1 引言
Linux移動(dòng)終端是指基于Linux內(nèi)核的手機(jī)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(MID)和上網(wǎng)本等便攜設(shè)備。In-tel公司的MID設(shè)備、基于Google公司的Android系統(tǒng)的手機(jī)和基于Maemo系統(tǒng)的諾基亞手機(jī)等都屬于Linux移動(dòng)終端。Linux移動(dòng)終端的市場(chǎng)份額不斷擴(kuò)大。未來(lái)幾年，3G通信技術(shù)、移動(dòng)設(shè)備硬件技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用程序商店模式的普及將進(jìn)一步擴(kuò)大移動(dòng)終端的用途。
然而，移動(dòng)終端所面臨的安全威脅很快將超越個(gè)人電腦，成為個(gè)人信息安全的第一大隱患。2009年以來(lái)，病毒的年度增長(zhǎng)數(shù)量將有可能超過(guò)過(guò)去10年的總和。隱私信息被盜、通話被竊聽(tīng)等將給個(gè)人信息安全帶來(lái)極大威脅。而且，移動(dòng)終端面臨更多隱患，包括下載安裝低品質(zhì)的應(yīng)用程序容易導(dǎo)致整機(jī)失靈和應(yīng)用程序相互沖突等。此外，移動(dòng)終端與情景模式相適配將是受歡迎的，這意味著用于工作時(shí)的使用環(huán)境和用于游戲時(shí)的使用環(huán)境是不同的�？偠灾�，移動(dòng)終端需要更安全、更可用和更個(gè)性化。
針對(duì)市場(chǎng)份額日益擴(kuò)大的Linux移動(dòng)終端，本文提出了操作系統(tǒng)級(jí)虛擬化技術(shù)，用于隔離安全威脅和隱患，避免程序失敗導(dǎo)致整機(jī)失靈，同時(shí)通過(guò)提供與應(yīng)用情景模式相適配的使用環(huán)境來(lái)滿足個(gè)性化需求。這一技術(shù)比國(guó)外普遍采用的硬件級(jí)半虛擬化技術(shù)更適用于大眾用戶。
2 移動(dòng)終端虛擬化技術(shù)現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)外普遍看好移動(dòng)終端虛擬化的前景。下面列出了國(guó)外四家公司在移動(dòng)終端虛擬化方面的技術(shù)動(dòng)態(tài)。國(guó)內(nèi)尚無(wú)類似產(chǎn)品問(wèn)世。
(1) VirtualLogix公司的VLX產(chǎn)品，面向ARM硬件平臺(tái)。配備該產(chǎn)品的移動(dòng)手持設(shè)備能夠同時(shí)運(yùn)行修改過(guò)的Linux, Symbian, Android和
Windows四種操作系統(tǒng)。已商用。
(2) VMware公司的移動(dòng)虛擬化平臺(tái)，面向ARM硬件平臺(tái)。配備該產(chǎn)品的手機(jī)能夠同時(shí)運(yùn)行修改過(guò)的Linux, Symbian, Android和Windows四種操作系統(tǒng)。
(3) Open Kernel Labs公司的OKL4，面向ARM,MIPS和Intel Atom硬件平臺(tái)。配備該產(chǎn)品的手機(jī)能同時(shí)運(yùn)行OK: Linux, OK; Windows,OK : Symbian和OK : Android四種操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)名稱前冠以“OK”的原因在于代碼進(jìn)行了修改以與OKL4適配。已商用。
(4)Samsung公司發(fā)起的Xen-ARM項(xiàng)目把通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的虛擬化軟件Xen移植到ARM平臺(tái)。這是一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目，可以從http:刀wiki. xen-source. com/xenwiki/XenARM處下載到源代碼。
