CN103605559A - 一种kvm虚拟化服务系统及其数据通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种KVM虚拟化服务系统及其数据通信方法。虚拟化服务系统包括宿主操作系统和一个以上的客户操作系统，宿主操作系统上运行KVM虚拟机，KVM虚拟机设置有域间通信模块，每一客户操作系统设置有域服务模块，每一域服务模块配置一与宿主操作系统的域间通信模块共享的数据传输缓冲区。其中，当一客户操作系统设置有设备驱动程序时，其内域服务模块还与设备驱动程序进行数据交互。此外，宿主操作系统的域间通信模块在不同客户操作系统的数据传输缓冲区之间来回拷贝数据，以此实现客户操作系统之间的数据通信，进而使多个客户操作系统能够访问该客户操作系统中运行的设备驱动程序，实现设备资源的共享。

Description

一种KVM虚拟化服务系统及其数据通信方法

技术领域

本发明涉及一种系统虚拟化技术，尤其涉及一种提升虚拟化环境稳定性的KVM虚拟化服务系统及其数据通信方法。

背景技术

基于内核的KVM虚拟机（Kernel-based Virtual Machine）是一种开源的服务器虚拟化技术，自Linux2.6.20之后集成在Linux各个版本的内核中，作为一种主流的虚拟化技术而被广泛使用。KVM虚拟机能够使用Linux的调度器和内存管理功能，无需要付出额外的代价，自动地跟踪记录最新的硬件设备状态并且保持可伸缩性的特点。在宿主操作系统Linux自身的资源管理和CPU硬件虚拟化技术的支持下，KVM虚拟机可以高效地支持多个客户操作系统，使一台计算机能够被当成多台计算机使用。Linux体系结构的最大优势就是模块化，即：内核只包括同步原语、简单的进程调度以及进程间通信机制等基本功能，而文件系统、设备驱动等属于内核上层的功能均采用相应的程序模块加以实现。这些程序模块可以在运行时通过动态链接的方式加载到内核中运行。正因为如此，使得Linux内核运行时会集成大量的扩展代码(主要是设备驱动的程序代码)。扩展代码跟内核代码共享内核地址空间，具有与内核一样的对内核数据结构进行修改的权限。在这种工作模式下，有问题的设备驱动很容易造成操作系统出错甚至崩溃，进而影响系统的KVM虚拟化环境的稳定性。

发明内容

基于上述原因，本发明的目的是提供一种提升虚拟化环境稳定性的KVM虚拟化服务系统及其数据通信方法。该方法能够在不修改KVM虚拟机源代码的前提下，将设备驱动从宿主操作系统中分离到客户操作系统中运行，从而提升系统的KVM虚拟化环境的稳定性。

本发明提供一种KVM虚拟化服务系统，其特征在于，包括：

宿主操作系统，其上运行KVM虚拟机，所述KVM虚拟机设置有域间通信模块；

一个以上的客户操作系统，每一所述客户操作系统设置有域服务模块，每一所述域服务模块配置一与所述域间通信模块共享的数据传输缓冲区；

其中，当一所述客户操作系统设置有设备驱动程序时，其内所述域服务模块从对应的所述数据传输缓冲区获取相关数据，传给所述设备驱动程序，以及从所述设备驱动程序接收相关数据，放入对应的所述数据传输缓冲区；

所述宿主操作系统的域间通信模块在不同客户操作系统的数据传输缓冲区之间来回拷贝数据，以此实现不同客户操作系统之间的数据通信。

上述KVM虚拟化服务系统中，当所述客户操作系统要发送数据时，其内所述域服务模块将数据存储位置和待接收数据的客户操作系统信息发给所述宿主操作系统的域间通信模块。

且，上述KVM虚拟化服务系统中，当待接收数据的客户操作系统的数据传输缓冲区被占用时，所述宿主操作系统的域间通信模块放弃此次拷贝操作。

进一步地，根据本发明的实施例，上述客户操作系统的域服务模块可以于初始化时申请配置一所述数据传输缓冲区，并通过内存映射法与所述宿主操作系统的域间通信模块共享所述数据传输缓冲区。

上述宿主操作系统的域间通信模块还可以监控设置有设备驱动程序的所述客户操作系统的运行状况，当运行出现故障时重启此所述客户操作系统。

此外，本发明还提供一种KVM虚拟化服务系统的数据通信方法，所述KVM虚拟化服务系统包括：宿主操作系统，其上运行KVM虚拟机，所述KVM虚拟机设置有域间通信模块；一个以上的客户操作系统，每一所述客户操作系统设置有域服务模块；所述数据通信方法包括：

