面向新一代移动计算平台的系统虚拟化研究与应用
发布时间：2020-07-08 16:13
【摘要】：随着PC市场的逐渐饱和,“后PC”时代正在到来。上网本,智能手机,平板电脑,音乐播放器,掌上游戏机等各种新型便携式移动设备不断涌现,成为新一代移动计算平台。其中智能手机和平板电脑的发展更是十分迅速,不仅用户数量巨大,而且硬件功能日益强大,软件应用层出不穷,已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分。 然而,随着各种移动设备的快速发展,它们也面临着诸多的问题和挑战。例如,软硬件功能的不断增加导致了整个系统越来越复杂,也越来越不稳定。各种针对手机等设备的病毒,木马,恶意软件和间谍软件日益增多,威胁人们的隐私和信息安全。强大的功能伴随着对功耗的高需求,而电池技术发展缓慢,制约了更多应用的发展。用户的数据分布在不同的设备上,管理这些设备和数据变得越来越不方便,等等。本文研究了如何通过系统虚拟化技术来解决新一代移动计算平台上 的关键问题,主要包括以下三个方面的内容。 一、对系统可靠性和安全性的研究。本文研究了如何利用虚拟机技术来提高移动设备的可靠性和安全性。由于ARM是移动设备上最主要的硬件平台,本文研究了如何对ARM处理器和内存进行虚拟化,特别针对ARM平台设计和实现了一个虚拟机监控器,MobiVMM,能够在同一台物理设备上同时运行多个虚拟机。不同的虚拟机之间完全相互隔离,可以运行不同的操作系统。通过把不同的应用程序运行在不同的虚拟机中,可以大大提高整个系统的可靠性和安全性:即使某个虚拟机的运行出了严重的问题或者受到了攻击,其它的虚拟机仍然可以正常运行。除了研究对ARM体系结构进行虚拟化的基本问题以外,MobiVMM还考虑了移动设备的特点,强调了对系统资源的高效利用,并对实时性提供了一定的支持。MobiVMM是第一个专门为ARM平台从零设计的全新虚拟机监控器,具有代码简洁,使用系统资源少,功耗低,系统响应快等特点。 二、对设备共享和用户隐私保护的研究。个人移动设备,特别是手机,是非常私人化的设备,往往存储了大量的私人数据,比如通话记录,短信,联系人,照片和视频等。当和其他人共享个人设备时,这些隐私数据必须得到有效的保护。而现有的设备不能对隐私保护提供足够的支持。本文对设备共享问题进行了深入的研究并第一个设计实现了xShare系统来保护设备共享中的用户隐私。xShare通过操作系统层面的虚拟化技术来在设备共享时对用户的隐私数据进行有效的保护。xShare可以在操作系统中动态创建一个虚拟运行环境来用于设备共享。在该虚拟环境下,只有那些被设备主人共享了的数据和应用程序才是可见的,从而保护了那些没有共享的隐私数据。xShare系统实现具有很好的系统性能和易用性,能够满足用户在共享设备时保护用户隐私的实际需要。xShare的研究成果发表在了国际会议MobiSys上,并作为该年5篇最佳论文之一被邀请到IEEE的Transactions on Mobile Computing (TMC)杂志上发表。其扩展版本进一步被选为IEEE TMC杂志当期的焦点文章。 三、对跨设备用户计算环境的研究。很多用户都在日常生活中使用不同的计算设备。这些设备位于不同的地方,具有不同的操作环境,运行不同的应用程序并且存储不同的数据。用户需要花费大量的时间和精力来管理这些设备和它们上面的数据。为了解决这一问题,本文研究了如何通过应用程序虚拟化技术来创建一个跨设备的用户计算环境,从而用户可以在不同的设备上使用同样的应用程序和访问同样的数据。本文进而设计并实现了DevicePort系统,能够把用户已经安装使用的应用程序和底层的操作系统系统分离开来,可以在不同的设备之间对这些应用程序进行迁移。DevicePort能够迁移包括微软办公套件在内的大多数日常使用的应用程序并以它们原有的性能运行这些应用程序。和基于虚拟机的方法相比,DevicePort具有更小的应用程序启动延迟和更少的处理器开销,而且更容易部署使用。 这三个方面的研究分别涵盖了三个不同层面的系统虚拟化技术:硬件级别的虚拟化,操作系统级别的虚拟化,以及应用程序级别的虚拟化。围绕着新一代移动计算平台中的实际问题,本文都设计实现了实际可用的系统,并进行了全面详尽的评测。通过这些研究和创新,本文为解决新一代移动计算平台中的更多问题提供了新的思路和参考。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TN929.53;TP368.3
