1. 概述

時鐘是計算機運行的基礎，虛擬機正常運行并調度任務的必要條件就是對時鐘中斷的虛擬化。

虛擬化技術中可以大致分為CPU虛擬化、內存虛擬化、I/O虛擬化三個部分，中斷虛擬化屬于CPU虛擬化的范疇。中斷是處理器提供給系統程序的重要功能，是CPU和外設之間的一種交互方式。而時鐘虛擬化是基于中斷模擬的基礎上，通過中斷讓計算機意識到時間。時鐘虛擬化的關鍵是正確的模擬時鐘中斷。

時鐘中斷所代表的時間間隔會在操作系統初始化的時候由軟件和硬件協商好。如果模擬時鐘中斷的準確度不足，會發生什么？

對用戶直觀的影響是：

50. 影響虛擬機的實時性，如應用卡頓、程序調度等：假設在電腦上播放視頻，原先一幀的畫面播放1S時間，用戶能正常觀看視頻，但是時鐘中斷響應不及時，操作系統認知的1S是實際的2S，此時一幀畫面實際停留了2S時間，此時對于用戶來說感覺到的就是視頻播放卡頓。
50. 時鐘漂移：當時鐘中斷處理不及時，實際經過3S的時間才注入一個時鐘中斷，此時虛擬機只認為經過了1S，長此以往，虛擬機中的時間就會比實際的時間慢，即可能出現實際已經是10:00，而虛擬機中才8:00的現象。

針對上述問題現象，銳捷云桌面提供了時鐘補償策略來修正時鐘偏移現象，并改善虛擬化的實時性。保證了虛擬機內部的時間與物理機時間的一致性。

2. 技術介紹
   1. 基礎知識
      1. 計算機硬件時鐘的原理

計算機是如何感知到時間的呢？如同被困荒島中人使用“正”字來記錄在荒島上經過的時間，每一天寫一筆，對筆畫的計數就能夠知道時間一樣，計算機通過硬件的“振蕩器+計數器”來實現計時的。總結來說就是通過對固定頻率的事務統計次數就能夠知道經過的時間。

如圖 2.1?1 振蕩器的電路所示，振蕩器在通電的情況下，連通的電路使得電磁鐵把金屬開關拉了下來，此時電路不再連通，電磁鐵不再具有磁性，金屬開關又彈回原位，不斷反復。可以看到一旦通電，振蕩器就不需要人干涉，可以完全自發的工作，這就是計算機通電后自動運行的基礎。（現在使用的是晶體振蕩器，原理類似）。

圖 2.1?1 振蕩器的電路

振蕩器也被稱為時鐘(clock)，是產生時鐘中斷的依據。振蕩器的輸出在0和1之間按照固有規律交替變化，將這種輸出信號稱為時鐘信號。振蕩器的頻率是固定的。

圖 2.1?2 時鐘信號

此時對振蕩器的輸出信號進行計數，能夠知道經過時間間隔了，最后硬件再通過中斷機制將該間隔告知給PC。

綜上所述，時鐘硬件每經過一個時間間隔時產生一個中斷告知計算機，這個中斷就稱為時鐘中斷。因此當計算機接收到時鐘中斷，就知道一段的時間過去了。

1. 1. 2. 傳統的時鐘虛擬化

傳統時鐘虛擬化在中斷模擬的基礎上，通過軟件定時器設置周期性任務，實現定時產生時鐘中斷的功能。

時鐘中斷的模擬需要實現生成、采集和注入的整個過程。中斷的生成一般是由各個模擬設備產生，采集和注入則是由模擬的中斷控制器完成。中斷控制器的兩大功能：檢測是否有中斷產生和將中斷注入虛擬機。

虛機在運行過程中不斷地在GuestOS與HostOS之間切換，如圖 2.1?3 VM entry和VM exit所示，從主機（VMM）到虛機稱為VM Entry，從虛機切換到主機稱為VM Exit。VMXON和VMXOFF是用來開啟/退出VMX操作模式的指令。虛機中斷模擬機制是在VM Entry的時候向虛機注入中斷的信息。

圖 2.1?3 VM entry和VM exit

當模擬的時鐘硬件產生中斷后，就依據圖 2.1?4 中斷注入流程將中斷注入到虛擬機中。首先將中斷交給中斷控制器，中斷控制器根據中斷的優先級將中斷注入虛機，中斷是通過vCPU從VMM切換到虛機運行環境時注入的。所以vCPU如果在運行中，就需要通過IPI來使得vCPU退出到VMM中。

圖 2.1?4 中斷注入流程

1. 1. 3. 傳統時鐘虛擬化的問題

在PC中，時鐘中斷的優先級是很高的，通過高優先級來保證中斷的及時處理；但是虛擬化中通過軟件實現中斷，此時的優先級就自然被降低了，軟中斷無法保證自身被及時處理。現在假設一個時鐘中斷代表1S的間隔（實際中，時鐘中斷代表的時間間隔是毫秒級的），如果模擬的中斷響應不及時，就會導致前一個中斷還未注入虛擬機就又產生了一個新的時鐘中斷，而中斷控制器只能處理一個相同的中斷，所以產生的兩個中斷實際只注入一個到虛擬機中，虛擬機只接受到一個中斷認為經過了1S的時間，但是實際上已經經過了2S。此時虛擬機對時間的感知就與真實時間出現了偏差。

因此影響了時鐘的準確性以及服務的實時性，從而導致了概述中的問題。

1. 2. 銳捷云桌面的時鐘虛擬化技術

針對上述問題現象，銳捷云桌面在傳統時鐘虛擬化的基礎上提出了時鐘補償方案。

時鐘補償機制在中斷模擬的基礎上增加了包括兩個方面內容：監控模塊的模擬、補償時鐘設備的模擬。

1. 1. 1. 監控管理模塊

虛擬機完成中斷服務之后，會設置中斷控制器的標志位。監控模塊根據中斷控制器標志位來判斷時鐘中斷是否成功注入虛擬機中，若注入失敗，便記錄注入失敗的中斷數量，并喚醒補償的時鐘設備。

1. 1. 2. 時鐘補償設備

除了傳統時鐘設備的功能，時鐘補償設備還實現以下功能：

（1）設備初始化的時候截獲虛擬機操作系統所設定的時鐘中斷的頻率；

（2）設備根據截獲的頻率和監控模塊所記錄的中斷數量，來設定不同頻率（比操作系統設定的頻率快）的軟件定時器來執行周期性任務：時間一到便產生一個時鐘中斷，傳遞給中斷控制器；

（3）監測需要補償的時鐘中斷的數量，當時鐘中斷數量為0時，取消定時任務。

綜上所述，監控模塊統計時鐘中斷的注入情況，記錄注入失敗的時鐘中斷數；將需要補償的時鐘中斷告知給時鐘設備，時鐘設備以更快的頻率產生時鐘中斷，最后中斷控制器將時鐘中斷注入虛擬機，保障了虛擬機時鐘正常。

3. 結束語

時鐘虛擬化是云桌面的關鍵技術之一，而銳捷云桌面的時鐘補償機制保證了云桌面時間的準確性，改善了實時性，解決了視頻卡頓與時鐘漂移的問題。

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