● 摘要
机群是一种重要的并行计算机体系结构，成本低廉，可扩展性强，但编程复杂，管理难度大。如何在保持良好可扩展性的同时，提高机群的可编程性和可管理性，是计算机领域的研究热点之一。国内外在这方面进行了深入研究，一个重要的研究方向是实现机群系统的单一系统映像(Single System Image，简称SSI)。计算机虚拟化技术能够抽象计算机的物理资源，隔离硬件与软件。利用虚拟化技术可将机群抽象成具有共享内存特征的虚拟机，支持共享内存编程模式，从而克服机群的不足。当前，在该领域有少量探索性的研究成果，但都不能支持以SMP(Symmetric Multiprocessor)为结点的机群虚拟化。本文的主要工作与贡献在于：调研了现有的实现机群SSI技术和计算机虚拟化技术，分析了各种技术的优势和不足。在此基础上，提出了基于硬件虚拟化技术、在操作系统(Operating System，简称OS)之下实现机群SSI的方法。即：基于硬件虚拟化技术，在机群硬件之上、OS之下构建分布式虚拟机监控器(Distributed Virtual Machine Monitor，简称DVMM)，DVMM感知、整合机群资源，以单一资源空间的方式向OS呈现机群资源，支持OS像使用单机资源一样地使用机群资源，从而隐藏机群的分布式特性，使得以SMP为结点的机群对OS呈现为一台具有SSI特征的虚拟机，并支持OS和应用程序透明地运行于虚拟机之中。研究了现有的单机VMM的体系结构，比较了VMM体系结构与DVMM的功能需求之间的差异，在此基础上，设计了一种运行于机群硬件之上和OS之下，分层合理、功能协调、接口明晰的DVMM体系结构。与现有的VMM体系结构相比，DVMM体系结构具有如下特点：一是具有分布式、对称性结构，即DVMM由分布于各结点上的VMM组成，各结点上的VMM在功能和结构上完全相同；二是直接运行于机群硬件平台之上，不需要OS的支持；三是以整合、使用机群资源为目的，而不是像单机VMM那样以分割、使用机器资源为目的。在研究物理多处理器系统和单机VMM中的资源感知、管理和呈现方法的基础上，提出了一种基于BIOS(Basic Input/Output System，基本输入输出系统)扩展的机群资源整合与呈现方法。即：通过扩展各结点的BIOS，构建eBIOS(extended BIOS)，通过eBIOS感知、整合机群资源，并以与多处理器系统相同的方式向OS呈现机群资源。由于eBIOS运行于OS之下，因此，这种资源整合与呈现方法对OS具有完全的透明性。研究了单机内存虚拟化技术和软件分布式共享存储(Distributed Shared Memory，简称DSM)技术，提出了结合软件DSM技术和内存虚拟化技术在内核层实现机群单一内存空间(Single Memory Space，简称SMS)的方法。即：通过在DVMM中实现DSM算法，将机群的分布式物理内存组织成具有统一地址空间的DSM；通过内存虚拟化技术，实现对DSM的透明访问。现有的内存虚拟化技术只能实现单机内存资源虚拟化，现有的DSM大多实现于OS层或中间件层，对OS不透明。本文结合使用两种技术，这样，既结合了DSM技术和内存虚拟化技术的优势，又克服了各自的不足，一方面，DSM实现于OS之下，因而对OS具有完全的透明性，另一方面，通过与DSM技术结合，拓展了内存虚拟化的作用范围。在研究单机VMM管理和使用物理资源的方法的基础上，提出了一种基于指令捕获和跨结点指令模拟技术，透明使用机群资源的方法。即：在硬件虚拟化技术的支持下，动态地捕获OS访问机群资源的操作，通过机群各结点上的VMM之间的协作，在本地或远程模拟OS的资源访问操作，并将访问结果以对OS透明的方式呈现给OS。通过这种方法使用机群资源，具有完全的透明性，而且使得机群各结点的作用和地位完全对等；实现了一个DVMM原型系统，并对DVMM原型系统进行了功能验证和性能测试。实验结果表明，DVMM原型系统实现了以SMP为结点的机群的SSI。