文獻(xiàn)[4]介紹了在ARM平臺(tái)上開(kāi)發(fā)虛擬機(jī)管理器原型系統(tǒng)的工作。文獻(xiàn)[s]敘述了把虛擬機(jī)管理器軟件Xen移植到StrongARM平臺(tái)的工作。
以上產(chǎn)品或項(xiàng)目都采用硬件級(jí)的半虛擬化技術(shù)。半虛擬化是在移動(dòng)終端硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)之間加人一層軟件(稱之為虛擬機(jī)管理器)，構(gòu)造出多個(gè)隔離的虛擬硬件平臺(tái)(即虛擬機(jī))，分別運(yùn)行修改過(guò)的操作系統(tǒng)，如圖1所示。修改操作系統(tǒng)的原因在于虛擬硬件平臺(tái)的接口與真實(shí)移動(dòng)終端硬件平臺(tái)的接口不完全一致。
Figure 1 Architecture of paravirtualization
圖1硬件級(jí)半虛擬化
硬件級(jí)半虛擬化具有以下特點(diǎn):
(1)因虛擬化造成的性能損失為200^'8000
(2)不同虛擬硬件平臺(tái)上可以運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)。
(3)操作系統(tǒng)要作出修改，以適配虛擬硬件平臺(tái)的接口。
(4)采用“分離設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型”來(lái)實(shí)現(xiàn)共享設(shè)備的虛擬化。該驅(qū)動(dòng)模型包含前端驅(qū)動(dòng)和后端驅(qū)動(dòng)，由后端驅(qū)動(dòng)調(diào)用真實(shí)的驅(qū)動(dòng)程序。
硬件級(jí)半虛擬化的不足在于:
(1)增加軟件費(fèi)用。用戶須分別為運(yùn)行于各個(gè)虛擬機(jī)內(nèi)的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件支付費(fèi)用，即使應(yīng)用軟件的功能類似。
(2)增加用戶學(xué)習(xí)成本。運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)時(shí)，用戶須學(xué)習(xí)不同操作系統(tǒng)的不同交互方式。
(3)實(shí)現(xiàn)硬件級(jí)半虛擬化技術(shù)的工程規(guī)模大，而且難度高。主要原因是實(shí)現(xiàn)時(shí)需要與硬件打交道;而且，移動(dòng)終端廣泛采用的ARM處理器不能很好地支持虛擬化;此外，運(yùn)行在虛擬機(jī)上的操作系統(tǒng)要作出修改。
以上不足表明，采用硬件級(jí)半虛擬化技術(shù)的移動(dòng)終端不適用于大眾用戶。因?yàn)榇蟊娪脩舾⒅亟?jīng)濟(jì)和好用，而運(yùn)行多種操作系統(tǒng)的需求對(duì)多數(shù)人而言并不強(qiáng)烈。
本文選用操作系統(tǒng)級(jí)虛擬化(下簡(jiǎn)稱為OS虛擬化)技術(shù)路線，一方面能夠增強(qiáng)移動(dòng)終端的安全性、可用性和個(gè)性化;另一方面既不增加軟件費(fèi)用也不增加用戶學(xué)習(xí)成本。操作系統(tǒng)級(jí)虛擬化不支持運(yùn)行多種不同的操作系統(tǒng)。對(duì)Linux移動(dòng)終端而言，這意味著只能在上面運(yùn)行基于Linux內(nèi)核的系統(tǒng)。鑒于多數(shù)大眾用戶不需要運(yùn)行多種操作系統(tǒng)，這一技術(shù)路線有著良好的應(yīng)用價(jià)值。
3 Linux移動(dòng)終端的os虛擬化
