《操作系统与虚拟化安全》
第一次作业（预备知识）本次作业要求：
1. 这是个人作业，每位同学独立完成和提交。
2. 提交时间10月13日24点。
3. 如果遇到问题，请联系助教。
一、操作系统设计技术
1. 操作系统的主要任务是什么？
管理好计算机全部软硬件资源，提高计算机的利用率；担任用户与计算机之间的接口，使用户通过操作系统提供的命令或菜单方便地使用计算机
2. 操作系统文件的内部表示有文件索引节点表、文件表、用户文件描述符表，请你描述一下这三者之间的关系如何？并举例说明。
每个文件都有一个索引节点，索引节点包括文件所有者、存取权限、及其存取时间等信息；文件表示一个全局表，每个活动的open,它都包含一个条目，每个文件系统表的条目都包含文件偏移量、访问模式以及指向它的文件描述表的条目计数。每个进程包含一个用户文件描述表，标志进程打开文件的文件。
如在Linux中，每个文件在内核中用索引节点表示，已打开的文件在内核中用file结构体表示，文件描述符表中的指针指向file结构体，每个进程用一个files_struct结构体记录文件描述符的使用情况，files_struct结构成为用户打开文件表。
3. 操作系统进程的数据结构的主要组成部分包括哪几部分？并请你重点解释一下进程标识、进程树关系、进程间通信机制等三个部分。
（1）共包括八部分：1.标识号2.状态信息3.调度信息4.有关进程间通信信息5.进程链接信息6.时间定时器7.文件系统信息8. 进程和相关的上下文信息
（2）进程标识：系统通过进程标识号（PID)唯一标识一个进程，进程标识号是线性增长的；进程树关系：0进程是一个特殊进程，它是在系统引导时被“手工”创建的，当它创建一个子进程（1进程-init进程，是系统中其他每个进程的祖先）之后，0进程就变成对换进程，除了0进程以外，每个进程都是被另外一个进程执行fork创建的，每个进程都有一个父进程，但一个父进程可有多个子进程；进程间通信机制：为了使进程能在同一项任务上协调工作，进程之间必须能进行通信。如信号Signals，管道Pipes，以及内存共享shared memory, 信号量semaphore, 消息队列 Message Queues等。
4. 请你描述一下操作系统I/O子系统中内核与驱动程序接口、系统调用与驱动程序接口的作用是什么？
内核与驱动程序接口：由块设备开关表（block device switch table)和字符设备开关表（characterdevice switch table)描述。每一种设备类型在表中有若干表项，这些表项在系统调用时引导内核转向适当的设备驱动程序接口。
系统调用与驱动程序接口：对于特殊设备文件的系统调用，内核通过文件描述符找到对应的索引节点，从索引节点中抽取主设备号和次设备号，使用主设备号作为索引值进入适当的开关表，根据用户的系统调用来调用驱动程序中的函数。
二、虚拟化技术
1. 系统虚拟化体系结构分为宿主型和独立监控型两种类型，请你分析一下这两种类型体系结构，并分别举例说明现有虚拟化软件的体系结构属于哪种类型。
宿主型：需要运行在HostOS 之上，由其提供驱动程序与硬件通信；
独立监控型：直接运行于硬件之上；
比如VMwareworkstation 是宿主型，需要运行在操作系统之上，比如windows,
Xen是独立监控型，可以直接运行在硬件上。
2. 请你分析一下系统虚拟化实现技术中全虚拟化、泛虚拟化和硬件辅助虚拟化技术，比较一下各自优缺点，并分别举例说明现有虚拟化软件实现技术属于哪种类型。
（1）全虚拟化：原本的操作系统调直接调用硬件接口，给底层硬件发送的指令是二进制指令，加了一层虚拟机之后，操作系统不能直接调用底层，但依然发送二进制指令，这时候，虚拟机要拦截下指令，由虚拟机完成调用，所以虚拟机要转换二进制指令。优点在于不需要修改原来的操作系统，且操作系统运行在1环上，安全性很高，缺点在于这种软件拦截机制开销比较大。
（2）泛虚拟化：操作系统仍然可运行在0环上，更改操作系统内核，以前的二进制指令变成了hypercall调用，只有特权指令需要虚拟化。优点在于降低了虚拟机的难度，不需要对二进制指令进行转换了。缺点在于：需要修改OS内核。
（3）硬件辅助虚拟化：优点在于特权指令调用之时，不需要半虚拟化更改操作系统内核，也不需要二进制转换，因为有了硬件的支持。缺点：需要有硬件支持(如Intel VT, AMD SVM)。
VMware workstation与KVM是全虚拟化，Xen是硬件辅助虚拟化。
3. 请你简要描述一下Xen虚拟化系统中基于额度的调度算法思想。
该算法有两个参数其中一个参数cap是指示占用多少个cpu。另一个参数是weight指示一个是cpu占多少时间。初始化时：weight=credit，若cap=100则 vcpu占一个物理cpu,cap=200vcpu占两个物理cpu,在算法中有三个队列：OVER（已获得），UNDER（等待），BOOST（某些虚拟机让出了cpu,下次调度放进boost,在调度时优先调度），每10毫秒运行一次后credit=credit-100+30/n，3次之后额度用完，让出cpu,保证每个vcpu运行时间，保证相对公平。
该算法曾经出现过bug：某cpu阻塞挂起，加入boost队列，下个周期优先调度，周期加长，但是可以利用，在每次结束时，主动挂起，则可以无限期使用cpu可占80-90%的时间。现已经修复。
4. 请你简要描述一下MMU泛虚拟化和影子页表技术，以及比较一下他们的异同处。
MMU泛虚拟化方法：VMM将映射关系 f•g 直接写入guest OS的页表中，并替换原来的映射 g，这实际上违背了“f-map对于虚拟机不可见”的原则。
影子页表方法：为guest OS的每个页表维护一个影子页表，并将合成后的映射关系 f•g 写入到“影子”中，guest OS的页表内容保持不变。最后，VMM将影子页表交给MMU进行地址转换。
相同点：都是由VMM根据映射f和g生成符合映射f•g 并直接将这个映射关系交给MMU，从而利用现有的MMU机制实现虚拟地址到机器地址的高效转换。
不同点：虚拟地址到机器地址的转换执行者不同，一个是Guest OS,一个是VMM。