所述客户操作系统的域服务模块配置一与所述宿主操作系统的域间通信模块共享的数据传输缓冲区；

当一所述客户操作系统设置有设备驱动程序时，其内域服务模块从对应的数据传输缓冲区获取相关数据，传给设备驱动程序，以及从设备驱动程序接收相关数据，放入对应的数据传输缓冲区；

所述宿主操作系统的域间通信模块在不同客户操作系统的数据传输缓冲区之间来回拷贝数据，以此实现不同客户操作系统之间的数据通信。

上述数据通信方法中，当客户操作系统要发送数据时，其内域服务模块将数据存储位置和待接收数据的客户操作系统信息发给所述宿主操作系统的域间通信模块。

且，当待接收数据的客户操作系统的数据传输缓冲区被占用时，所述宿主操作系统的域间通信模块放弃此次拷贝操作。

进一步地，根据本发明的实施例，上述客户操作系统的域服务模块于初始化时申请配置数据传输缓冲区，并通过内存映射法与所述宿主操作系统的域间通信模块共享数据传输缓冲区。

此外，上述宿主操作系统的域间通信模块还监控设置有设备驱动程序的客户操作系统的运行状况，当运行出现故障时重启此客户操作系统。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：

1、本发明以Passthrough I/O机制为基础，将真实PCI设备从宿主操作系统中分离出来并分配给客户操作系统使用，从而使得真实PCI设备对应的设备驱动程序从KVM虚拟机所在的宿主操作系统当中分离出来，减少KVM虚拟机所在的宿主操作系统中的设备驱动程序的数量，从而提升KVM虚拟化环境的稳定性。

2、本发明通过将客户操作系统的内存与宿主操作系统的内存进行一一映射，从而在客户操作系统与宿主操作系统之间建立了共享内存，为客户操作系统之间的数据通信提供了支持，并且极大地提高了数据通信效率。

3、本发明在客户操作系统中添设了域服务模块，在宿主操作系统中添设了域间通信模块，借助域服务模块与域间通信模块的互动实现多个客户操作系统之间的通信功能，大幅提高同一物理机器上运行的客户操作系统之间的互访性能。

4、本发明设置在运行真实PCI设备的客户操作系统中的域服务模块还相当于一个虚拟设备驱动，能够与真实PCI设备的设备驱动交互，操纵真实PCI设备的设备驱动来为用户提供服务，并且借助宿主操作系统的域间通信模块与其他客户操作系统的域服务模块通信，实现多个客户操作系统对真实PCI设备的共享。

5、本发明通过宿主操作系统的域间通信模块的数据传输策略确保客户操作系统之间数据传输的正确性与完整性，在目标域的数据传输缓冲区被占用时，丢弃掉本次传送的数据，并通知发送域重新发送本次数据。

6、本发明还通过宿主操作系统的域间通信模块对运行真实PCI设备的客户操作系统进行监控及故障处理，以确保其稳定运行，并提供相应的设备服务，从而进一步提升了KVM虚拟化环境的稳定性。

本发明提升KVM虚拟化环境稳定性的方法不会影响系统现有的用户使用模式，不会影响客户操作系统的正常运行，通过共享内存机制能够大幅度地提高客户操作系统之间的设备访问效率以及对真实PCI设备的访问效率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的KVM虚拟化服务系统的组成示意图；

图2是本发明提供的KVM虚拟化服务系统中建立共享内存的流程图；

图3是本发明提供的KVM虚拟化服务系统中信息处理方法的流程图；

图4是本发明提供的KVM虚拟化服务系统中驱动域客户操作系统监控及故障处理方法的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能够充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本发明提升虚拟化环境稳定性方法的基本策略是以Passthrough I/O机制为基础，将原来运行于宿主操作系统的设备驱动程序分离出来，放在客户操作系统中运行，以减少KVM虚拟机所在的宿主操作系统中的设备驱动程序的数量，从而提升KVM虚拟化环境的稳定性。为此，本发明在宿主操作系统中添设域间通信模块，在各客户操作系统中添设域服务模块，借以通过一种新的数据通信机制，使多个客户操作系统能够借助域间通信模块和域服务模块访问某一客户操作系统中运行的设备驱动程序，进而实现设备资源的共享。例如，以打印机设备共享为例，打印机驱动程序安装在一个客户操作系统A中，如果客户操作系统B的用户希望利用该打印机打印资料，那么需要通过客户操作系统B的域服务模块、宿主操作系统的域间通信模块、客户操作系统A的域服务模块，将打印资料的相关数据从客户操作系统B发送给客户操作系统A，提供给打印机驱动程序。

