【实时Linux实战系列】 KVM-RT 与 Jailhouse 虚拟化
在实时系统中，虚拟化技术的应用可以显著提高系统的资源利用率和隔离性，同时确保实时任务的确定性执行。KVM-RT（KVM for Real-Time）和Jailhouse是两种适用于实时环境的虚拟化技术。KVM-RT通过优化内核参数，提供了低延迟的虚拟化环境；而Jailhouse则通过静态分区技术，实现了硬件资源的严格隔离。本文将介绍KVM-RT的参数优化和Jailhouse的分区技术，帮助读者在虚拟机或裸金属分区中运行实时任务。
核心概念
KVM-RT
KVM-RT是KVM（Kernel-based Virtual Machine）的实时版本，专为实时工作负载设计。它通过优化内核参数，减少了上下文切换的延迟，提高了系统的实时性能。
Jailhouse
Jailhouse是一个静态分区管理程序（hypervisor），专为实时系统和功能安全场景设计。它通过硬件资源的静态分配和隔离，确保每个分区（或称为“牢房”）独立运行，互不干扰。
实时任务的特性
实时任务需要在严格的时间约束内完成，对延迟和抖动非常敏感。实时任务通常具有以下特性：
确定性：任务必须在预定的时间内完成。
低延迟：任务的响应时间必须尽可能短。
高可靠性：任务的执行必须可靠，不能因系统负载或干扰而失败。
环境准备
硬件环境
计算机：支持Linux操作系统的计算机。
开发板（可选）：如果需要在嵌入式设备上运行，可以选择支持实时Linux的开发板，例如BeagleBone或Raspberry Pi。
软件环境
操作系统：实时Linux发行版，例如带有PREEMPT_RT补丁的Linux内核。
开发工具：GNU C编译器（GCC）、GDB调试器、Make工具等。
版本信息：
Linux内核版本：5.4或更高。
GCC版本：9.3或更高。
GDB版本：8.2或更高。
环境安装与配置
安装实时Linux内核
下载带有PREEMPT_RT补丁的Linux内核源码：
wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.tar.xz wget https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/5.4/patch-5.4-rt23.patch.xz解压并应用补丁：
tar -xf linux-5.4.tar.xz cd linux-5.4 xz -d ../patch-5.4-rt23.patch.xz patch -p1 < ../patch-5.4-rt23.patch配置内核并编译：
make menuconfig make -j$(nproc) sudo make modules_install install安装开发工具
安装GCC和GDB：
sudo apt-get update sudo apt-get install build-essential gdb
验证环境
检查内核版本：
uname -r输出应包含
-rt，例如5.4.0-rt23。检查GCC版本：
gcc --version输出应显示版本号为9.3或更高。
实际案例与步骤
KVM-RT 参数优化
配置内核参数
在启动时通过内核参数优化KVM-RT的性能。编辑
/etc/default/grub文件，添加以下参数：GRUB_CMDLINE_LINUX="isolcpus=1-4 nohz_full=1-4 rcu_nocbs=1-4 mce=off idle=poll intel_pstate=disable processor.max_cstate=1 pcie_asmp=off tsc=reliable"更新GRUB配置并重启系统：
sudo update-grub sudo reboot关闭影响性能的程序
关闭内存交换：
swapoff -a关闭ksm：
echo 0 > /sys/kernel/mm/ksm/merge_across_nodes echo 0 > /sys/kernel/mm/ksm/run关闭看门狗
调整隔离CPU上的ksoftirqd和rcuc的优先级
编写一个脚本调整隔离CPU上的ksoftirqd和rcuc的优先级：
host_isolcpus="1-4" startVal=$(echo ${host_isolcpus} | cut -f1 -d-) endVal=$(echo ${host_isolcpus} | cut -f2 -d-) i=0 while [ ${startVal} -le ${endVal} ]; dotid=$(pgrep -a ksoftirq | grep "ksoftirqd/${startVal}$" | cut -d ' ' -f 1)chrt -fp 2 ${tid}tid=$(pgrep -a rcuc | grep "rcuc/${startVal}$" | cut -d ' ' -f 1)chrt -fp 3 ${tid}cpu[$i]=${startVal}i=$(expr $i + 1)startVal=$(expr $startVal + 1) done
禁止带宽限制
禁止实时任务的带宽限制：
echo -1 > /proc/sys/kernel/sched_rt_period_us echo -1 > /proc/sys/kernel/sched_rt_runtime_us
设置中断亲和性
将中断绑定到非隔离的CPU上：
for irq in /proc/irq/*; doecho 0 > ${irq}/smp_affinity_list done
Jailhouse 分区技术
安装 Jailhouse
下载并安装Jailhouse：
git clone https://gitcode.com/gh_mirrors/ja/jailhouse cd jailhouse make sudo make install
配置 Jailhouse
配置Jailhouse的分区。编辑
/etc/jailhouse/jailhouse.conf文件，定义分区的配置：{"cells": [{"name": "real-time-cell","cpu": {"cpus": "1-4", "root": true},"memory": {"start": "0x10000000", "size": "0x20000000"},"devices": [{"type": "pci", "domain": 0, "bus": 0, "slot": 2, "function": 0}]}] }
启动 Jailhouse
启动Jailhouse并加载分区配置：
sudo jailhouse enable sudo jailhouse cell load /etc/jailhouse/cells/real-time-cell.json sudo jailhouse cell start real-time-cell
运行实时任务
在Jailhouse分区中运行实时任务。例如，启动一个实时虚拟机：
sudo jailhouse vm start real-time-cell
常见问题与解答
问题1：如何优化 KVM-RT 的性能？
解决方案： 通过配置内核参数优化KVM-RT的性能。例如，设置isolcpus、nohz_full、rcu_nocbs等参数。
问题2：如何安装和配置 Jailhouse？
解决方案： 下载并安装Jailhouse，编辑分区配置文件，并启动Jailhouse。
问题3：如何确保实时任务的隔离性？
解决方案： 使用Jailhouse的静态分区技术，将实时任务分配到独立的分区中，确保任务之间的隔离性。
实践建议与最佳实践
实用操作技巧
定期验证配置：定期运行实时任务，验证KVM-RT和Jailhouse的配置是否有效。
监控系统性能：使用工具监控系统性能，确保实时任务的低延迟和高可靠性。
调整配置：根据实际需求调整内核参数和Jailhouse分区配置，以优化系统性能。
最佳实践
合理选择虚拟化技术：根据应用需求选择KVM-RT或Jailhouse，确保系统的实时性和隔离性。
结合多种技术：结合使用KVM-RT和Jailhouse，全面优化系统的性能和可靠性。
备份配置文件：在修改配置文件之前，建议备份原始文件，以便在出现问题时快速恢复。
总结
通过本篇文章的学习，我们了解了KVM-RT的参数优化和Jailhouse的分区技术，以及如何在虚拟机或裸金属分区中运行实时任务。这些技术能够显著提高系统的资源利用率和隔离性，同时确保实时任务的确定性执行。希望读者能够将所学知识应用到实际项目中，进一步提升系统的性能和稳定性。