雲端平台遭逢受控制的惡意虛擬主機 攻擊時，若能使該主機的系統時間減緩變慢，則能降低被攻擊所造成的傷害。

第1圖係描繪習知的作業系統10所使用的實際時間的示意圖。傳統電腦系統1包含一系統計時器(system timer)11、一即時時鐘(real time clock)13及一處理單元15，且處理單元15上執行作業系統10。當作業系統10被啟動時，會傳送一請求訊號100至即時時鐘13。即時時鐘13因應此請求訊號100，會傳送一即時時間(real time)102至作業系統10。作業系統10便以此即時時間作為其牆上時間(wall time)。之後，系統計時器11會週期性地(例如：每秒)提供一計時觸發訊號104予作業系統10，使作業系統10更新其運行時間。作業系統10便是將牆上時間及運行時間相加作為其所使用的實際時間。

如前所述，執行於硬體上的作業系統所使用的實際時間往往扮演關鍵的角色。對於不同領域的資訊產業人員而言，有些希望能加速作業系統的實際時間，有些則希望能將之放慢。

為了滿足前述需求，有兩類修改作業系統所使用的各類時間的習知技術因而衍生。第一類技術是修改作業系統核心內部與時間相關的參數，但此類技術必須針對不同的作業系統一一修改，極為不便。再者，對於某些無法取得原始碼之作業系統(例如：Windows)而言，則無解決之道。第二類技術則是採用作業系統函式攔截(API hooking)機制，再改變傳入這些函式的時間參數。採取此類技術需要事先取得所有與時間相關之函式。然而，倘若有函式被加以修改、隱藏或未開放修改權限，則會有修改不全的問題衍生。

有鑑於此，本領域仍亟需一種不需改變作業系統核心，不需攔截系統函式呼叫，且適用於不同作業系統之系統時間控制機制。

為解決習知技術的問題，本發明提供一種虛擬時間控制裝置、方法及電腦程式產品。

本發明所提供之虛擬時間控制裝置包含一系統計時器(system timer)、一即時時鐘(real time clock)及一處理單元，其中該處理單元電性連接至該系統計時器及該即時時鐘。該系統計時器具有一原始計時週期，且該即時時鐘具有一原始對時訊號週期。該處理單元執行一虛擬平台(hypervisor)。該虛擬平台依據一調整比例及該原始計時週期，產生一虛擬計時週期，且依據該調整比例及該原始對時訊號週期，產生一虛擬對時訊號週期。

本發明所提供之虛擬時間控制方法適用於一虛擬平台，且該虛擬平台係執行於一處理單元。該虛擬時間控制方法包含下列步驟：依據一調整比例及一系統計時器之一原始計時週期，產生一虛擬計時週期，以及依據該調整比例及一即時時鐘之一原始對時訊號週期，產生一虛擬對時訊號週期。

本發明所提供之電腦程式產品包含複數個程式指令。經由一處理單元所執行之一虛擬平台載入該電腦程式產品後，該虛擬平台執行該等程式指令，以使該處理單元執行一虛擬時間控制方法，該等程式指令包含程式指令A及程式指令B。該虛擬平台執行程式指令A以依據一調整比例及一系統計時器之一原始計時週期，產生一虛擬計時週期。該虛擬平台執 行程式指令B以依據該調整比例及一即時時鐘之一原始對時訊號週期，產生一虛擬對時訊號週期。

本發明是由虛擬平台依據調整比例將系統計時器之原始計時週期調整為虛擬計時週期，且依據調整比例將原始對時訊號週期調整為虛擬對時訊號週期。當此處理單元亦執行一作業系統時，虛擬平台會進一步地依據即時時鐘之一原始即時時間及虛擬對時訊號週期產生一虛擬即時時間予作業系統。此外，虛擬平台亦會依據虛擬計時週期，週期性地傳送一觸發訊號予作業系統。透過此種方式，作業系統便可以虛擬即時時間作為其牆上時間，並利用觸發訊號更新其運行時間，再將牆上時間及運行時間相加作為其所使用的實際時間。

由於本發明係由執行於處理單元之虛擬平台來產生虛擬計時週期、虛擬對時訊號週期、虛擬即時時間及觸發訊號，因此不需改變作業系統核心，不需攔截系統函式呼叫，且適用於不同作業系統之時間控制機制。

