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A Reliable Embedded Hypervisor Supporting VM Migration and Hypervisor Live-Update
English Version README click here
Rust-Shyper 是一个使用高级语言Rust编写的面向嵌入式场景的Type-1型虚拟机监视器（Hypervisor）。其设计目标在于提高资源利用率的同时，同时保障虚拟机实时性、隔离性与可靠性的需求。为达成上述目的，首先Rust-Shyper选用Rust作为编程语言，利用语言本身的安全特性提升代码质量，从语言层面保障系统软件的可靠性。其次，为了保障虚拟机的隔离性需求，Rust-Shyper针对CPU、中断、设备、内存等公共资源实现了有效的隔离策略，保证了同一资源被不同虚拟机共享的同时，虚拟机无法越界访问不属于当前虚拟机的资源。另外，为了保障虚拟机实时性需求，Rust-Shyper实现了中断部分直通机制以及中介传递设备模型，有效缩减虚拟化对实时性能的影响。最后，为了进一步保障监视器可靠性，本项目实现了虚拟机迁移（VM migration）以及监视器动态升级（Hypervisor Live-update）两种热更新机制修复虚拟机监视器可能存在的代码漏洞。
Rust-Shyper是由北航计算机学院操作系统研究团队，在华为技术有限公司资助下开发完成。
下表是目前Rust-Shyper已经支持（或正在开发中）的硬件平台：
aarch64
编译需要的工具：
只需要使用make工具即可
make <platform>
例如, make tx2 是编译Rust-Shyper的TX2版本。具体可查看Makefile文件。
主要注意的是，请在编译前，根据需求编辑管理虚拟机（MVM）的配置文件。该文件的路径是 src/config/<plat>_def.rs.
RK3588的支持
目前已经支持Firefly ROC-RK3588S-PC平台，并提供了完整的用户使用手册和相应的附件，具体可以参考Firefly ROC-RK3588S-PC平台的使用。
MVM的需求
MVM 是一个可以通过Hypervisor提供的私有特权接口来监控其他虚拟机状态的特权虚拟机，通常情况是一个Linux。我们为MVM实现了一个单独的Linux内核模块。通过改内核模块，MVM可以发起Hypercall来实现诸如虚拟机配置、虚拟机迁移、Hypervisor动态升级等功能。
通常情况下，MVM仅允许存在一个，且MVM会独占0号核心。
该内核模块在如下系统作为MVM时，经测试可以正常运行：NVIDIA L4T 32.6.1 (for Jestion TX2), Linux 4.9.140/5.10.160 (for QEMU), Linux 5.10.160 (for Firefly ROC-RK3588S-PC).
由boot-loader（如u-boot等）加载并启动Rust-Shyper镜像。Rust-Shyper完成初始化后，会自动启动MVM。
登录到MVM中，以QEMU为例，按照如下步骤，就可以配置并启动客户虚拟机了。
Step 1: 安装内核模块
insmod tools/shyper.ko
Step 2: 启动shyper-cli守护进程
注：shyper-cli是Rust-Shyper配套的一个简单的命令行工具，以二进制的形式提供在tools目录下，其编译的目标平台为aarch64。
sudo tools/shyper system daemon [mediated-cfg.json] &
mediated-cfg.json用于配置其他guest VM的virtio中介磁盘（如果是物理平台可以外接磁盘设备，如/dev/sda2、/dev/nvme0n1p2）。示例如下：
{
"mediated": [
"~/vm0.img"
]
}
Step 3: 通过配置文件来配置一个客户虚拟机
sudo tools/shyper vm config <vm-config.json>
客户虚拟机配置文件的模板如下:
{
"name": "guest-os-1",
"type": "VM_T_LINUX",
"cmdline": "earlycon console=hvc0,115200n8 root=/dev/vda rw audit=0",
"image": {
"kernel_filename": "</path/to/kernel/image>",
"kernel_load_ipa": "0x80080000",
"kernel_entry_point": "0x80080000",
"device_tree_filename": "-",
"device_tree_load_ipa": "0x80000000",
"ramdisk_filename": "initrd.gz",
"ramdisk_load_ipa": "0"
},
"memory": {
"region": [
{
"ipa_start": "0x80000000",
"length": "0x40000000"
}
]
},
"cpu": {
"num": 1,
"allocate_bitmap": "0b0100",
"master": 2
},
"emulated_device": {
"emulated_device_list": [
{
"name": "intc@8000000",
"base_ipa": "0x8000000",
"length": "0x1000",
"irq_id": 0,
"type": "EMU_DEVICE_T_GICD"
},
{
"name": "virtio_blk@a000000",
"base_ipa": "0xa000000",
"length": "0x1000",
"irq_id": 48,
"cfg_num": 2,
"cfg_list": [
0,
209715200
],
"type": "EMU_DEVICE_T_VIRTIO_BLK_MEDIATED"
},
{
"name": "virtio_net@a001000",
"base_ipa": "0xa001000",
"length": "0x1000",
"irq_id": 49,
"cfg_num": 6,
"cfg_list": [
"0x74",
"0x56",
"0xaa",
"0x0f",
"0x47",
"0xd1"
],
"type": "EMU_DEVICE_T_VIRTIO_NET"
},
{
"name": "virtio_console@a002000",
"base_ipa": "0xa002000",
"length": "0x1000",
"irq_id": 50,
"cfg_num": 2,
"cfg_list": [
"0",
"0xa002000"
],
"type": "EMU_DEVICE_T_VIRTIO_CONSOLE"
}
]
},
"passthrough_device": {
"passthrough_device_list": [
{
"name": "gicv",
"base_pa": "0x8040000",
"base_ipa": "0x8010000",
"length": "0x2000",
"irq_num": 1,
"irq_list": [
27
]
}
]
},
"dtb_device": {
"dtb_device_list": [
{
"name": "gicd",
"type": "DTB_DEVICE_T_GICD",
"irq_num": 0,
"irq_list": [],
"addr_region_ipa": "0x8000000",
"addr_region_length": "0x1000"
},
{
"name": "gicc",
"type": "DTB_DEVICE_T_GICC",
"irq_num": 0,
"irq_list": [],
"addr_region_ipa": "0x8010000",
"addr_region_length": "0x2000"
}
]
}
}
Step 4: 启动客户虚拟机
sudo tools/shyper vm boot <VMID>
然后就可以和客户虚拟机进行交互了
了解Rust-Shyper参见以下slides 基于Rust的嵌入式虚拟机监视器及热更新技术
我们还有一个可以与Rust-Shyper配合使用的Unikernel，叫做Unishyper。
Rust-Shyper的开发者来自北京航空航天大学计算机学院操作系统研究团队。如果有什么问题，请您通过电子邮件联系我们。
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