Virtualisierung kann an verschiedenen Ebenen ansetzen. 1. Echte Virtualisierung und Para-Virtualisierung

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1 Virtualisierung Virtualisierung kann an verschiedenen Ebenen ansetzen 1. Echte Virtualisierung und Para-Virtualisierung 2. Emulation Implementierung eines Computers und seiner Funktionsgruppen komplett in Software 3. Partitionierung setzt weiter oben als vorgenannte Verfahren an 4. API-Emulation setzt ebenfalls weiter oben an

2 Virtualisierung Bei echter oder vollständiger Virtualisierung wird ein unmodifiziertes Betriebssystem innerhalb einer virtuellen Maschine ausgeführt. Eine virtuelle Maschine nach Goldberg ist: a hardware-software duplicate of a real existing computer system in which a statistically dominant subset of the virtual processor s instructions execute on the host processor in native mode

3 Virtualisierung Eigenschaften einer virtuellen Maschine (nach Popek / Goldberg 1974): Äquivalenz Ein Programm soll in virtueller Umgebung dasselbe Verhalten wie bei nativer Ausführung aufweisen. Ressourcen-Kontrolle Ein Virtual Machine Monitor (VMM) muss die vollständige Kontrolle über virtualisierte Ressourcen besitzen. Effizienz Dieses Kriterium grenzt Virtualisierung von Emulation ab. Bei Emulation würde der VMM jede Instruktion einzeln bewerten und ausführen. Bei Virtualisierung müssen jedoch nur wenige Instruktionen von dem VMM geprüft werden. Alle anderen werden direkt vom Prozessor ausgeführt.

4 Hardware Anforderungen Goldberg definierte die minimalen Hardwarevoraussetzungen für den Betrieb virtueller Maschinen als: 1) Zwei Prozessormodi (privilegiert / unprevilegiert). 2) Eine Methode für unprivilegierte Programme privilegierte Systemroutinen aufzurufen. 3) Speicherschutz mittels Paging und/oder Segmentierung. 4) Ein asynchrones Interrupt-Konzept für die Kommunikation mit angeschlossenen Geräten.

5 Virtualisierung Vorteile einer virtuellen Maschine Konfigurierbare Umgebung Spezielle Systeme zum Testen können sehr einfach erstellt und verwaltet werden. Gleichzeitige Ausführung mehrerer Systeme Beliebige Betriebssysteme (für den verfügbaren Prozessortyp) können gleichzeitig genutzt werden. Isolierung Virtuelle Maschinen erlauben die Isolation nicht vertauenswürdiger Programme oder Systeme. Effiziente Ressourcennutzung Ressourcen von Großrechnern können in virtuellen Maschinen aufgeteilt werden.

6 Virtualisierung Ein Betriebssystem wird normalerweise im privilegierten Prozessor-Modus ausgeführt. Dadurch gewinnt das Betriebssystem die absolute Kontrolle über die vorhandenen Ressourcen. Die virtuelle Maschine läuft als normaler Benutzer- Prozess: Das unmodifizierte Betriebssystem in einer virtuellen Maschine kann folglich nicht den privilegierten Prozessor-Modus nutzen. => Instruktionen, die den privilegierten Modus voraussetzen, müssen vom VMM abgefangen und behandelt werden. Host-System Gast-System

7 Virtualisierung Wenn Instruktionen, die einen privilegierten CPU Modus voraussetzen, im unprivilegierten Modus verwendet werden, lösen diese eine CPU-Exception aus. Tritt eine Exception auf, emuliert der VMM die Ausführung der Instruktion. Diesen Mechanismus nennt man trap and emulate. VMM behandelt unter anderem ( Hardwarezugriffe E/A-Zugriffe (insbesondere Speichermanagement, wie der Aufbau und die Nutzung von Seitentabellen Prozesswechsel und System-Aufrufe Alle weiteren Instruktionen werden direkt von der CPU (! Emulation ausgeführt. (d.h. keine

8 Virtualisierung Vollständige Virtualisierung ist stark prozessorarchitekturabhängig Jeder Prozessortyp definiert einen eigenen Maschinenbefehlssatz. Jede Prozessorarchitektur definiert eigene Schutzmechanismen, insbesondere welche Instruktionen welche Privilegien benötigen. Als kritische Instruktionen werden Instruktionen bezeichnet, die den Zustand des VMM oder des Host- Systems beinträchtigen oder verändern können. Wenn alle kritischen Instruktionen ausschließlich im privilegierten Modus ausgeführt werden können bzw. eine Exception auslösen, so ist dieser Prozessortyp virtualisierbar.