1‧‧‧傳統電腦系統

10‧‧‧作業系統

11‧‧‧系統計時器

13‧‧‧即時時鐘

15‧‧‧處理單元

100‧‧‧請求訊號

102‧‧‧即時時間

104‧‧‧計時觸發訊號

2‧‧‧虛擬時間控制裝置

21‧‧‧系統計時器

22‧‧‧虛擬平台

23‧‧‧即時時鐘

25‧‧‧處理單元

200‧‧‧原始計時週期

202‧‧‧原始對時訊號週期

3‧‧‧虛擬時間控制裝置

32‧‧‧虛擬平台

34‧‧‧作業系統

35‧‧‧處理單元

306‧‧‧虛擬即時時間

308‧‧‧觸發訊號

S401~S409‧‧‧步驟

第1圖係描繪習知的作業系統所使用的實際時間的示意圖；第2圖係描繪第一實施例之虛擬時間控制裝置；第3圖係描繪第二實施例之虛擬時間控制裝置；第4圖係描繪第三實施例之虛擬時間控制方法之流程圖；以及第5圖係顯示監控相同數量之系統呼叫所需花費時間之實驗數據。

以下將透過實施例來解釋本發明所提供之虛擬時間控制裝置、虛擬時間控制方法及電腦程式產品。然而，本發明的實施例並非用以限制本發明須在如實施例所述之任何環境、應用或方式方能實施。因此，關於實施例之說明僅為闡釋本發明之目的，而非用以直接限制本發明。須說明者，以下實施例及圖式中，與本發明非直接相關之元件已省略而未繪示。

本發明之第一實施例為一虛擬時間控制裝置2，其示意圖請參第2圖。虛擬時間控制裝置2包含一系統計時器(system timer)21、一即時時鐘(real time clock)23及一處理單元25，且處理單元25電性連接至系統計時器21及即時時鐘23。處理單元25上執行一虛擬平台(hypervisor)22，此虛擬平台22可視為由軟體實現之虛擬硬體。

處理單元25可為本發明所屬技術領域中具有通常知識者所熟知之各種處理器、中央處理裝置(central processing unit)、微處理器或其他計算裝置中之任一種。再者，關於系統計時器21與即時時鐘23所具有之功能及所能進行之運作，本發明所屬技術領域中具有通常知識者應已熟知，故不贅言。

本實施例中，系統計時器21具有一原始計時週期200，且即時時鐘23具有一原始對時訊號週期202。系統計時器21會提供原始計時週期200予虛擬平台22，且即時時鐘23會提供原始對時訊號週期202予虛擬平台22。虛擬平台22依據一調整比例(未繪示)及原始計時週期200，產生一虛擬計時週期(未繪示)，且依據相同的調整比例及該原始對時訊號週期，產 生一虛擬對時訊號週期(未繪示)。

舉例而言，調整比例可為一正數，虛擬平台22可藉由將原始計時週期200除以調整比例以產生虛擬計時週期，且藉由將原始對時訊號週期202除以調整比例以產生虛擬對時訊號週期。當調整比例大於一時，代表虛擬平台22所能提供之運作頻率較系統計時器21及即時時鐘23之運作頻率為快。當調整比例小於一時，代表虛擬平台22所能提供之運作頻率較系統計時器21及即時時鐘23之運作頻率為慢。

之後，虛擬平台22便可依據虛擬計時週期及虛擬對時訊號週期產生相關的時間資訊，並將之提供給需要時間資訊的軟體或硬體。透過此種方式，第一實施例所揭露之技術不需改變作業系統核心且不需攔截系統函式呼叫，便能達到調整時間資訊之目的，且此技術適用於各種作業系統。

本發明之第二實施例為一虛擬時間控制裝置3，其示意圖請參第3圖。虛擬時間控制裝置3包含系統計時器21、即時時鐘23及處理單元35，且處理單元35電性連接至系統計時器21及即時時鐘23。虛擬時間控制裝置3所包含之系統計時器21及即時時鐘23與虛擬時間控制裝置2所包含者相同。處理單元35則執行有一虛擬平台32及一作業系統34，其中虛擬平台32可視為由軟體實現之虛擬硬體。同樣的，處理單元35可為本發明所屬技術領域中具有通常知識者所熟知之各種處理器、中央處理裝置、微處理器或其他計算裝置中之任一種。

與第一實施例相同，虛擬平台32依據一調整比例(未繪示)及系統計時器21所具有之原始計時週期200，產生一虛擬計時週期(未繪 示)。虛擬平台32另依據同樣的調整比例與即時時鐘23所具有之原始對時訊號週期202，產生一虛擬對時訊號週期(未繪示)。

本實施例中，虛擬平台32會產生虛擬即時時鐘，並根據虛擬即時時鐘及虛擬對時訊號週期產生一虛擬即時時間306。之後，虛擬平台32提供虛擬即時時間306予作業系統34，且依據虛擬計時週期，週期性地傳送一觸發訊號308予作業系統34，觸發訊號308可以是觸發進行虛擬計時的觸發訊號或者其他觸發訊號。

