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1 9 Stand der Kunst (aktuelle Forschung ) bs-9 1

2 Virtuelle Maschinen Sichere Systeme Verteilte Dateisysteme bs-9 2

3 8.1 Virtuelle Maschinen Zur Erinnerung (1.3): Virtuelle Maschine (virtual machine, VM) = komplett simulierte reale Maschine (i.d.r. mit gleichem Instruktionssatz) Mehrere Exemplare einer VM auf einer realen Maschine Koexistenz mehrerer Betriebssysteme möglich bs-9 3

4 Die Idee ist mehr als 30 Jahre alt: CP simulierte IBM 360/370 (1969); als CP/CMS mit Einplatzsystem CMS für Teilnehmerbetrieb eingesetzt, später VM/370 genannt ( S/390) z/vm vmware Connectix u.a. Nachfolger von VM/370 für die aktuelle Großrechner-Familie IBM zseries simuliert Intel x86 ebenso (jüngst durch Microsoft übernommen von Connectix Corp.) bs-9 4

5 Terminologie: Gastsystem ist ein Betriebssystem, das in einer virtuellen Maschine läuft Virtual Machine Monitor (VMM) ist die virtualisierende Software, die zwischen der Hardware und den Gastsystemen liegt Hypervisor ist ein Synonym für VMM und drückt aus, dass damit die Gastsysteme überwacht werden, so wie der Supervisor (Systemkern) eines Gastsystems die dortigen Benutzerprozesse überwacht bs-9 5

6 Aktuelle Forschung: Paravirtualisierung (und Varianten), d.h. Ausnahmen bei der exakten Nachbildung der Hardware Nachteil: Gastbetriebssysteme müssen portiert werden Vorteile: bessere Effizienz, insbesondere bei der x86, die sich gegen eine Virtualisierung sträubt Ressourcen-Garantien für die beteiligten Systeme (QoS) verwaltungstechnische Isolierung von Anwendungen (z.b. keine Konflikte über gemeinsame Registry) bs-9 6

7 Beispiel: Xen (Univ. of Cambridge)* leistet Paravirtualisierung für die x86/ia-32 für (bisher) portierte Betriebssysteme Linux und Windows XP (NetBSD in Arbeit) Ergebnisse: verbesserte Effizienz (gegenüber VMware) vertretbarer Portierungsaufwand * P. Barham et al.: Zen and the Art of Virtualization. Proc. 19. ACM Symp. on Operating System Principles, 2003 bs-9 7

8 Architektur: CPU-Modus (Ring) Benutzer Benutzer Benutzer Control 3 Software XenoLinux XenoXP XenoBSD XenoLinux 1 Xen 0 x86-maschinen bs-9 8

9 Interaktion zwischen Supervisor und Hypervisor : Hypercall Aufruf des Hypervisor durch Systemaufruf-Instruktion ( Trap), ersetzt privilegierten Befehl (in portiertem BS-Code) Event Benachrichtigung eines Supervisor von Geräte-Unterbrechung, ersetzt HW-Unterbrechung, ist realisiert wie SW-Unterbrechung in Einzelsystem bs-9 9

10 Interaktion zwischen Benutzer und Supervisor : Alarme (Systemaufruf, Fehler außer Seitenfehler) werden direkt vom Supervisor behandelt, weil Xen die Unterbrechungsvektoren so einrichtet, wie ihm vom Supervisor beim Start mitgeteilt wurde Seitenfehler: Die verursachende Adresse befindet sich im Register CR2 and dieses ist nur über eine privilegierte Instruktion erreichbar! Daher: Xen übernimmt, speichert CR2 im Keller des BS und überlässt danach dem BS die Behandlung bs-9 10

11 Virtualisierung des Prozessors Parameter der Zuteilung von Prozessorzeit an die Gastsysteme einstellbar über die Control Software Ablaufsteuerung bevorzugt System, das gerade aufgeweckt wurde (damit zeitkritische Aktionen nicht verzögert werden *) * z.b. TCP basiert seine Einschätzung der Netzgeschwindigkeit auf den Antwortzeiten der Quittungen bs-9 11

