「Rust-Shyper 是北京航空航天大學(xué)計算機學(xué)院王雷教授團隊設(shè)計開發(fā)的虛擬機監(jiān)控器，該系統(tǒng)基于 Rust 語言，實現(xiàn)了一個高可靠、嵌入式 Hypervisor。2023 年 2 月 15 日 Rust-Shyper 正式在 openEuler 社區(qū)開源。」

項目地址：https://gitee.com/openeuler/rust_shyper

Rust-Shyper 是一款基于 AArch64 架構(gòu)、「Rust 編寫」、面向無人車、機器人等嵌入式場景的「Type-1 型」虛擬機監(jiān)控器（Hypervisor）。其設(shè)計目標(biāo)是在提高資源利用率的同時，保障虛擬機實時性、隔離性與內(nèi)存安全。此外，Rust-Shyper 支持「虛擬機遷移」（VM migration）和「監(jiān)控器動態(tài)升級」（Hypervisor Live-update）兩種熱更新機制，能夠在不影響虛擬機運行的情況下，動態(tài)修復(fù) Hypervisor 的軟件漏洞。目前該系統(tǒng)可以在 NVIDIA Jetson TX2、Raspberry Pi 4 和 QEMU 平臺上運行，支持實時和非實時虛擬機，可運行 Linux 和 RTOS。

嵌入式虛擬化的挑戰(zhàn)

物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展使得現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)正在朝著通用系統(tǒng)和混合關(guān)鍵系統(tǒng)的方向演化，其承載的任務(wù)往往有著不同的可靠性、實時性和驗證級別，如何保證不同關(guān)鍵性任務(wù)之間的相互隔離以及實時性成為了一個難題。虛擬化技術(shù)提供的資源隔離手段成為了解決上述問題的關(guān)鍵，但嵌入式虛擬化也面臨一些挑戰(zhàn)：

如何保證虛擬機之間的「隔離性和安全性」，防止惡意攻擊；

如何保證虛擬機之間的通信效率和「實時性」，避免延遲或者抖動；

如何保證「Hypervisor 本身的穩(wěn)定性和可靠性」，防止出現(xiàn)故障。

Rust-Shyper 的設(shè)計理念和特點

「內(nèi)存安全」：利用 Rust 語言類型系統(tǒng)和內(nèi)存安全模型，保證 Hypervisor 的內(nèi)存安全；

「強隔離性」：利用硬件輔助虛擬化，實現(xiàn)虛擬機間的安全隔離和故障隔離；

「豐富的設(shè)備模型」：為提高資源利用率，實現(xiàn)了直通設(shè)備、中介傳遞和全模擬等多種設(shè)備模型；

「實時虛擬化」：針對性能需求 ，實現(xiàn)資源直通以及實時虛擬化技術(shù)；

「虛擬機監(jiān)控器熱更新技術(shù)」：實現(xiàn)了虛擬機遷移和監(jiān)控器動態(tài)升級兩類視器熱更新機制。

Rust-Shyper 系統(tǒng)架構(gòu)和功能

Rust-Shyper 是一款基于 AArch64 體系結(jié)構(gòu)的 Type-1 虛擬機監(jiān)控器，整個結(jié)構(gòu)包含三個層級：

最底層為硬件層級，對應(yīng) ARMv8 EL3 固件層級；

中間層為虛擬機監(jiān)控器層，對應(yīng) ARMv8 EL2 虛擬化層級，該層級也是 Rust-Shyper 代碼所處的特權(quán)層級；

最上層為虛擬機層級，對應(yīng) ARMv8 EL1 和 EL0 層級。

為了符合嵌入式應(yīng)用的需求，Rust-Shyper 通過提供不同的虛擬機類型，來提供差異化的虛擬化服務(wù)，Rust-Shyper 中支持管理虛擬機（MVM）、客戶虛擬機（GVM）、實時虛擬機（RTVM）等三類虛擬機。

Rust-Shyper 的「虛擬機監(jiān)控器熱更新技術(shù)」

為了提升嵌入式場景下 Hypervisor 的可靠性，Rust-Shyper 引入了跨硬件的虛擬機遷移技術(shù)和本地?zé)岣录夹g(shù)。

虛擬機遷移

虛擬機遷移技術(shù)的整個流程如上圖所示。Rust-Shyper 實現(xiàn)了基于 Pre-Copy 策略的虛擬機在硬件平臺之間的遷移，可用于負載平衡和錯誤預(yù)防。

監(jiān)控器動態(tài)升級

Rust-Shyper 設(shè)計實現(xiàn)了「監(jiān)控器動態(tài)升級技術(shù)」，其最大延遲抖動低于 Jailhouse，顯著降低熱更新成本，滿足虛擬機的實時性需求，可用于軟件版本升級和錯誤修復(fù)。

應(yīng)用場景與未來的規(guī)劃

基于 Rust-Shyper 移植 NVIDIA Jetson TX2 硬件平臺的無人車應(yīng)用（預(yù)計 2023 年 5 月完成）；

基于 Rust-Shyper 支持 ROS 系統(tǒng)，移植機器人應(yīng)用；

針對 Virtio 等虛擬化設(shè)備模型的優(yōu)化研究；

針對 RISC-V 平臺的 Rust-Shyper 移植。

關(guān)于我們

北航王雷老師的團隊承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金項目、863 課題和核高基等多項科研項目。在虛擬化方面，針對混合關(guān)鍵領(lǐng)域高可靠、強實時的要求，基于時空分區(qū)的隔離機制，開發(fā)了 C 語言的 Shyper 虛擬機監(jiān)控器，該監(jiān)控器已經(jīng)通過了 EAL5+ 認(rèn)證。在操作系統(tǒng)內(nèi)核方面，基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，針對 Linux 內(nèi)核提出了基于年齡的演化模型，合理地解釋了操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特征的形成機理。

審核編輯：湯梓紅