之後，作業系統34以虛擬即時時間306作為其牆上時間，利用觸發訊號308更新其運行時間，再將牆上時間及運行時間相加作為其所使用的實際時間。再者，作業系統34所使用之時間戳記計數器(Time Stamp Counter；TSC)、可程式間隔計時器(Programmable Interval Timer；PIT)、高級可程式中斷控制器(Advanced Programmable Interrupt Controller；APIC)亦將利用新的運行時間及虛擬即時時間306加以調整。

由上述說明可知，本實施例由虛擬平台32先產生虛擬計時週期及虛擬對時訊號週期，再依據虛擬即時時鐘及虛擬對時訊號週期產生一虛擬即時時間306予作業系統34，且依據虛擬計時週期，週期性地傳送一觸發訊號308予作業系統34。透過此種機制，作業系統34所使用之實際時間是根據虛擬平台32所提供之虛擬即時時間306及觸發訊號308所產生。因此，針對不同的應用領域，資訊產業人員可藉由設定虛擬平台32所使用之調整比例，達到加速或減緩作業系統的實際時間的目的。此種技術不需改變作業系統核心且不需攔截系統函式呼叫，便能達到調整時間資訊之目的，且此技術適用於各種作業系統。

本發明之第三實施例為一種虛擬時間控制方法，其流程圖係描繪於第4圖。此虛擬時間控制方法由一虛擬平台所執行，且此虛擬平台係執行於一處理單元，例如前述之處理單元25、35。此虛擬時間控制方法可應用於測試一待測軟體時。

首先，此虛擬時間控制方法執行步驟S401，由虛擬平台依據一調整比例及一系統計時器之一原始計時週期，產生一虛擬計時週期。接著，執行步驟S403，由虛擬平台依據該調整比例及一即時時鐘之一原始對時訊號週期，產生一虛擬對時訊號週期。須說明者，步驟S401及步驟S403之執行順序可加以對調，亦可同時執行。

舉例而言，調整比例可為一正數，步驟S401可藉由將原始計時週期除以調整比例以產生虛擬計時週期，且步驟S403可藉由將原始對時訊號週期除以調整比例以產生虛擬對時訊號週期。當調整比例大於一時，代表虛擬平台所能提供之運作頻率較系統計時器及即時時鐘之運作頻率為快。當調整比例小於一時，代表虛擬平台所能提供之運作頻率較系統計時器及即時時鐘之運作頻率為慢。

接著，執行步驟S405，由虛擬平台產生一虛擬即時時鐘，並根據該虛擬即時時鐘及該虛擬對時訊號週期產生一虛擬即時時間。之後，於步驟S407，由虛擬平台提供該虛擬即時時間予一作業系統，此作業系統可執行於同一處理單元或不同的處理單元。之後，於步驟S409，由虛擬平台依據該虛擬計時週期，週期性地產生一觸發訊號予該作業系統。

透過前述步驟，作業系統便會以虛擬即時時間作為其牆上時間，且利用觸發訊號更新其運行時間，再將牆上時間及運行時間相加作為 其所使用的實際時間。

除了前述之步驟外，第三實施例亦能執行第一及第二實施例之所有運作及功能。所屬技術領域具有通常知識者可直接瞭解第三實施例如何基於上述第一及第二實施例以執行此等操作及功能，故不贅述。

再者，第三實施例所描述之虛擬時間控制方法可由一電腦程式產品加以實現。當一處理單元載入此電腦程式產品，並執行此電腦程式產品所包含之複數個指令後，即可完成第三實施例所描述之虛擬時間控制方法。前述之電腦程式產品可為能被於網路上傳輸之檔案，亦可被儲存於電腦可讀取記錄媒體中，例如唯讀記憶體(read only memory；ROM)、快閃記憶體、軟碟、硬碟、光碟、隨身碟、磁帶、可由網路存取之資料庫或熟習此項技藝者所習知且具有相同功能之任何其它儲存媒體中。

第5圖係顯示監控相同數量之系統呼叫所需花費時間之實驗數據。該實驗所使用之處理器為Intel Xeon E5-2620 2.00GHz，記憶體為DDR-1333 32GB，硬碟容量為2 TB，作業系統為Debian 6.0 kernel 3.2.0，虛擬平台(亦即，虛擬平台)為Xen hypervisor 4.0.3，而虛擬平台所使用之調整比例為32。

由第5圖所顯示之實驗結果觀之，當執行習知技術與本發明時，1300個系統呼叫出現之順序及內容大致相同。然而，當使用本發明之技術，且將調整比例設為32時，所花的時間約是習知技術所花時間的約5%，大幅提升執行效率。

