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StratoVirt设计

概述

StratoVirt是一种基于Linux内核的虚拟机(KVM)的开源轻量级虚拟化技术,在保持传统虚拟化的隔离能力和安全能力的同时,降低了内存资源消耗,提高了虚拟机启动速度。StratoVirt可以应用于微服务或函数计算等serverless场景,保留了相应接口和设计,用于快速导入更多特性,直至支持标准虚拟化。

架构

StratoVirt的核心架构如下图所示,从上到下分为三层:

  • 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。

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特性

  • 基于硬件的高隔离能力;
  • 快速冷启动:得益于极简设计,StratoVirt可以在50ms内启动microvm机型;
  • 低内存开销: StratoVirt的内存占用为4MB ;
  • IO增强: StratoVirt提供普通IO能力与极简IO设备仿真;
  • OCI兼容性:StratoVirt与isula和kata容器配合使用,可以完美融入Kubernetes生态系统;
  • 多平台支持:全面支持Intel和ARM平台;
  • 可扩展性:StratoVirt保留接口和设计,用于导入更多特性,甚至扩展到标准虚拟化支持;
  • 安全性:运行时系统调用数小于55;

实现

运行架构

  • StratoVirt虚拟机是Linux中一个独立的进程。进程有三种线程:主线程、VCPU线程、I/O线程:
    • 主线程是异步收集和处理来自外部模块(如VCPU线程)的事件的循环;
    • 每个VCPU都有一个线程处理本VCPU的trap事件;
    • 可以为I/O设备配置iothread提升I/O性能;

约束

  • 仅支持Linux操作系统,推荐内核版本为4.19;
  • 客户端操作系统仅支持Linux,内核版本建议为4.19;
  • StratoVirt在openEuler进行了全面测试;
  • 最大支持254个CPU;