该操作需要涉及共享内存的建立、域间通信模块的信息处理等多方面的内容。下面将结合附图分别予以说明。优选的，为具体说明本发明的技术方案及其能够达到的技术效果。

如图1所示，是本发明提出的KVM虚拟化服务系统的组成示意图。该系统设置于硬件平台上（不局限于一个物理主机），包括有一个宿主操作系统和多个客户操作系统：

宿主操作系统为Linux系统，其包含Linux内核、KVM虚拟机、系统服务和用户程序等功能模块。正如背景技术介绍的那样，KVM虚拟机可以支持多个客户操作系统。在本实施例中，KVM虚拟机支持的客户操作系统包括一个Windows操作系统和两个Linux操作系统A和B。本发明中运行设备驱动程序的客户操作系统称为驱动域，其他通过访问驱动域进而间接使用设备驱动程序的客户操作系统称为客户域。在本发明的实施例中，运行网卡驱动程序的Linux操作系统A是驱动域，另一个Linux操作系统B和Windows操作系统是客户域。

与现有技术不同的是，为了提升系统的KVM虚拟化环境的稳定性，本发明在现有的系统结构中为宿主操作系统添设域间通信模块，为每一个客户操作系统添设域服务模块，根据客户操作系统的类型，域服务模块又分别称为驱动域服务模块和客户域服务模块。其中：

域间通信模块设置在宿主操作系统的KVM虚拟机中，与KVM虚拟机同步运行。该域间通信模块相当于一个信息中转站，其主要功能是接收运行于KVM虚拟机之上的所有域（也即所有客户操作系统）发来的信息，并对这些信息进行处理，然后根据预先设定的域间通信机制，将处理后的信息转发到相应的域中。

驱动域服务模块设置并运行在驱动域中，它的主要功能是操纵真实的硬件设备驱动，以及通过域间通信模块接收其他域发来的信息，并根据信息的类型将信息传给真实的硬件设备或者传给驱动域客户操作系统处理。而经过硬件设备或者驱动域客户操作系统处理过的信息仍然通过驱动域服务模块以及域间通信模块返回给发来信息的域。

客户域服务模块设置并运行在客户域中，它的主要功能是对客户域待发送的信息进行封装，然后将封装过的信息通过域间通信模块转给其他的域，同时还接收并处理由域间通信模块传来的其他域发来的信息。

本发明的核心内容就是利用上述域间通信模块、驱动域服务模块和客户域服务模块，实现各个域之间（客户域与客户域之间、客户域与驱动域之间）的数据通信。为提高数据通信效率，本发明将客户操作系统的内存与宿主操作系统的内存进行一一映射，以建立共享内存。

如图2所示，是图1所示系统建立共享内存的流程图，包括以下步骤：

S201、在客户操作系统的域服务模块（驱动域服务模块或者客户域服务模块）初始化时，向其所在的客户操作系统申请在数据传输过程中作为缓冲区使用的内存：

如果客户操作系统申请内存成功，执行步骤S202；

如果客户操作系统申请内存失败，执行步骤S207；

S202、客户操作系统将其申请的内存大小和内存的起始地址等信息通过其域服务模块通知宿主操作系统；

S203、系统状态从客户操作系统切换到宿主操作系统，宿主操作系统通过其KVM虚拟机的域间通信模块接收客户操作系统传来的信息后，按照客户操作系统所申请的内存大小申请相同大小的内存：

如果宿主操作系统申请内存成功，执行步骤S204；

如果宿主操作系统申请内存失败，执行步骤S206；

S204、宿主操作系统将其申请的内存地址与客户操作系统申请的内存地址进行一一映射：

如果内存映射成功，执行步骤S205；

如果内存映射失败，执行步骤S206；

S205、系统状态从宿主操作系统切换回客户操作系统，客户操作系统继续进行域服务模块的其他初始化操作，执行步骤S208；

S206、系统状态从宿主操作系统切换回客户操作系统；

S207、表明域服务模块初始化失败，执行步骤S208；

S208、结束。

上述客户操作系统的域服务模块初始化的过程也可以理解为客户操作系统的域服务模块向宿主操作系统的域间通信模块注册的过程，如果客户操作系统的域服务模块注册成功，其所在的客户操作系统与宿主操作系统就会支配同一段物理内存，换句话说，宿主操作系统的域间通信模块就可以控制该客户操作系统的数据传输缓冲区。