【图文】：
图 1-1 全球 PC，手机以及智能手机的年销售量，2006-2015 年（来源：IDC，2011 年 3 月）Fig. 1-1 Worldwide PC, mobile phone and smartphone shipments, 2006-2015 (source: IDC, Mar. 2011由于其庞大的用户群，强大的功能，和丰富的应用程序，手机已经成为一个集讯，娱乐，和计算为一体的，人们日常生活中离不开的重要设备。以手机为代表的移动设备正在取代越来越多 PC 的功能，并成为新一代的移动计算平台。比如在日本有超过 50%的用户通过手机而不是 PC 来收发邮件和浏览网页[1]。将来的手机将会是用户时刻随身携带的一台移动的 PC。除了本身具有强大的处理能力以外，它还可通过丰富的网络接口连接到远程的 PC 并对它们进行管理和控制。这样，用户就能通过手机随时随地访问和使用他们远程设备上的数据和服务。利用各种短距无线技术，手机还可以连接到周边设备并利用它们强大的功能。比如，连接到旁边一个大示设备上，从而突破手机屏幕大小的限制，提高用户的使用体验。手机将成为个人计算的中心，是用户和数字世界沟通的桥梁，并在最终实现无所不在的计算（UbiquitioComputing）中发挥重要的作用。新一代移动设备的快速发展也引起了学术界越来越的关注。比如，2007 年
图 1-2 从左到右：硬件级别的虚拟化，操作系统级别的虚拟化以及应用程序级别的虚拟化Fig. 1-2 From left to right: hardware-level virtualization, operating system-level virtualization andapplication-level virtualization操作系统级别的虚拟化技术的目标是在同一个操作系统下创建相互隔离的运行状态和环境，比如不同的用户计算环境或者会话环境。与传统的多用户概念不同的是，这些虚拟的计算环境通常属于同一个用户，只是用于不同的目的，比如隔离不同类别的应用程序。微软的桌面虚拟化（Microsfot Desktop Virtualization）技术就是操作系统级别的虚拟化技术。应用程序级别的虚拟化技术是要把应用程序和操作系统分离开来，从而达到隔离每个应用程序和在不同的计算机（需要运行相互兼容的操作系统）之间迁移应用程序的目的。与操作系统级别的虚拟化不同的是，应用程序级别的虚拟化针对每一个单独的应用程序提供虚拟的，相互隔离的系统资源。而操作系统级别的虚拟化只提供有限数目的全局虚拟运行环境，不同的应用程序可以共享同一个虚拟运行环境。应用程序级别的虚拟化技术的例子有 Microsoft App-V [82]和 VMware ThinApp [81]等。
图 2-1 手机虚拟机监控器Fig. 2-1 VMM for Mobile Phones已有的手机软件体系结构相比，MobiVMM 使得迁移数据挂起整个虚拟机，用户可以很容易地把他们的数据和应用移去。当用户购买了新手机替换旧手机时，他们不再需原来手机上的数据到新手机上，在新手机上重新安装需很多的设置。有了 MobiVMM，用户就可以轻松地把整个后就可以继续使用原来的应用程序和数据了。用户也可以备上，从而如果手机丢失了的话也能够从备份中恢复已一个适用于手机的虚拟机监控器，必须要解决下面几个源以及功耗。和个人电脑相比，手机的基本功能之一是求，内存和处理器等资源相对有限，而且对功耗非常敏很好地解决这些问题。而在 MobiVMM 的设计中，这些
本文编号：2746763
