计算系统虚拟化：原理与应用

　　虚拟化技术是计算机体系结构领域的重要技术，它在工业界和学术界得到了广泛的重视。本书立足于虚拟化技术研究的前沿，从原理与应用两个角度详细论述了虚拟化技术本身以及与之相关的主要问题，分别介绍了虚拟化技术的基本概念与发展历程、指令级虚拟化、单计算系统虚拟化、多计算系统虚拟化、桌面虚拟化虚拟机安全与可信、虚拟机评测和标准、应用高效能计算机的虚拟化技术以及仿真应用中的虚拟化技术，最后总结了虚拟化技术的现状并对未来进行了展望。本书是有关虚拟化的学术专著，包含了开展虚拟化研究以来在学术界、工业界有价值、有影响力的成果，在内容编写上力求新颖、具体、实用。本书既可作为高等学校高年级本科生及研究生的教材，也可作为学术界、企业界虚拟化技术研究者的重要参考书。

　　金海，博士，华中科技大学教授、博士生导师，华中科技大学计算机学院院长、“集群与网格计算湖北省重点实验室”和“服务计算技术与系统教育部重点实验室”主任，清华大学、复旦大学兼职教授，中国科学院计算所客座研究员、博士生导师。武汉市政协委员。国务院特殊津贴专家。中国计算机学会常务理事、湖北省计算机学会理事长、中国计算机学会对外联络部副主任、中国计算机学会高性能计算专委会委员和普通计算专委会委员。973计划“计算系统虚拟化基础理沦与方法研究”首席科学家，教育部重大专项“中国教育科研网格hinaGrid”计划专家组组长。教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队学术带头人，湖北省自然科学基金创新团队学术带头人。金海是国家杰出青年基金获得者，霍英东高等院校青年教师基金获得者，入选“首批新性纪百千万人才工程国家级人选”，2004年获中国软件行业十大杰出青年称号。第五届湖北省青年科技奖获得者，湖北省第六届十大杰出青年获得者。2003年获中共中央组织部、中共中央宣传部、中共中央统战部、国家人事部、国家教育部、国家科技部六部委联合颁发的“留学回国人员成就奖”。获国家科技进步二等奖1项、国家发明二等奖1项、教育部科技进步／技术发明一等奖3项、湖北省科技进步／技术发明一等奖2项。金海1994年毕业于原华中理工大学计算机系计算机系统结构专业，获工学博士学位。1996年获德国DAAD交换学者奖学金，在德国chcmnitz大学从事scl互连的sMP集群计算机的科研合作。1998年至2000年赴香港大学从事博士后研究，期间于1999年至2000年赴美国南加州大学继续从事博士后研究工作。2000年底回国工作至今。曾参加香港大学和美国南加州大学的集群及网络系统的研究。主要研究领域为计算机体系结构、计算系统虚拟化、集群计算和网格计算、对等计算、网络存储与并行I／O、网络安全等。金海是IEEE及IEEE计算机学会高级会员、ACM会员，全球网络论坛策划安员会（6GFSG）委员。现任《Parallel Computing》、《International Journal of Grid and Utility Coreputing》、《International Journal on Web and Grid Services》、《Journal of Autonomic and Trusted Computing》、《Journal of Ubiquitous Computing and Intelligence》、《Intematiorial Journal of Computer and Applications》、《Journal of Sciencc and Technology》等杂志编委，网格与普适计算国际学术会议指导委员会主席、亚人服务计算国际学术会议指导委员会主席以及IEEE／AcM集群和网格计算国际会议、集群和协同计算国际会议、IFlP网络与并行计算国际会议、泛在与智能计算国际会议、自主与可信计算国际会议等指导委员会委员。先后40余次担任国际学术会议／程序委员会主席／副主席、230余次担任国际学术会议程序委员会委员，50余次在国际／国内学术会议上作大会主题演讲或特邀报告。金海在国内外正式发表学术论文300余篇，其中被SCI、EI等权威检索刊物收录160余篇次。获国家发明专利19项、申报国家发明专利48项，申报美国发明专利1项，获国家软件著作版权52项。主持了一批重大科研项目，包括973项目、教育部重大专项、国家杰出青年基金项目、国家自然科学基金重大／重点项目、863重点项目、CNGI项目、霍英东高等院校青年教师基金项目、国际合作项目等。

