【摘要】：隨著PC市場(chǎng)的逐漸飽和,“后PC”時(shí)代正在到來。上網(wǎng)本,智能手機(jī),平板電腦,音樂播放器,掌上游戲機(jī)等各種新型便攜式移動(dòng)設(shè)備不斷涌現(xiàn),成為新一代移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)。其中智能手機(jī)和平板電腦的發(fā)展更是十分迅速,不僅用戶數(shù)量巨大,而且硬件功能日益強(qiáng)大,軟件應(yīng)用層出不窮,已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠帧?然而,隨著各種移動(dòng)設(shè)備的快速發(fā)展,它們也面臨著諸多的問題和挑戰(zhàn)。例如,軟硬件功能的不斷增加導(dǎo)致了整個(gè)系統(tǒng)越來越復(fù)雜,也越來越不穩(wěn)定。各種針對(duì)手機(jī)等設(shè)備的病毒,木馬,惡意軟件和間諜軟件日益增多,威脅人們的隱私和信息安全。強(qiáng)大的功能伴隨著對(duì)功耗的高需求,而電池技術(shù)發(fā)展緩慢,制約了更多應(yīng)用的發(fā)展。用戶的數(shù)據(jù)分布在不同的設(shè)備上,管理這些設(shè)備和數(shù)據(jù)變得越來越不方便,等等。本文研究了如何通過系統(tǒng)虛擬化技術(shù)來解決新一代移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)上 的關(guān)鍵問題,主要包括以下三個(gè)方面的內(nèi)容。 一、對(duì)系統(tǒng)可靠性和安全性的研究。本文研究了如何利用虛擬機(jī)技術(shù)來提高移動(dòng)設(shè)備的可靠性和安全性。由于ARM是移動(dòng)設(shè)備上最主要的硬件平臺(tái),本文研究了如何對(duì)ARM處理器和內(nèi)存進(jìn)行虛擬化,特別針對(duì)ARM平臺(tái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)虛擬機(jī)監(jiān)控器,MobiVMM,能夠在同一臺(tái)物理設(shè)備上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)。不同的虛擬機(jī)之間完全相互隔離,可以運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)。通過把不同的應(yīng)用程序運(yùn)行在不同的虛擬機(jī)中,可以大大提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和安全性:即使某個(gè)虛擬機(jī)的運(yùn)行出了嚴(yán)重的問題或者受到了攻擊,其它的虛擬機(jī)仍然可以正常運(yùn)行。除了研究對(duì)ARM體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬化的基本問題以外,MobiVMM還考慮了移動(dòng)設(shè)備的特點(diǎn),強(qiáng)調(diào)了對(duì)系統(tǒng)資源的高效利用,并對(duì)實(shí)時(shí)性提供了一定的支持。MobiVMM是第一個(gè)專門為ARM平臺(tái)從零設(shè)計(jì)的全新虛擬機(jī)監(jiān)控器,具有代碼簡潔,使用系統(tǒng)資源少,功耗低,系統(tǒng)響應(yīng)快等特點(diǎn)。 二、對(duì)設(shè)備共享和用戶隱私保護(hù)的研究。個(gè)人移動(dòng)設(shè)備,特別是手機(jī),是非常私人化的設(shè)備,往往存儲(chǔ)了大量的私人數(shù)據(jù),比如通話記錄,短信,聯(lián)系人,照片和視頻等。當(dāng)和其他人共享個(gè)人設(shè)備時(shí),這些隱私數(shù)據(jù)必須得到有效的保護(hù)。而現(xiàn)有的設(shè)備不能對(duì)隱私保護(hù)提供足夠的支持。本文對(duì)設(shè)備共享問題進(jìn)行了深入的研究并第一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了xShare系統(tǒng)來保護(hù)設(shè)備共享中的用戶隱私。xShare通過操作系統(tǒng)層面的虛擬化技術(shù)來在設(shè)備共享時(shí)對(duì)用戶的隱私數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的保護(hù)。xShare可以在操作系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)創(chuàng)建一個(gè)虛擬運(yùn)行環(huán)境來用于設(shè)備共享。在該虛擬環(huán)境下,只有那些被設(shè)備主人共享了的數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序才是可見的,從而保護(hù)了那些沒有共享的隱私數(shù)據(jù)。xShare系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)具有很好的系統(tǒng)性能和易用性,能夠滿足用戶在共享設(shè)備時(shí)保護(hù)用戶隱私的實(shí)際需要。xShare的研究成果發(fā)表在了國際會(huì)議MobiSys上,并作為該年5篇最佳論文之一被邀請(qǐng)到IEEE的Transactions on Mobile Computing (TMC)雜志上發(fā)表。其擴(kuò)展版本進(jìn)一步被選為IEEE TMC雜志當(dāng)期的焦點(diǎn)文章。 三、對(duì)跨設(shè)備用戶計(jì)算環(huán)境的研究。很多用戶都在日常生活中使用不同的計(jì)算設(shè)備。這些設(shè)備位于不同的地方,具有不同的操作環(huán)境,運(yùn)行不同的應(yīng)用程序并且存儲(chǔ)不同的數(shù)據(jù)。用戶需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力來管理這些設(shè)備和它們上面的數(shù)據(jù)。為了解決這一問題,本文研究了如何通過應(yīng)用程序虛擬化技術(shù)來創(chuàng)建一個(gè)跨設(shè)備的用戶計(jì)算環(huán)境,從而用戶可以在不同的設(shè)備上使用同樣的應(yīng)用程序和訪問同樣的數(shù)據(jù)。本文進(jìn)而設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了DevicePort系統(tǒng),能夠把用戶已經(jīng)安裝使用的應(yīng)用程序和底層的操作系統(tǒng)系統(tǒng)分離開來,可以在不同的設(shè)備之間對(duì)這些應(yīng)用程序進(jìn)行遷移。DevicePort能夠遷移包括微軟辦公套件在內(nèi)的大多數(shù)日常使用的應(yīng)用程序并以它們?cè)械男阅苓\(yùn)行這些應(yīng)用程序。和基于虛擬機(jī)的方法相比,DevicePort具有更小的應(yīng)用程序啟動(dòng)延遲和更少的處理器開銷,而且更容易部署使用。 這三個(gè)方面的研究分別涵蓋了三個(gè)不同層面的系統(tǒng)虛擬化技術(shù):硬件級(jí)別的虛擬化,操作系統(tǒng)級(jí)別的虛擬化,以及應(yīng)用程序級(jí)別的虛擬化。圍繞著新一代移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)中的實(shí)際問題,本文都設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了實(shí)際可用的系統(tǒng),并進(jìn)行了全面詳盡的評(píng)測(cè)。通過這些研究和創(chuàng)新,本文為解決新一代移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)中的更多問題提供了新的思路和參考。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TN929.53;TP368.3
【圖文】：