在建立共享内存机制后，接下来的问题就是建立各个域之间（客户域与客户域之间、客户域与驱动域之间）的数据传输机制。如图3所示，是图1所示系统信息处理的流程图。其中，为方便描述，在本实施例中，作为数据发送方的客户操作系统简称为发送域，作为数据接收方的客户操作系统简称为目的域。无论是发送域还是目的域，均已经通过图2所示的客户操作系统的域服务模块初始化流程建立了一段可由宿主操作系统的域间通信模块支配的物理内存作为数据传输缓冲区。并且由于客户操作系统会同时发送和接收数据，因此其数据传输缓冲区通常细分为发送缓冲区和接收缓冲区两个部分。在图3所示的信息处理流程中，仅以Linux操作系统A向Linux操作系统B传输数据为例说明各个域之间的数据传输工作原理，但是本领域的技术人员应该知晓，Linux操作系统A还会同时从Linux操作系统B或者其他的客户操作系统接收数据，其接收数据的过程与发送数据的过程类似，此处不做详述。

如图3所示，系统信息处理流程包括以下步骤：

S301、发送域的客户操作系统将待发送的数据放入发送缓冲区中，并将数据存储地址和目的域信息发送给宿主操作系统；

S302、系统状态从发送域的客户操作系统切换到宿主操作系统，宿主操作系统的域间通信模块接收发送域传来的信息；

S303、宿主操作系统的域间通信模块检查目的域是否存在：

如果目的域存在，执行步骤S304；

如果目的域不存在，执行步骤S309；

S304、宿主操作系统的域间通信模块检查目的域的接收缓冲区是否被占用：

如果是，表明有其他域正在使用该目的域的接收缓冲区，执行步骤S305；

如果否，执行步骤S306；

S305、宿主操作系统的域间通信模块将目的域被占用的信息发送给发送域，系统状态从宿主操作系统切换回发送域的客户操作系统，重新执行步骤S301；

S306、宿主操作系统的域间通信模块访问发送域的发送缓冲区，将相关数据拷贝到目的域的接收缓冲区中。

S307、宿主操作系统的域间通信模块将本次数据传递成功的信息发送给目的域；

S308、系统状态从宿主操作系统切换回目的域，目的域的域服务模块处理接收缓冲区中的数据，执行步骤S310；

S309、宿主操作系统的域间通信模块将本次数据传递失败的信息发送给发送域，系统状态从宿主操作系统切换回发送域，执行步骤S310；

S310、结束。（此步骤图中未示出）

进一步地，在上述数据传输过程中，本发明可以采用以下方法确定宿主操作系统的域间通信模块的数据转发策略：

在各个客户操作系统的域服务模块初始化时，宿主操作系统的域间通信模块可以根据各个客户操作系统的域服务模块初始化的先后顺序为各域服务模块所在的域分配一个数值，例如某个域的域服务模块是第三个初始化成功，在域间通信模块中注册，那么域间通信模块为该域分配数值三。通常，各个域会有一标示位专门用于记录该数值。当某个域要发送数据时，它发送给宿主操作系统的域间通信模块的目的域的信息就是域间通信模块为该目的域分配的数值，例如它要向第五个域发送数据，那么它发送给宿主操作系统的域间通信模块的目的域信息包括该目的域标示位的数值五。