OS虛擬化的本質(zhì)是在操作系統(tǒng)內(nèi)核之上構(gòu)造出隔離的運(yùn)行環(huán)境。每一個(gè)運(yùn)行環(huán)境與沒(méi)有進(jìn)行虛擬化時(shí)設(shè)備提供的運(yùn)行環(huán)境是一模一樣的，這一運(yùn)行環(huán)境被稱為虛擬運(yùn)行環(huán)境，簡(jiǎn)稱為虛擬環(huán)境。
經(jīng)過(guò)OS虛擬化的Linux移動(dòng)終端的軟件系統(tǒng)包含三個(gè)部分:添加了虛擬化補(bǔ)丁的Linux內(nèi)核、用戶級(jí)管理工具和虛擬環(huán)境。虛擬環(huán)境是獨(dú)立的、運(yùn)行移動(dòng)應(yīng)用程序的“沙盒”。每一個(gè)虛擬環(huán)境都有自己的根文件系統(tǒng)、系統(tǒng)庫(kù)、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件、用戶和用戶組、進(jìn)程樹(shù)、網(wǎng)絡(luò)配置(如IP地址，路由規(guī)則和防火墻)、設(shè)備等。在不同虛擬環(huán)境中運(yùn)行的程序，彼此互不干擾。圖2中，標(biāo)為VE( Virtual Environment)的圓角矩形框代表了一個(gè)虛擬環(huán)境。在用戶看來(lái)，一個(gè)虛擬環(huán)境是移動(dòng)終端內(nèi)的獨(dú)立區(qū)域，其內(nèi)能安裝和運(yùn)行程序，既不依賴其他虛擬環(huán)境，也不受其他虛擬環(huán)境內(nèi)的程序的影響。
Figure 2 Virtual environment
圖2虛擬環(huán)境
虛擬化補(bǔ)丁的作用是構(gòu)造隔離的虛擬環(huán)境、管理資源以及備份恢復(fù)支持。管理資源的工作包括兩級(jí)的CPU調(diào)度和提供虛擬的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。兩級(jí)CPU調(diào)度是指先為虛擬環(huán)境分配CPU，進(jìn)而在其內(nèi)為進(jìn)程分配CPU。虛擬的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使得虛擬環(huán)境能夠設(shè)定獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)配置。
用戶級(jí)管理工具的作用是創(chuàng)建/刪除虛擬環(huán)境、啟動(dòng)/關(guān)閉虛擬環(huán)境、設(shè)置虛擬環(huán)境參數(shù)和備份/恢復(fù)虛擬環(huán)境。備份和恢復(fù)虛擬環(huán)境功能利于更換手機(jī)。備份時(shí)把虛擬環(huán)境存儲(chǔ)為一個(gè)壓縮包，恢復(fù)時(shí)展開(kāi)壓縮包。如果在另一部移動(dòng)終端上進(jìn)行恢復(fù)，則用戶的使用環(huán)境能完整地被保留。
為減少用戶學(xué)習(xí)成本，虛擬化補(bǔ)丁和用戶級(jí)管理工具都是預(yù)裝在移動(dòng)終端內(nèi)，用戶感受到的應(yīng)當(dāng)只是把移動(dòng)終端分成隔離區(qū)域的能力。用戶只要發(fā)一條指示即可完成創(chuàng)建虛擬環(huán)境的工作，期間自動(dòng)把必需的運(yùn)行庫(kù)和公用程序復(fù)制到新虛擬環(huán)境。
以上構(gòu)思充分借鑒了桌面計(jì)算機(jī)/服務(wù)器的OS虛擬化技術(shù)。基于Linux內(nèi)核的os虛擬化軟件有開(kāi)源軟件OpenVZ ， Linux-VServer，F(xiàn)reeVPS和商業(yè)軟件Virtuozzo。
文獻(xiàn)〔8〕指出OS虛擬化比半虛擬化效率更高。移動(dòng)終端的OS虛擬化與服務(wù)器的OS虛擬化存在明顯差別。原因主要有兩方面:首先，運(yùn)行的硬件平臺(tái)差別大，服務(wù)器OS虛擬化面向的硬件平臺(tái)多為X86 , PowERPC或IA-64，而移動(dòng)終端的硬件平臺(tái)多為ARM;其次，用戶群不同，前者面向的用戶是專業(yè)的系統(tǒng)管理員，后者面向的用戶則是強(qiáng)調(diào)簡(jiǎn)單交互的大眾用戶。技術(shù)上，兩者的不同體現(xiàn)在以下方面:
文獻(xiàn)〔8〕指出OS虛擬化比半虛擬化效率更高。移動(dòng)終端的OS虛擬化與服務(wù)器的OS虛擬化存在明顯差別。原因主要有兩方面:首先，運(yùn)行的硬件平臺(tái)差別大，服務(wù)器OS虛擬化面向的硬件平臺(tái)多為X86 , PowERPC或IA-64，而移動(dòng)終端的硬件平臺(tái)多為ARM;其次，用戶群不同，前者面向的用戶是專業(yè)的系統(tǒng)管理員，后者面向的用戶則是強(qiáng)調(diào)簡(jiǎn)單交互的大眾用戶。技術(shù)上，兩者的不同體現(xiàn)在以下方面:
(1)服務(wù)器OS虛擬化提供的某些特性，如磁盤(pán)配額管理和在線遷移，對(duì)移動(dòng)終端OS虛擬化而言是不需要的。
(2)服務(wù)器OS虛擬化構(gòu)造而成的虛擬環(huán)境不提供圖形界面，無(wú)法運(yùn)行圖形界面用戶程序;移動(dòng)終端OS虛擬化構(gòu)造而成的虛擬環(huán)境內(nèi)須運(yùn)行圖形界面。
(3)服務(wù)器OS虛擬化的用戶級(jí)管理工具是命令行的;移動(dòng)終端OS虛擬化的用戶級(jí)管理工具須是圖形化的，而且須是易操作的。
(4)服務(wù)器OS虛擬化允許不同虛擬環(huán)境內(nèi)運(yùn)行不同Linux發(fā)行版;移動(dòng)終端OS虛擬化不需要提供類似支持，這利于提供簡(jiǎn)單的用戶界面，減少用戶學(xué)習(xí)成本。
由上可見(jiàn)，Linux移動(dòng)終端的OS虛擬化的最大挑戰(zhàn)在于用戶體驗(yàn)方面，要被大眾用戶接受，虛擬化帶來(lái)的學(xué)習(xí)成本接近于零。“
4 OS虛擬化的優(yōu)勢(shì)
n>增強(qiáng)安全性。
依賴隔離特性，位于某個(gè)虛擬環(huán)境(如專用于游戲的虛擬環(huán)境)中的惡意程序無(wú)法侵害其他虛擬環(huán)境(如專用于理財(cái)?shù)奶摂M環(huán)境)的程序或數(shù)據(jù)。由此，os虛擬化限制了安全威脅的作用范圍。
不同虛擬環(huán)境可以采用不同的安全設(shè)置。比如理財(cái)虛擬環(huán)境里采用高級(jí)安全設(shè)置，不安裝無(wú)關(guān)軟件，能顯著減少被攻擊的機(jī)會(huì)。而游戲虛擬環(huán)境可以采用低級(jí)安全設(shè)置，可以自由訪問(wèn)或下載資源。
(2)增強(qiáng)可用性。
①程序不穩(wěn)定導(dǎo)致“系統(tǒng)沒(méi)有響應(yīng)”，失效的僅僅是所在的虛擬環(huán)境，其他虛擬環(huán)境內(nèi)的程序的運(yùn)行不受影響。因此，單個(gè)程序故障不會(huì)引起整機(jī)失靈。
②沖突的程序分派至不同虛擬環(huán)境即可互不干擾地運(yùn)行。
③把虛擬環(huán)境備份存儲(chǔ)為一個(gè)文件。一旦移動(dòng)終端遺失或損壞，亦或者換移動(dòng)終端，啟用備份即可恢復(fù)原有的個(gè)性化使用環(huán)境。
(3)增強(qiáng)個(gè)性化。
根據(jù)應(yīng)用情景模式(工作、理財(cái)或游戲等)定制虛擬環(huán)境，選用不同主題，安裝不同的程序集合，滿足多樣的個(gè)性需求。此即“一機(jī)多環(huán)境”，就像使用多部移動(dòng)終端一樣。例如，用一個(gè)虛擬環(huán)境運(yùn)行工作業(yè)務(wù)程序，選擇保守風(fēng)格主題;在另一個(gè)虛擬環(huán)境中運(yùn)行游戲程序，使用炫麗風(fēng)格主題。
借助這一特性，企業(yè)可以定制一個(gè)已經(jīng)配裝好企業(yè)應(yīng)用軟件棧的虛擬環(huán)境分發(fā)給員工，由此減少管理維護(hù)壓力。銀行可以發(fā)布為用戶定制的、配裝有數(shù)字證書(shū)以及軟件的虛擬環(huán)境發(fā)布給公眾，公眾不需要安裝和配置即可使用。