圖 1-1 全球 PC，手機(jī)以及智能手機(jī)的年銷售量，2006-2015 年（來源：IDC，2011 年 3 月）Fig. 1-1 Worldwide PC, mobile phone and smartphone shipments, 2006-2015 (source: IDC, Mar. 2011由于其龐大的用戶群，強(qiáng)大的功能，和豐富的應(yīng)用程序，手機(jī)已經(jīng)成為一個(gè)集訊，娛樂，和計(jì)算為一體的，人們?nèi)粘Ｉ钪须x不開的重要設(shè)備。以手機(jī)為代表的移動(dòng)設(shè)備正在取代越來越多 PC 的功能，并成為新一代的移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)。比如在日本有超過 50%的用戶通過手機(jī)而不是 PC 來收發(fā)郵件和瀏覽網(wǎng)頁[1]。將來的手機(jī)將會(huì)是用戶時(shí)刻隨身攜帶的一臺(tái)移動(dòng)的 PC。除了本身具有強(qiáng)大的處理能力以外，它還可通過豐富的網(wǎng)絡(luò)接口連接到遠(yuǎn)程的 PC 并對(duì)它們進(jìn)行管理和控制。這樣，用戶就能通過手機(jī)隨時(shí)隨地訪問和使用他們遠(yuǎn)程設(shè)備上的數(shù)據(jù)和服務(wù)。利用各種短距無線技術(shù)，手機(jī)還可以連接到周邊設(shè)備并利用它們強(qiáng)大的功能。比如，連接到旁邊一個(gè)大示設(shè)備上，從而突破手機(jī)屏幕大小的限制，提高用戶的使用體驗(yàn)。手機(jī)將成為個(gè)人計(jì)算的中心，是用戶和數(shù)字世界溝通的橋梁，并在最終實(shí)現(xiàn)無所不在的計(jì)算（UbiquitioComputing）中發(fā)揮重要的作用。新一代移動(dòng)設(shè)備的快速發(fā)展也引起了學(xué)術(shù)界越來越的關(guān)注。比如，2007 年