此外，如图4所示，为进一步地提升虚拟化环境稳定性，本发明的系统还对驱动域客户操作系统进行监控，并提供相应的故障处理方法，具体包括以下步骤：

S401、设置检查驱动域计数的初始值（在本实施例中，其为一个大于1的整数值）；

S402、宿主操作系统的域间通信模块按照预设的时间间隔检查驱动域的数据传输缓冲区的使用状态：

如果数据传输缓冲区的使用状态与前次检查相比发生了改变（从占用变成空置或者从空置变成占用），则返回步骤S401；

否则，执行步骤S403；

S403、更新检查驱动域计数（在本实施例中，将检查计数减1），然后判断检查驱动域计数是否为零：

如果是，执行步骤S404；

如果否，执行步骤S402；

S404、宿主操作系统的域间通信模块通过调用KVM虚拟机重启驱动域的客户操作系统；

S405、宿主操作系统的域间通信模块检查驱动域的域服务模块初始化是否成功：

如果初始化成功，返回步骤S401；

如果初始化失败，执行步骤S406；

S406、宿主操作系统的域间通信模块检查驱动域的客户操作系统重启次数是否已经达到预设的阈值：

如果是，执行步骤S407；

如果否，返回步骤S404。

S407、结束。

需要说明的是，上述步骤S402中，宿主操作系统的域间通信模块在每一次检查驱动域的数据传输缓冲区的使用状态时，都会记录当前数据传输缓冲区的使用状态。

上述步骤S406中，检查驱动域的客户操作系统重启次数是否已经达到预设的阈值，该阈值可以由用户在启动宿主操作系统的域间通信模块时设定。当驱动域的客户操作系统重启次数达到该阈值时，如果驱动域的域服务模块仍然有故障，不能成功初始化，则结束驱动域客户操作系统监控及故障处理流程，将本次问题的修复交予用户或者其他流程处理。

本领域的技术人员应该明白，本发明上述各模块或者各步骤可以利用通用的计算机硬件设备来实现，它们既可以集中在单个的计算装置上，也可以分布在由多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种KVM虚拟化服务系统，其特征在于，包括：

宿主操作系统，其上运行KVM虚拟机，所述KVM虚拟机设置有域间通信模块；

一个以上的客户操作系统，每一所述客户操作系统设置有域服务模块，每一所述域服务模块配置一与所述域间通信模块共享的数据传输缓冲区；

其中，当一所述客户操作系统设置有设备驱动程序时，其内所述域服务模块从对应的所述数据传输缓冲区获取相关数据，传给所述设备驱动程序，以及从所述设备驱动程序接收相关数据，放入对应的所述数据传输缓冲区；

所述宿主操作系统的域间通信模块在不同客户操作系统的数据传输缓冲区之间来回拷贝数据，以此实现不同客户操作系统之间的数据通信。

2.如权利要求1所述的KVM虚拟化服务系统，其特征在于：

当所述客户操作系统要发送数据时，其内所述域服务模块将数据存储位置和待接收数据的客户操作系统信息发给所述宿主操作系统的域间通信模块。

3.如权利要求1或2所述的KVM虚拟化服务系统，其特征在于：

当待接收数据的客户操作系统的数据传输缓冲区被占用时，所述宿主操作系统的域间通信模块放弃此次拷贝操作。

4.如权利要求1或2所述的KVM虚拟化服务系统，其特征在于：

所述客户操作系统的域服务模块于初始化时申请配置一所述数据传输缓冲区，并通过内存映射法与所述宿主操作系统的域间通信模块共享所述数据传输缓冲区。

5.如权利要求1或2所述的KVM虚拟化服务系统，其特征在于：

所述宿主操作系统的域间通信模块还用于监控设置有设备驱动程序的所述客户操作系统的运行状况，当运行出现故障时重启此所述客户操作系统。

6.一种KVM虚拟化服务系统的数据通信方法，所述KVM虚拟化服务系统包括：

宿主操作系统，其上运行KVM虚拟机，所述KVM虚拟机设置有域间通信模块；

一个以上的客户操作系统，每一所述客户操作系统设置有域服务模块；

其特征在于，所述数据通信方法包括：

所述客户操作系统的域服务模块配置一与所述宿主操作系统的域间通信模块共享的数据传输缓冲区；

当一所述客户操作系统设置有设备驱动程序时，其内域服务模块从对应的数据传输缓冲区获取相关数据，传给设备驱动程序，以及从设备驱动程序接收相关数据，放入对应的数据传输缓冲区；

所述宿主操作系统的域间通信模块在不同客户操作系统的数据传输缓冲区之间来回拷贝数据，以此实现不同客户操作系统之间的数据通信。

7.如权利要求6所述的数据通信方法，其特征在于：

当客户操作系统要发送数据时，其内域服务模块将数据存储位置和待接收数据的客户操作系统信息发给所述宿主操作系统的域间通信模块。

8.如权利要求6或7所述的数据通信方法，其特征在于：

当待接收数据的客户操作系统的数据传输缓冲区被占用时，所述宿主操作系统的域间通信模块放弃此次拷贝操作。

9.如权利要求6或7所述的数据通信方法，其特征在于：

所述客户操作系统的域服务模块于初始化时申请配置数据传输缓冲区，并通过内存映射法与所述宿主操作系统的域间通信模块共享数据传输缓冲区。

10.如权利要求6或7所述的数据通信方法，其特征在于：

所述宿主操作系统的域间通信模块还监控设置有设备驱动程序的客户操作系统的运行状况，当运行出现故障时重启此客户操作系统。

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