12 Virtualisierung der Uhren Jedes Gastsystem hat eigene virtuelle Geräte für Realzeit (!), eigene virtuelle Zeit (bleibt stehen bei Inaktivität) und Uhrzeit, ferner 2 Wecker für Realzeit und virtuelle Zeit bs-9 12

13 Para(!)virtualisierung von Seitentabellen und MMU Es gibt keine Unterscheidung zwischen virtuellen Seitentabellen eines Gastsystems und realen Seitentabellen des Hypervisor ( shadow tables in VMware): Gastsystem liest die realen, vom Hypervisor verwalteten Seitentabellen kann sie aber nicht direkt verändern. Seitentabellen können nur über Hypercall modifiziert werden. bs-9 13

14 ! Unterscheidung zwischen hardware memory und physical memory letzteres ist der aus Sicht des Gastsystems reale, physisch zusammenhängende, in Wirklichkeit aber der von Xen angebotene virtuelle Speicher, dessen Seiten gestreut liegen. Beim Start eines Gastsystems wird ihm von Xen ein bestimmter Anteil am realen Speicher (nicht notwendig zusammenhängend) zugesichert. Dieser Anteil kann auf Wunsch des Systems (in Grenzen) vergrößert bzw. verkleinert werden. bs-9 14

15 Virtualisierung der Ein/Ausgabe Rather than emulating existing hardware devices, as is typically done in fully-virtualized environments, Xen exposes a set of clean and simple device abstractions. bs-9 15

16 8.2 Sichere Systeme Das Beispiel Terra * Anwendungen in getrennten Maschinen (realen oder virtuellen) laufen zu lassen ist sicherer als nur in getrennten Prozessen in einer (realen oder virtuellen) Maschine. Zusätzlich: besondere Sicherungsmöglichkeit einer virtuellen Maschine ist wünschenswert: TVMM (trusted VMM) unterstützt closed box -VMs * T. Garfinkel et al.: Terra: a virtual-machine-based platform for trusted computing. Proc. 19. ACM Symp. on Operating System Principles, 2003 bs-9 16

17 Fähigkeiten des TVMM zusätzlich zu normalen VMMs: Selbst der Systemverwalter kann den Schutz einer closed box gegen Manipulationen nicht durchbrechen ( root secure ). Eine Anwendung, die in einer closed box läuft, kann ihre Authentizität gegenüber einem entfernten Partner kryptographisch gesichert nachweisen ( attestation ). Zwischen einem menschlichen Benutzer und einer VM kann eine gesicherte Beziehung hergestellt werden ( trusted path ). bs-9 17

18 Typische zu lösende Probleme: Hardware-Unterstützung: Sicherheits-Koprozessor, z.b. gemäß Spezifikation der TCPA (jetzt TCG Trusted Computing Group), sicherer Zeitgeber u.a. Sichere Treiber: schwieriges Problem Treiber gibt es wie Sand am Meer, sie sind komplex und notorisch unsicher Management VM: mit Operationen wie VM erzeugen, virtuelles Gerät erzeugen, einer VM zuordnen, mit anderem (virtuellem oder realen) Gerät verbinden etc. bs-9 18

19 und weiter: Unterstützung für attestation einer closed-box VM durch den TVMM: closed-box VM übergibt ihren öffentlichen Schlüssel und eventuell weitere anwendungsspezifische Daten an TVMM; TVMM plaziert diese Daten zusammen mit dem Hashwert des VM-Codes in ein Zertifikat, signiert dieses Zertifikat mit seinem privaten Schlüssel und gibt es an die VM zurück; VM weist sich mit diesem Zertifikat gegenüber entfernten Partnern aus. bs-9 19

20 Prototyp von Terra - baut auf VMware auf - benutzt Linux in den VMs - X.509-Zertifikate (OpenSSL-Bibliothek), ohne Koprozessor für sicheres Booting - sichere Beispiel-Anwendung: Trusted Quake (Quake = Mehrpersonen-Online-Spiel, bei dem viel geschummelt wird!) bs-9 20

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