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OERV-VIRT:StratoVirt 完成 AIA 支持,联合电信研究院加速 RISC-V 虚拟化生态
近日,OERV 的虚拟化小组(OERV-VIRT)与电信研究院联合完成了 RISC-V 架构对 StratoVirt 的支持与 Demo 演示,实现了一个以内核态 AIA 作为中断设备,挂载了块设备和串口设备的 RISC-V MicroVM。Stratovirt 相关工作标志着 Rust 虚拟化生态完成了支持 RISC-V 架构的基础组件工作,首次为 RISC-V 实现了使用 KVM 加速的 Rust Hypervisor。
基于 Stratovirt 的工作探索
在对 StratoVirt 深入调研的基础上,虚拟化小组首先针对来自 rust-vmm 的关键依赖项 kvm-bindings 和 kvm-ioctls 引入了 RISC-V 的支持。这一步骤为相关工作提供了基础支持,使 RISC-V 环境下,StratoVirt 能够与 KVM 模块进行有效交互。接下来小组对 StratoVirt 的 20 个 Crate 中的 9 个主要模块进行了深入改进支持,以引入对 RISC-V 架构的支持,具体的支持包括了:
为 util crate 补全了设备树生成过程中所需的 PHANDLE 常量定义,并针对 RISC-V 架构调整了 seccomp 的相应逻辑,为虚拟机的内核提供了安全屏障
为machine_manager crate 新增了支持 RISC-V MicroVM 主板和 StandardVM Virt 主板的功能,使得用户可以根据需要选择不同的虚拟机板型
migration crate 的改进包括为 RISC-V 特有的中断设备 AIA 添加了快照逻辑,使得这些设备在进行虚拟机迁移时能够保持状态一致性
为 cpu crate 加入了管理 RISC-V vCPU 特性和状态所需的结构体和方法,提高了用户客制化 vCPU 的粒度
为 acpi crate 加入了适用于 RISC-V 的 madt-subtable 定义,为 StandardVM 的工作提供了支撑
在 devices crate 中加入和调整了适合 RISC-V 特有的 AIA 设备管理和操作接口,同时对 fwcfg 和 serial 等设备进行了必要的修改
hypervisor crate 参考了 riscv64 平台上的 kvm.h 头文件定义,通过支持了 RISC-V 的 rust-vmm crates 实现了与 KVM 模块的交互接口
为 bootloader crate 加入了根据 RISC-V image header 实现的内核快速加载逻辑,提高了启动效率
为 machine crate 补全了 RISC-V MicroVM 的内存分布、设备树生成逻辑及其启动流程,这为虚拟机的运行提供了基本架构
电信研究院基于用户态 PLIC 的工作为 StratoVirt 的 RISC-V 支持打下了基础,OERV 虚拟化小组进一步完成了基于 AIA 标准的相关工作,以支持性能更高,拓展性更强并且硬件资源利用率更高的 RISC-V 虚拟化场景,为即将到来的硬件虚拟化生态落地提供保障。相关改进在 StratoVirt v2.4.0 版本中得到实现,并最终构建了一个以内核态 AIA 作为中断设备、并挂载了块设备和串口设备的 RISC-V MicroVM。
系统成功在 StratoVirt 上构建并运行了 Linux 内核以及 busybox 构建的 rootfs,顺利实现了 MicroVM 的启动。此外,用户还可以通过访问 /proc 目录下的 cpuinfo 来查看 CPU 的扩展信息,并通过 device-tree/soc 目录验证虚拟机挂载的 AIA 中断设备的状态,确保其正确性和功能性。
推动 Rust 虚拟化生态对 RISC-V 架构的支持
完善 Rust 虚拟化生态对 RISC-V 架构的支持,无法绕开围绕 KataContainers 的相关工作,作为一个轻量级虚拟化容器解决方案,其运行依赖于底层虚拟机监控器的支持。StratoVirt 作为其中的一种 Hypervisor 实现,相关工作只是实现生态落地应用的一条路径。