第1章 概述
1.1 虚拟化简介
1.2 虚拟化技术的发展与分类
1.2.1 发展历程
1.2.2 虚拟化技术的分类
1.3 虚拟化的相关研究内容
1.3.1 多计算系统的虚拟化
1.3.2 虚拟用户使用环境
1.3.3 虚拟计算系统的安全可信机制
1.3.4 虚拟计算系统的性能评测
1.4 虚拟化的应用
1.4.1 虚拟化在高效能计算机中的应用
1.4.2 虚拟化仿真技术的应用
1.5 各章内容简介
第2章 指令级虚拟化
2.1 二进制翻译技术概览
2.1.1 解释执行
2.1.2 静态二进制翻译
2.1.3 动态二进制翻译
2.1.4 二进制翻译系统框架
2.1.5 动态优化
2.2 二进制翻译的技术难点
2.2.1 指令集的相关问题
2.2.2 代码挖掘问题
2.2.3 运行环境仿真
2.2.4 二进制翻译系统的效率
2.3 典型的二进制翻译系统
2.3.1 DAISY／BOA系统
2.3.2 Crusoe处理器
2.3.3 Arles和IA一32 EL
2.3.4 Dynamo动态优化系统
2.3.5 JIT编译技术
2.4 二进制翻译处理器
2.5 本章小结
第3章 计算系统虚拟化方法
3.1 系统级虚拟化概述
3.2 CPU虚拟化
3.2.1 经典虚拟化的逻辑模型
3.2.2 x86的CPU虚拟化方法
3.2.3 虚拟CPU的调度
3.2.4 小结
3.3 内存虚拟化
3.3.1 内存虚拟化的基本原理
3.3.2 内存虚拟化的优化机制
3.3.3 小结
3.4 I／O虚拟化
3.4.1 当前I／O设备虚拟化的几种方法
3.4.2 虚拟机的直接I／O访问
3.4.3 小结
3.5 操作系统适配
3.5.1 迁入虚拟化环境
3.5.2 支持虚拟机管理
3.5.3 为特殊项目定制
3.5.4 虚拟装置
3.5.5 小结
3.6 系统级多机虚拟化
3.6.1 传统的单一映像管理系统MOSIX
3.6.2 系统级多机虚拟化概述
3.6.3 系统级多机虚拟化的主要方法
3.6.4 现有系统级多机虚拟化系统
3.6.5 小结
3.7 其他虚拟化方法：进程级虚拟化及语言级虚拟化
3.7.1 进程级虚拟化
3.7.2 语言级虚拟化
3.7.3 网格和虚拟化
3.8 本章小结
第4章 多虚拟机监控与管理
4.1 多虚拟机之间的迁移
4.1.1 虚拟机迁移步骤
4.1.2 虚拟机迁移机制
4.1.3 虚拟机迁移的特点
4.1.4 虚拟机迁移过程中的资源迁移
4.2 多虚拟机资源管理实例
4.2.1 多虚拟机服务器管理软件——Virtual Infrasltructure
4.2.2 多虚拟机服务器管理软件——Parallax
4.2.3 多虚拟机桌面管理系统——Collective
4.2.4 用户计算环境的移动化——Internet：Suspend／Resume系统
4.2.5 部署和评测网络服务的全球平台——PlanetLab
4.3 本章小结
第5章 虚拟用户使用环境
5.1 虚拟化：从服务器到桌面
5.2 用户使用环境虚拟化
5.2.1 应用程序的远程虚拟显示
5.2.2 用户远程虚拟执行环境
5.2.3 用户本地环境快速构建
5.2.4 用户环境的迁移
5.2.5 用户环境的回滚和重放
5.3 应用程序的虚拟化
5.3.1 Thinstall系统
5.3.2 Appstream系统
5.4 虚拟机网络
5.4.1 虚拟机支持的虚拟网络
