云桌面时钟虚拟化手艺白皮书

【时钟虚拟化手艺】本文档从时钟原理、时钟的意义以及虚拟化时钟对虚拟机的影响等方面，基于时钟赔偿原理叙述了时钟虚拟化手艺。

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宣布时间：2020-04-29
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我想谈论

摘要

通过本文能够让读者快速明确时钟虚拟化手艺对虚拟机的主要性以及实现的难点。本文档从时钟原理、时钟的意义以及虚拟化时钟对虚拟机的影响等方面，基于时钟赔偿原理叙述了时钟虚拟化手艺。

要害字

时钟虚拟化、时钟中止、时钟漂移、时钟赔偿

术语清单

缩略语/术语	说明
RTC	实时时钟
VMM	虚机监视器
VMCS	虚机控制块，用来控制虚机的行为
IPI	处置惩罚器间中止，CPU相互通知的手段
时钟漂移	虚拟机的时间与真实时间纷歧致的征象

概述

时钟是盘算机运行的基础，虚拟机正常运行并调理使命的须要条件就是对时钟中止的虚拟化。

虚拟化手艺中可以大致分为CPU虚拟化、内存虚拟化、I/O虚拟化三个部分，中止虚拟化属于CPU虚拟化的领域。中止是处置惩罚器提供应系统程序的主要功效，是CPU和外设之间的一种交互方法。而时钟虚拟化是基于中止模拟的基础上，通过中止让盘算机意识到时间。时钟虚拟化的要害是准确的模拟时钟中止。

时钟中止所代表的时间距离会在操作系统初始化的时间由软件和硬件协商好。若是模拟时钟中止的准确度缺乏，会爆发什么？

对用户直观的影响是：

影响虚拟机的实时性，如应用卡顿、程序调理等：假设在电脑上播放视频，原先一帧的画面播放1S时间，用户能正常寓目视频，可是时钟中止响应不实时，操作系统认知的1S是现实的2S，此时一帧画面现实停留了2S时间，此时关于用户来说感受到的就是视频播放卡顿。
时钟漂移：其时钟中止处置惩罚不实时，现实经由3S的时间才注入一个时钟中止，此时虚拟机只以为经由了1S，长此以往，虚拟机中的时间就会比现实的时间慢，即可能泛起现实已经是10:00，而虚拟机中才8:00的征象。

针对上述问题征象，97国际云桌面提供了时钟赔偿战略来修正时钟偏移征象，并改善虚拟化的实时性。包管了虚拟机内部的时间与物理机时间的一致性。

手艺先容
1. 基础知识
  1. 盘算机硬件时钟的原理

盘算机是怎样感知到时间的呢？犹如被困荒岛中人使用“正”字来纪录在荒岛上经由的时间，每一天写一笔，对笔画的计数就能够知道时间一样，盘算机通过硬件的“振荡器+计数器”来实现计时的。总结来说就是通过对牢靠频率的事务统计次数就能够知道经由的时间。

如图 2.1?1 振荡器的电路所示，振荡器在通电的情形下，连通的电路使得电磁铁把金属开关拉了下来，此时电路不再连通，电磁铁不再具有磁性，金属开关又弹回原位，一直重复�？梢钥吹揭坏┩ǖ�，振荡器就不需要人干预，可以完全自觉的事情，这就是盘算机通电后自动运行的基础。（现在使用的是晶体振荡器，原理类似）。

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图 2.1?1 振荡器的电路

振荡器也被称为时钟(clock)，是爆发时钟中止的依据。振荡器的输出在0和1之间凭证固有纪律交替转变，将这种输出信号称为时钟信号。振荡器的频率是牢靠的。

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图 2.1?2 时钟信号

此时对振荡器的输出信号举行计数，能够知道经由时间距离了，最后硬件再通过中止机制将该距离见告给PC。

综上所述，时钟硬件每经由一个时间距离时爆发一其中止见告盘算机，这其中止就称为时钟中止。因此当盘算机吸收到时钟中止，就知道一段的时间已往了。

1. 1. 古板的时钟虚拟化

古板时钟虚拟化在中止模拟的基础上，通过软件准时器设置周期性使命，实现准时爆发时钟中止的功效。

时钟中止的模拟需要实现天生、收罗和注入的整个历程。中止的天生一样平常是由各个模拟装备爆发，收罗和注入则是由模拟的中止控制器完成。中止控制器的两大功效：检测是否有中止爆发和将中止注入虚拟机。

虚机在运行历程中一直地在GuestOS与HostOS之间切换，如图 2.1?3 VM entry和VM exit所示，从主机（VMM）到虚机称为VM Entry，从虚机切换到主机称为VM Exit。VMXON和VMXOFF是用来开启/退出VMX操作模式的指令。虚机中止模拟机制是在VM Entry的时间向虚机注入中止的信息。

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图 2.1?3 VM entry和VM exit

当模拟的时钟硬件爆发中止后，就依据图 2.1?4 中止注入流程将中止注入到虚拟机中。首先将中决绝给中止控制器，中止控制器凭证中止的优先级将中止注入虚机，中止是通过vCPU从VMM切换到虚机运行情形时注入的。以是vCPU若是在运行中，就需要通过IPI来使得vCPU退出到VMM中。

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图 2.1?4 中止注入流程

1. 1. 古板时钟虚拟化的问题

在PC中，时钟中止的优先级是很高的，通过高优先级来包管中止的实时处置惩罚；可是虚拟化中通过软件实现中止，此时的优先级就自然被降低了，软中止无法包管自身被实时处置惩罚。现在假设一个时钟中止代表1S的距离（现实中，时钟中止代表的时间距离是毫秒级的），若是模拟的中止响应不实时，就会导致前一其中止还未注入虚拟机就又爆发了一个新的时钟中止，而中止控制器只能处置惩罚一个相同的中止，以是爆发的两其中止现实只注入一个到虚拟机中，虚拟机只接受到一其中止以为经由了1S的时间，可是现实上已经经由了2S。此时虚拟机对时间的感知就与真实时间泛起了误差。

因此影响了时钟的准确性以及服务的实时性，从而导致了概述中的问题。