綜上所述，本發明是由虛擬平台依據調整比例將系統計時器之原始計時週期調整為虛擬計時週期，且依據調整比例將原始對時訊號週 期調整為虛擬對時訊號週期。當此處理單元亦執行一作業系統時，虛擬平台會進一步地產生一虛擬即時時鐘，並依據此虛擬即時時鐘及虛擬對時訊號週期產生一虛擬即時時間予作業系統。此外，虛擬平台亦會依據虛擬計時週期，週期性地傳送一觸發訊號予作業系統。透過此種方式，作業系統便可以虛擬即時時間作為其牆上時間，並利用觸發訊號更新其運行時間，再將牆上時間及運行時間相加作為其所使用的實際時間。

由於本發明係由執行於處理單元之虛擬平台來產生虛擬計時週期、虛擬對時訊號週期、虛擬即時時間及觸發訊號，因此不需改變作業系統核心，不需攔截系統函式呼叫，且適用於不同作業系統之時間控制機制。

上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。

21‧‧‧系統計時器

23‧‧‧即時時鐘

200‧‧‧原始計時週期

202‧‧‧原始對時訊號週期

3‧‧‧虛擬時間控制裝置

32‧‧‧虛擬平台

34‧‧‧作業系統

35‧‧‧處理單元

304‧‧‧原始即時時間

306‧‧‧虛擬即時時間

308‧‧‧觸發訊號

Claims (8)

1. 一種虛擬時間控制裝置，包含：一系統計時器(system timer)，具有一原始計時週期；一即時時鐘(real time clock)，具有一原始對時訊號週期；以及一處理單元，電性連接至該系統計時器及該即時時鐘，且執行一虛擬平台(hypervisor)，其中，該虛擬平台依據一調整比例及該原始計時週期，產生一虛擬計時週期，且依據該調整比例及該原始對時訊號週期，產生一虛擬對時訊號週期，該虛擬平台更產生一虛擬即時時鐘，且根據該虛擬即時時鐘及該虛擬對時訊號週期產生一虛擬即時時間，其中，該處理單元更執行一作業系統(operating system)，該虛擬平台更提供該虛擬即時時間予該作業系統，且該虛擬平台更依據該虛擬計時週期，週期性地產生一觸發訊號予該作業系統。
2. 如請求項1所述之虛擬時間控制裝置，其中該作業系統更以該虛擬即時時間作為一牆上時間，且以該觸發訊號更新一運行時間。
3. 如請求項1所述之虛擬時間控制裝置，其中該調整比例為一正數。
4. 如請求項1所述之虛擬時間控制裝置，其中該虛擬平台係藉由將該原始計時週期除以該調整比例以產生該虛擬計時週期，且該虛擬平台係藉由將該原始對時訊號週期除以該調整比例以產生該虛擬對時訊號週期。
5. 一種虛擬時間控制方法，適用於一虛擬平台，該虛擬平台及一作業系統係執行於一處理單元，該虛擬時間控制方法包含下列步驟：依據一調整比例及一系統計時器之一原始計時週期，產生一虛擬計時週期；依據該調整比例及一即時時鐘之一原始對時訊號週期，產生一虛擬對時訊號週期；產生一虛擬即時時鐘；根據該虛擬即時時鐘及該虛擬對時訊號週期產生一虛擬即時時間；提供該虛擬即時時間予該作業系統；以及依據該虛擬計時週期，週期性地產生一觸發訊號予該作業系統。
6. 如請求項5所述之虛擬時間控制方法，其中該調整比例為一正數。
7. 如請求項5所述之虛擬時間控制方法，其中該虛擬計時週期為該原始計時週期除以該調整比例，且該虛擬對時訊號週期為該原始對時訊號週期除以該調整比例。
8. 一種電腦程式產品，經由一處理單元所執行之一虛擬平台載入該電腦程式產品後，該虛擬平台執行該電腦程式產品所包含之複數個程式指令，以使該處理單元執行一虛擬時間控制方法，該處理單元更執行一作業系統，該等程式指令包含：程式指令A，由該虛擬平台依據一調整比例及一系統計時器之一原始計時週期，產生一虛擬計時週期；程式指令B，由該虛擬平台依據該調整比例及一即時時鐘之一原始對時訊號週期，產生一虛擬對時訊號週期；程式指令C，由該虛擬平台產生一虛擬即時時鐘；程式指令D，由該虛擬平台根據該虛擬即時時鐘及該虛擬對時訊號週期產生一虛擬即時時間；程式指令E，由該虛擬平台提供該虛擬即時時間予該作業系統；以及程式指令F，由該虛擬平台依據該虛擬計時週期，週期性地產生一觸發訊號予該作業系統。