Rust-Shyper 研究报告
总合研究报告——Rust-Shyper
摘要
随着物联网（IoT）和嵌入式系统的快速发展，对资源利用率、实时性能以及系统可靠性提出了更高的要求。传统基于服务器的虚拟机监控器（如 KVM 和 Xen）在嵌入式场景中因性能和安全性问题难以应用。
针对这一挑战，北航计算机学院操作系统研究团队（下称“研究团队”）提出了 Shyper，一种采用分层资源隔离策略的嵌入式 Hypervisor，进一步通过 VM 迁移 和 热更新 机制提升其可靠性。最终，团队使用 Rust 语言实现了 Rust-Shyper，显著增强了系统的内存安全性和容错能力，并确保在不牺牲性能的前提下提供高可靠性的嵌入式虚拟化解决方案。
引言
嵌入式系统通常需要整合多种功能，满足不同的可靠性、实时性能和验证要求，同时受限于功耗、体积、重量和成本。传统的嵌入式虚拟化方案在资源利用率和系统可靠性方面存在显著不足。
为此，研究团队致力于开发一种高效、可靠且具备实时性能的嵌入式 Hypervisor —— Shyper，并在此基础上通过引入 VM 迁移和热更新机制进一步提升系统的容错能力，最终使用 Rust 语言实现了更为安全和可靠的 Rust-Shyper。
相关工作
传统服务器级虚拟化
传统的服务器级 Hypervisor（如 KVM 和 Xen）旨在提供高效、公平和可扩展的虚拟机服务，但在嵌入式场景下面临包括复杂的内存管理、庞大的可信计算基（TCB）等诸多挑战。这些因素导致传统 Hypervisor 难以在资源受限和对实时性要求高的嵌入式系统中应用。
基于静态分区策略的嵌入式虚拟化
Jailhouse、Bao、ACRN等方案通过静态分配所有平台资源，确保每个虚拟机独占特定资源，极大降低了开销，提升了实时性能。但资源的静态分配导致资源利用率低下，虚拟机的可扩展性受限，难以满足不同虚拟机同时运行的差异化需求。
为解决上述问题，研究团队提出了 Shyper，一种基于静态分区策略的嵌入式 Hypervisor，通过手动分类虚拟机并采用细粒度的空间和时间资源隔离机制，提供了更好的资源利用率和虚拟机可扩展性。
虚拟机迁移与热更新
虚拟机迁移技术通过将运行中的虚拟机从一个物理平台迁移到另一个平台，实现了运行时的故障容错能力。然而，传统迁移策略（如预拷贝和后拷贝）在嵌入式环境中由于网络传输延迟和资源开销问题，难以满足实时性的要求。为此，研究团队在 Shyper 的基础上引入了 VM 迁移 和 热更新 机制，提升了系统的可靠性和容错能力。
使用 Rust 语言实现 Hypervisor
C 语言缺乏内存安全性，容易引发内存越界和空指针引用等漏洞。Rust 语言凭借其所有权系统和借用检查器，提供了内存安全保障，同时保持了接近 C 语言的性能。因此，使用 Rust 语言实现 Hypervisor 成为提升系统可靠性和安全性的有效途径。
系统设计与实现
- Shyper 的总体设计
Shyper 是一种 Type I 实时嵌入式 Hypervisor，旨在通过细粒度的分层资源隔离策略和“VM-Exit-less”实时虚拟化技术，提供对不同关键性虚拟机的差异化服务。
Shyper 的系统结构包括管理 VM（MVM）、通用 VM（GVM）和实时 VM（RTVM），通过手动分类和分层资源分配，确保不同虚拟机之间的严格隔离。
Shyper 采用 CPU 调度、内存管理和设备隔离等多种策略，实现了细粒度的资源分配和管理，提升了资源利用率和系统可扩展性。
Shyper 引入了 GIC 部分直通（GPPT） 和 任务远程核心分配（TRCA） 两种实时虚拟化技术，减少中断延迟和 VM-Exit 开销，保障了实时性能。 - VM 迁移与热更新机制
为提升 Shyper 的可靠性，研究团队实现了 VM 迁移 和 Hypervisor 热更新 两种容错机制。
VM迁移采用基于预拷贝（pre-copy）策略的 VM 迁移机制，通过多轮内存拷贝和脏页管理，减少迁移过程中的停机时间，确保关键虚拟机的持续运行。
