Jailhouse 概要介绍、设计目的、设计特点

[Jiaming]

目录

• 1. Jailhouse 概要介绍
• 2. Jailhouse 设计目的
• 3. Jailhouse 设计特点
• 4. 关注 Jailhouse 的企业信息

1. Jailhouse 概要介绍

Jailhouse是一个针对创建工业级应用程序的小型Hypervisor，于2013年诞生，由西门子公司赞助，得到了官方Linux内核的支持，在开源社区中获得了知名度和吸引力，它支持Intel和AMD的X86-64架构，以及ARM的32位和64位架构（需要指令集支持硬件辅助虚拟化）。

如图(A visualization of Linux running-bare metal (a) and under the Jailhouse hypervisor (b) alongside a real-time application)^1，Jailhouse是一种Type-1的Hypervisor，更关注隔离而非虚拟化。与Xen一样，Jailhouse也需要Linux，因为其基于Linux实现管理任务，与KVM一样，Jialhouse通过Linux系统加载，然而，一旦Hypervisor启动，它就会完全控制硬件并将硬件资源分给独立的cell，这些cell完全专用于guestOS，其中一个cell（root cell）运行Linux，root cell有点类似于Xen中的Dom0，但是，root cell不会像Dom0那样彻底地对硬件资源完全控制，相反，root cell在新的cell被创建时，会把对它的一些CPU、设备和内存资源的控制权让给新的cell，这个过程称为shrinking。（来自欧盟HERCULES(High-Performance Real-time Architectures for Low-Power Embedded Systems)项目中对Jailhouse的介绍^2）

Jailhouse能够运行裸机应用程序或者（修改的）操作系统，但一个操作系统必须是Linux，它不能在未经过修改的情况下运行操作系统（如Windows、FreeBSD），即使是在其它非root cell上运行Linux，也要经过正确的配置。

从技术角度来看，Jailhouse以固件镜像（firmware image）的形式加载，并驻留在root cell的专用内存区域中，Jailhouse的内核模块Jailhouse.ko加载固件并创建Jailhouse用户空间使用的/dev/jailhouse设备，但它不包含任何管理功能。

A visualization of Linux running-bare metal (a) and under the Jailhouse hypervisor (b) alongside a real-time application

2. Jailhouse 设计目的

Jailhouse是一个分区管理程序，在基于Linux的系统上创建非对称多处理器系统，这意味着它可以在一个多核硬件平台上运行除了标准Linux内核之外的裸机应用程序或非Linux操作系统。Jailhouse通过硬件辅助虚拟化确保这些cell之间的隔离。Jailhouse目的是希望尽可能减少负责建立和维护cell隔离的代码量，同时在non-root cell中运行具有高实时性、安全关键型的应用程序。（来自《Jailhouse: A Linux-based Partitioning Hypervisor》^3）

一些特定领域的问题是一般Hypervisor方案不能很好解决的，其中一个领域是实时虚拟化，它经常用于工业自动化、医学、通信和高性能计算。在这些应用程序中，将整个CPU或其它内核专用于运行裸机（没有底层操作系统）的软件是满足严格截止日期要求的一种方式。虽然可以使用诸如KVM等Hypervisor实现，但是测试表明最坏情况下的延迟可能高于某些实际要求。还有一个领域——安全关键。敏感的软件系统必须经过严格的认证（遵循通用标准）甚至是形式化验证。如果希望它们运行虚拟化相关工作，Hypervisor必须将可认证和不可认证的系统隔离开，这意味着Hypervisor本身就必须小。因此，对于实时和安全领域开源Linux友好的Hypervisor还比较缺乏，这就是Jailhouse发挥作用的地方。（来自《Jailhouse》^4）

3. Jailhouse 设计特点

Jailhouse 具有安全关键型设计，并考虑到了相关认证，它在 GPLv2 下也可用。Jailhoue有一个root cell概念，root cell虽然可以控制整个系统，但不能完全控制运行它的硬件。root cell运行Linux，其它cell可以运行任何支持Jailhouse的内核（操作系统），Jailhouse无法运行未经修改的内核。Jailhouse没有内置调度程序，系统中的每个core都交由对应cell使用，没有虚拟出不存在的硬件，也没有硬件仿真。内存在cells间划分，留存部分予Jailhouse。支持Jailhouse的Linux系统有一个特殊的设备（/dev/jailhouse），用于配置root cell，并加载系统至其它cell中，使用配置文件来完整描述硬件及其分区，该文件可以在X86上自动生成，但对于ARM系统必须手动编写。（来自《Linux in mixed-criticality systems》^5）

GuestOS 无法共享 core，因为没有OS调度。Jailhouse 不会模拟不可用的硬件资源，并且可用的硬件资源被静态分配给单个GuestOS，以便在发生中断时操作系统之间不会发生干扰。（来自 HERCULES项目介绍^2）

4. 关注 Jailhouse 的企业信息

通过使用 git log --pretty=format:"%ae" | sort | uniq 命令查看作者的邮件列表后缀，来获得关注Jailhouse的企业信息，我们发现至少有如下企业青睐Jailhouse：TI、NXP、linaro、Siemens、Intel、ARM、toshiba、huawei。