5 OS虛擬化與半虛擬化的對(duì)比
OS虛擬化和硬件級(jí)半虛擬化都能夠使移動(dòng)設(shè)備更安全、更可用和更個(gè)性化。表i列出了移動(dòng)設(shè)備的OS虛擬化與硬件級(jí)半虛擬化之間的對(duì)比。硬件級(jí)半虛擬化的優(yōu)勢(shì)在于支持運(yùn)行多操作系統(tǒng)。但是，在運(yùn)行多系統(tǒng)不是必須的情形下(大眾用戶多數(shù)傾向于這么做)，OS虛擬化有著明顯優(yōu)勢(shì)。主要三項(xiàng)優(yōu)勢(shì)說(shuō)明如下:
(1)基于OS虛擬化，多個(gè)虛擬環(huán)境共享OS內(nèi)核和應(yīng)用程序，節(jié)約軟件費(fèi)用。
借助類似于Virtuozzo的應(yīng)用程序共享的功能，對(duì)于公用軟件(如防火墻)，各個(gè)虛擬環(huán)境共享同一份拷貝(各自維護(hù)私有數(shù)據(jù))，不必分別安裝，也就是說(shuō)，用戶只需支付一份拷貝的費(fèi)用。硬件級(jí)半虛擬化做不到這一點(diǎn)，用戶須為各個(gè)虛擬機(jī)上的同樣軟件拷貝分別支付費(fèi)用。
(2)基于OS虛擬化，不增加用戶學(xué)習(xí)成本，更適用于大眾用戶。
基于OS虛擬化，用戶界面的風(fēng)格是統(tǒng)一的，也不需要用戶自行安裝操作系統(tǒng)，因虛擬化產(chǎn)生的學(xué)習(xí)成本在理論上可以減到零(當(dāng)然這離不開(kāi)良好的用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì))。所以，在易用性方面，OS虛擬化的移動(dòng)終端會(huì)比半虛擬化的移動(dòng)終端更適用于大眾用戶。
Table 1 Operating system-level
virtualization VS paravirtualization
表1 OS虛擬化與半虛擬化的對(duì)比
(3)與半虛擬化技術(shù)路線相比，研發(fā)成本更低，難度更小，周期更短。
緣由在于OS虛擬化的實(shí)現(xiàn)與硬件無(wú)關(guān)，并且不涉及驅(qū)動(dòng)程序。與底層硬件的交互，包括調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，都由OS內(nèi)核負(fù)責(zé)。硬件級(jí)半虛擬化的實(shí)現(xiàn)直接與硬件打交道，底層細(xì)節(jié)繁多，成本和難度顯著增大。
6 結(jié)束語(yǔ)
以手機(jī)為代表的移動(dòng)終端功能越來(lái)越豐富，對(duì)人越來(lái)越重要�；贚inux的移動(dòng)終端的市場(chǎng)份額日益增大，移動(dòng)終端所面臨的安全威脅很快將超越個(gè)人電腦，成為個(gè)人信息安全的第一大隱患。移動(dòng)終端需要更安全、更可用和更個(gè)性化。本文提出的操作系統(tǒng)級(jí)虛擬化技術(shù)用于構(gòu)造隔離的虛擬環(huán)境，能夠隔離安全威脅和隱患，避免程序失敗導(dǎo)致整機(jī)失靈，同時(shí)通過(guò)提供與應(yīng)用情景模式適配的個(gè)性化使用環(huán)境來(lái)滿足個(gè)性化需求。US虛擬化不支持運(yùn)行多種操作系統(tǒng)，硬件級(jí)半虛擬化允許運(yùn)行多種操作系統(tǒng)。然而，US虛擬化技術(shù)比硬件級(jí)半虛擬化技術(shù)更適用于大眾用戶。原因在于它既不增加軟件費(fèi)用也不增加用戶學(xué)習(xí)成本，這是硬件級(jí)半虛擬化做不到的。
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本文標(biāo)題：基于Linux的移動(dòng)終端操作系統(tǒng)級(jí)虛擬化方案及優(yōu)勢(shì)
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