热更新机制则允许在不依赖网络或额外硬件的情况下动态修复 Hypervisor 中的 Bug，最小化对运行虚拟机的影响，提升系统的高可用性。 - Rust-Shyper 的设计
Rust-Shyper 是基于 Rust 语言实现的高可靠性嵌入式 Hypervisor，进一步提升了系统的内存安全性和容错能力。
Rust-Shyper 保持了 Shyper 的基本架构，但充分利用 Rust 的内存安全特性，通过所有权和借用机制消除内存越界和空指针等漏洞。
在 Rust-Shyper 中，VM 迁移和 Hypervisor 热更新机制经过优化，利用 Rust 的异步编程模型和高效的任务调度，进一步降低了系统开销和延迟。
Rust-Shyper 通过细粒度的 CPU 调度、内存管理和设备隔离，确保不同类型虚拟机的资源需求得到满足，同时提升了整体资源利用率和系统性能。
实验与评估
- 实验设置
实验在标准嵌入式硬件平台上进行，采用常见的嵌入式操作系统（如 RT-Linux）作为虚拟机操作系统，评估 Shyper 和 Rust-Shyper 在资源利用率、实时性能、内存安全性以及容错能力等方面的表现。 - 性能评估
资源利用率：通过细粒度的资源分配和动态调度，Shyper 和 Rust-Shyper 相较于传统静态分区策略，显著提升了资源利用率。
实时性能：引入 GPPT 和 TRCA 技术后，系统在处理中断和任务调度时的延迟大幅降低，满足了实时任务的需求。
内存安全性：Rust-Shyper 利用 Rust 的内存安全特性，显著减少了内存越界和空指针引用等漏洞，相较于基于 C/C++ 实现的 Hypervisor 更为可靠。 - 可靠性评估
• VM 迁移：实验结果表明，基于预拷贝策略的 VM 迁移机制能够在极短的停机时间内完成迁移，确保关键虚拟机的连续运行。
• Hypervisor 热更新：Rust-Shyper 的热更新机制在不影响运行虚拟机的情况下，成功修复了多个 Hypervisor Bug，验证了其高效的容错能力。 - 与现有方案对比
• Shyper vs. 传统 Hypervisor：Shyper 在资源利用率和实时性能上优于传统服务器级 Hypervisor，如 KVM 和 Xen，尤其在嵌入式场景中表现更为出色。
• Rust-Shyper vs. Shyper：Rust-Shyper 在内存安全性和容错能力方面进一步优于 Shyper，利用 Rust 语言的优势，有效减少了系统漏洞，提高了整体系统的可靠性。
结论
研究团队通过系列工作，打造了一套高效、可靠且具备实时性能的嵌入式虚拟化解决方案。从最初的 Shyper，通过引入 VM 迁移和热更新机制，提升了系统的容错能力，最终使用 Rust 语言实现 Rust-Shyper，大幅增强了系统的内存安全性和可靠性。这些成果不仅解决了传统服务器级 Hypervisor 在嵌入式场景中的应用难题，也为未来嵌入式系统的虚拟化技术发展提供了有力的技术支持。
未来工作
未来的研究将继续在以下几个方向展开：
- 多核支持与扩展性：优化 Rust-Shyper 在多核系统上的表现，支持更多类型的虚拟机和多层虚拟化架构。
- 增强安全性机制：引入更高级的安全策略，如基于硬件安全模块（HSM）的加密与认证机制，进一步提升系统的抗攻击能力。
- 动态资源管理：结合智能调度算法，实现更为灵活和高效的资源管理策略，优化系统在不同负载下的性能表现。
- 跨平台适配与兼容性：扩展 Rust-Shyper 的硬件平台支持，适配更多嵌入式硬件架构，提升其应用的普适性。
- 实际应用案例研究：在真实嵌入式系统中部署 Rust-Shyper，开展多种应用场景下的性能和可靠性测试，验证其在工业、车载和 IoT 等领域的实际效果。
- 形式化验证与代码审计：进行更为严格的形式化验证和代码审计，确保 Rust-Shyper 在系统级别的正确性和安全性，巩固其作为高可靠性嵌入式 Hypervisor 的地位。
浙公网安备 33010602011771号