5.4.2 虚拟化网络执行环境
5.5 虚拟化编程环境
5.5.1 LLVM轻量级虚拟机
5.5.2 Joeq系统
5.6 本章小结
第6章 安全可信的虚拟计算系统
6.1 虚拟化系统的安全挑战
6.2 虚拟化系统基本安全机制
6.2.1 虚拟机基本安全机制
6.2.2 KVM基本安全机制
6.2.3 实例系统安全机制分析
6.3 基于虚拟机的入侵检测
6.3.1 入侵检测简介
6.3.2 基于虚拟机的入侵检测的基本原理
6.3.3 基于虚拟机的入侵检测原型系统
6.3.4 基于虚拟机的蜜罐系统
6.3.5 基于虚拟机的蜜网系统
6.4 恶意代码检测与隔离
6.4.1 恶意代码的安全威胁
6.4.2 虚拟化恶意软件
6.4.3 基于虚拟机的恶意代码检测与隔离
6.5 虚拟可信机制
6.5.1 可信计算简介
6.5.2 虚拟可信平台
6.6 本章小结
第7章 虚拟计算系统的性能评测
7.1 虚拟计算系统的性能测量
7.1.1 性能测量指标
7.1.2 性能测量方法
7.1.3 现有测试规范
7.2 虚拟计算系统的性能分析
7.2.1 排队网络模型
7.2.2 半／马尔可夫链模型
7.2.3 Petri网模型
7.2.4 随机进程代数模型
7.2.5 分析方法和虚拟计算系统
7.3 虚拟计算系统的性能模拟
7.3.1 轨迹驱动模拟
7.3.2 执行驱动模拟
7.3.3 离散事件模拟
7.3.4 全系统模拟
7.3.5 统计模拟
7.4 虚拟计算系统的可用性
7.4.1 虚拟计算系统可用性的衡量标准
7.4.2 虚拟计算系统可用性的评测方法
7.5 本章小结
第8章 虚拟化在高效能计算机中的应用
8.1 高效能计算发展中面临的问题
8.2 基于虚拟化技术的高效能计算
8.2.1 适合高效能计算的虚拟机管理器
8.2.2 虚拟化环境系统管理
8.2.3 资源管理
8.2.4 I／O和存储
8.2.5 高可用和容错
8.3 关键技术问题
8.3.1 性能问题
8.3.2 多核处理器
8.3.3 并行系统管理
8.4 应用举例
8.4.1 整合异构资源一Cray的白适应超级计算
8.4.2 资源管理——虚拟化InfiniBand集群系统
8.4.3 系统容错——主动容错系统
8.4.4 虚拟化系统环境——VsE
8.4.5 并行编程环境——Charm++和AMPI
8.4.6 虚拟化系统管理工具
8.4.7 半虚拟化技术应用于高效能计算的性能测试
8.5 应用前景分析
8.6 本章小结
第9章 虚拟化在仿真系统中的应用
9.1 虚拟化技术在仿真中的需求
9.1.1 建模仿真技术体系及发展趋势
9.1.2 虚拟化在仿真中的应用需求
9.2 虚拟化技术在仿真中的应用现状
9.2.1 高能物理仿真：基于VMware ESX的粒子探测器仿真系统
9.2.2 网络安全仿真：用于Botnet研究的综合试验台环境仿真系统
9.2.3 复杂产品仿真：基于JVM的起落架协同仿真系统
9.3 虚拟化与仿真进一步融合所面临的挑战
9.3.1 虚拟化仿真系统体系结构
9.3.2 虚拟化仿真资源描述方法
9.3.3 仿真执行环境自动化部署技术
9.3.4 虚拟化仿真调度算法
9.3.5 基于虚拟机的仿真容错迁移技术
9.4 虚拟化仿真系统及其展望
9.4.1 虚拟化仿真系统及其特点
9.4.2 进一步研究与应用展望
第10章 虚拟化技术的现状和未来
10.1 虚拟化技术的主要研究组织
10.1.1 世界计算机领域最有影响力的组织
10.1.2 研究虚拟化技术的著名高校
10.1.3 研究虚拟化技术的著名公司
10.1.4 研究虚拟化技术的相关网站
10.2 虚拟化的重要国际会议和刊物
10.2.1 有关虚拟化的重要国际会议
10.2.2 虚拟化重要国际刊物
10.3 虚拟化的未来
10.3.1 虚拟化未来的商业应用趋势
10.3.2 虚拟化未来的学术研究趋势
10.4 本章小结
附录A 相关术语及解释
参考文献