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TN929.53;TP368.3
【图文】：
图 1-1 全球 PC，手机以及智能手机的年销售量，2006-2015 年（来源：IDC，2011 年 3 月）Fig. 1-1 Worldwide PC, mobile phone and smartphone shipments, 2006-2015 (source: IDC, Mar. 2011由于其庞大的用户群，强大的功能，和丰富的应用程序，手机已经成为一个集讯，娱乐，和计算为一体的，人们日常生活中离不开的重要设备。以手机为代表的移动设备正在取代越来越多 PC 的功能，并成为新一代的移动计算平台。比如在日本有超过 50%的用户通过手机而不是 PC 来收发邮件和浏览网页[1]。将来的手机将会是用户时刻随身携带的一台移动的 PC。除了本身具有强大的处理能力以外，它还可通过丰富的网络接口连接到远程的 PC 并对它们进行管理和控制。这样，用户就能通过手机随时随地访问和使用他们远程设备上的数据和服务。利用各种短距无线技术，手机还可以连接到周边设备并利用它们强大的功能。比如，连接到旁边一个大示设备上，从而突破手机屏幕大小的限制，提高用户的使用体验。手机将成为个人计算的中心，是用户和数字世界沟通的桥梁，并在最终实现无所不在的计算（UbiquitioComputing）中发挥重要的作用。新一代移动设备的快速发展也引起了学术界越来越的关注。比如，2007 年
图 1-2 从左到右：硬件级别的虚拟化，操作系统级别的虚拟化以及应用程序级别的虚拟化Fig. 1-2 From left to right: hardware-level virtualization, operating system-level virtualization andapplication-level virtualization操作系统级别的虚拟化技术的目标是在同一个操作系统下创建相互隔离的运行状态和环境，比如不同的用户计算环境或者会话环境。与传统的多用户概念不同的是，这些虚拟的计算环境通常属于同一个用户，只是用于不同的目的，比如隔离不同类别的应用程序。微软的桌面虚拟化（Microsfot Desktop Virtualization）技术就是操作系统级别的虚拟化技术。应用程序级别的虚拟化技术是要把应用程序和操作系统分离开来，从而达到隔离每个应用程序和在不同的计算机（需要运行相互兼容的操作系统）之间迁移应用程序的目的。与操作系统级别的虚拟化不同的是，应用程序级别的虚拟化针对每一个单独的应用程序提供虚拟的，相互隔离的系统资源。而操作系统级别的虚拟化只提供有限数目的全局虚拟运行环境，不同的应用程序可以共享同一个虚拟运行环境。应用程序级别的虚拟化技术的例子有 Microsoft App-V [82]和 VMware ThinApp [81]等。
图 2-1 手机虚拟机监控器Fig. 2-1 VMM for Mobile Phones已有的手机软件体系结构相比，MobiVMM 使得迁移数据挂起整个虚拟机，用户可以很容易地把他们的数据和应用移去。当用户购买了新手机替换旧手机时，他们不再需原来手机上的数据到新手机上，在新手机上重新安装需很多的设置。有了 MobiVMM，用户就可以轻松地把整个后就可以继续使用原来的应用程序和数据了。用户也可以备上，从而如果手机丢失了的话也能够从备份中恢复已一个适用于手机的虚拟机监控器，必须要解决下面几个源以及功耗。和个人电脑相比，手机的基本功能之一是求，内存和处理器等资源相对有限，而且对功耗非常敏很好地解决这些问题。而在 MobiVMM 的设计中，这些
【引证文献】
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1 梁茹冰;移动计算环境下语义缓存技术研究及应用[D];华南理工大学;2012年
本文编号：2746763
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