目前市场缺乏带有 H 扩展和 AIA 的物理机,这使得构建 RISC-V 虚拟化设施的持续集成(CI)链路变得困难。这种环境的不足也影响了对 KataContainers 相关支持的验证工作。KataContainers 自带的 Dragonball Hypervisor 面临类似问题,因为它依赖于尚未支持 RISC-V 的 kvm-bindings 和 kvm-ioctls。
为了解决这些问题,OERV 虚拟化小组采取了多方面的措施。首先,小组为 KataContainers 的 Go Runtime 提供了 RISC-V 架构的支持,使得 KataContainers 能够通过 QEMU 在 RISC-V 平台上启动容器。其次,小组拓展了 KataContainers 可选的 Hypervisor 选项,使得 StratoVirt 的相关工作可以利用 KataContainers 得以应用。同时,为了支持 Dragonball Hypervisor,小组正在追踪和支持 rust-vmm 社区对 kvm-bindings 和 kvm-ioctls 对 RISC-V 架构的引入工作。此外,小组还在设计和验证 RISC-V 在虚拟化及云原生社区的 CI 链路的工作上投入了努力。
下一步工作规划
在上述工作的基础上,OERV 虚拟化小组为基于OpenAtom openEuler(简称"openEuler")社区,打造完善支持 RISC-V 虚拟化的云原生系统基座,将在未来加大投入 Rust 虚拟化生态在 RISC-V 方向的支持。之后的工作包括:
为 OLK 6.6 Kernel 完全支持 RISC-V AIA 设备驱动
继续使能 kym-bindings、kvm-ioctls 、acpi-tables 和 linux-loader对 RISC-V 架构的支持工作,完善 Rust 虚拟化的CI链路
对标完成 StratoVirt 的 StandardVM 开发工作
进一步对 Dragonball、Cloud-Hypervisor 和 Firecracker 等 Rust Hypervisors 引入 RISC-V 架构的支持,并且引入 openEuler 社区
开发者说
OERV-VIRT 小组由何若轻[1]组建,他对 Rust 虚拟化支持工作进行了方向性规划,并且是主要的代码贡献者。何若轻分享了他在 Rust 虚拟化生态与 RISC-V 建设的历程:
"我在 23 年的夏天加入中国科学院软件研究所举办的 OSPP 开源之夏,为 KataContainers 3.x 升级并调优了日志系统。课题导师用专业的指导把我领进了虚拟化的世界,也使我加强了对 Rust 语言的掌握。"
"起初 KataContainers 是用 Go 语言实现的,顺应了云原生领域的语言趋势。但之后社区的精英们仍然决定不惜投入大量的时间和精力,用 Rust 语言重构 runtime;以及一众 Rust Hypervisors 在开源社区中脱颖而出,无不说明了 Rust 在虚拟化/云原生领域确有明显优势。Rust 优秀的生态加持(被广泛使用的 rust-vmm)库等,也为 Rust 在该领域的成功奠定了基础。"
"RISC-V 架构在指令集层面通过 H 扩展,Sxaia 扩展,以及 AIA 等,在不断地尝试为硬件辅助虚拟化提供更深层次的支持,以加速虚拟化软件栈的执行。我相信 Stratovirt,Dragonball 等 Rust hypervisor,以及 KataContainers 一定能够在 RISC-V 架构上更大限度地挖掘自身的潜力和应用,RISC-V 很快会在虚拟化/云原生领域拥有自己的一席之地。"
结语
OERV 将加大投入 Rust 虚拟化生态在 RISC-V 方向的支持,设计、验证、维护 RISC-V 在虚拟化/云原生社区的 CI 链路,进一步补全所有 Rust Hypervisors 对 RISC-V 架构的支持,增强 openEuler 在 RISC-V 与 虚拟化场景的基础能力。
我们预计随着 RISC-V 生态的发展,基于 Rust 的虚拟化项目会成为推动 RISC-V 硬件应用的关键因素。同时,即将到来的 RISC-V "H 时代" 也会成为 Rust 虚拟化生态发展的强大助力。对 openEuler RISC-V 生态建设感兴趣的伙伴们,可以添加下面的微信,加入我们 openEuler RISC-V 开发群聊做进一步了解。
中科院软件所王经纬
申请时请备注 OERV
[1]: 何若轻,来自重庆理工大学,钢琴业余选手,沉迷计算机原著书籍,Rust 练习时长两年半,有自己的个人博客,技术宅星人,在虚拟化方向为 RISC-V 生态贡献中。