圖 1-2 從左到右：硬件級(jí)別的虛擬化，操作系統(tǒng)級(jí)別的虛擬化以及應(yīng)用程序級(jí)別的虛擬化Fig. 1-2 From left to right: hardware-level virtualization, operating system-level virtualization andapplication-level virtualization操作系統(tǒng)級(jí)別的虛擬化技術(shù)的目標(biāo)是在同一個(gè)操作系統(tǒng)下創(chuàng)建相互隔離的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境，比如不同的用戶計(jì)算環(huán)境或者會(huì)話環(huán)境。與傳統(tǒng)的多用戶概念不同的是，這些虛擬的計(jì)算環(huán)境通常屬于同一個(gè)用戶，只是用于不同的目的，比如隔離不同類別的應(yīng)用程序。微軟的桌面虛擬化（Microsfot Desktop Virtualization）技術(shù)就是操作系統(tǒng)級(jí)別的虛擬化技術(shù)。應(yīng)用程序級(jí)別的虛擬化技術(shù)是要把應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)分離開來，從而達(dá)到隔離每個(gè)應(yīng)用程序和在不同的計(jì)算機(jī)（需要運(yùn)行相互兼容的操作系統(tǒng)）之間遷移應(yīng)用程序的目的。與操作系統(tǒng)級(jí)別的虛擬化不同的是，應(yīng)用程序級(jí)別的虛擬化針對(duì)每一個(gè)單獨(dú)的應(yīng)用程序提供虛擬的，相互隔離的系統(tǒng)資源。而操作系統(tǒng)級(jí)別的虛擬化只提供有限數(shù)目的全局虛擬運(yùn)行環(huán)境，不同的應(yīng)用程序可以共享同一個(gè)虛擬運(yùn)行環(huán)境。應(yīng)用程序級(jí)別的虛擬化技術(shù)的例子有 Microsoft App-V [82]和 VMware ThinApp [81]等。

圖 2-1 手機(jī)虛擬機(jī)監(jiān)控器Fig. 2-1 VMM for Mobile Phones已有的手機(jī)軟件體系結(jié)構(gòu)相比，MobiVMM 使得遷移數(shù)據(jù)掛起整個(gè)虛擬機(jī)，用戶可以很容易地把他們的數(shù)據(jù)和應(yīng)用移去。當(dāng)用戶購買了新手機(jī)替換舊手機(jī)時(shí)，他們不再需原來手機(jī)上的數(shù)據(jù)到新手機(jī)上，在新手機(jī)上重新安裝需很多的設(shè)置。有了 MobiVMM，用戶就可以輕松地把整個(gè)后就可以繼續(xù)使用原來的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)了。用戶也可以備上，從而如果手機(jī)丟失了的話也能夠從備份中恢復(fù)已一個(gè)適用于手機(jī)的虛擬機(jī)監(jiān)控器，必須要解決下面幾個(gè)源以及功耗。和個(gè)人電腦相比，手機(jī)的基本功能之一是求，內(nèi)存和處理器等資源相對(duì)有限，而且對(duì)功耗非常敏很好地解決這些問題。而在 MobiVMM 的設(shè)計(jì)中，這些

【引證文獻(xiàn)】

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