9 Virtual Machine Monitor Virtual Machine Monitors (VMM) können in zwei Unterklassen unterteilt werden: VMM Typ I Dieser VMM läuft direkt auf der physikalischen Hardware. Es ist ein Betriebssystem(-Kern), der über Mechanismen verfügt, virtuelle Maschinen zu betreiben. Ist zuständig für Scheduling und die Ressourcenverteilung und benötigt Treiber für angeschlossene Geräte. VMM Typ II Dieser VMM läuft als normaler Prozess auf dem Host- System und stellt lediglich Dienste für Virtualisierung zur Verfügung. Ressourcenverteilung, Scheduling und Geräteunterstützung werden durch das Host-System erledigt.

10 Virtual Machine Monitor Prozessoranforderungen für Typ I VMMs 1. Die Ausführung von nicht-privilegierten Instruktionen ist im privilegierten Modus gleich wie im nicht-privilegierten. 2. Ein Schutzmechanismus zur Trennung vom Host-System und virtuellen Systemen (Speicherschutz). 3. Ein Mechanismus zur Benachrichtigung der VMM, falls eine virtuelle Maschine (VM) eine kritische Instruktion ausführen will, insbesondere sind das: (a) Instruktionen, die auf den Zustand einer VM zugreifen oder verändern. (b) Instruktionen, die spezielle CPU-Register lesen oder verändern (z.b. Register mit der Adresse der Interrupt-Tabelle). (c) Alle Instruktionen, die Speicherschutz-Mechanismen behandeln. (d) Alle E/A-Instruktionen (z.b. Gerätezugriff).

11 Virtual Machine Monitor Prozessoranforderungen für Typ II VMMs Es gelten dieselben Anforderungen wie bei Typ I VMMs. Zusätzlich muss das Host-Betriebssystem folgende Methoden zur Verfügung stellen: Schutz des VMM und aller virtuellen Maschinen vor der aktiven virtuellen Maschine. Beispielsweise durch Speicherschutzmechanismen oder eines geeigneten Prozessmodells. Ein Mechanismus zur Signalisierung Falls eine virtuelle Maschine eine CPU-Exception auslöst, muss der VMM benachrichtigt werden. Bemerkung: Ein sicherer VMM setzt ein sicheres Host- Betriebssystem voraus.

12 Virtualisierung auf x86 CPUs Die minimalen Anforderungen von Goldberg werden von x86 CPUs alle erfüllt: 1) Zwei Prozessormodi (privilegiert / unprivilegiert). x86-prozessoren verfügen über vier Ringe. 2) Eine Methode für unprivilegierte Programme privilegierte Systemroutinen aufzurufen. Programme können den Software-Interrupt 0x80 auslösen oder auf neueren Modellen die Instruktionen syscall bzw. sysenter verwenden. 3) Speicherschutz mittels Paging und/oder Segmentierung. x86-prozessoren unterstützen beide Verfahren. 4) Ein asynchrones Interrupt-Konzept für die Kommunikation mit angeschlossenen Geräten. x86-prozessoren unterstützen mind. 16 Interrupts für angeschlossene Geräte.

13 Virtualisierung auf x86 CPUs Ist die Unterstützung von VMM Typ I und II auf x86 möglich? Gefordert wurden: 1. Die Ausführung von nicht-privilegierten Instruktionen ist im privilegierten Modus gleich wie im nicht-privilegierten. 2. Ein Schutzmechanismus zur Trennung vom Host-System und den virtuellen Systemen (Speicherschutz). => beide Anforderungen unproblematisch.

14 Virtualisierung auf x86 CPUs Ist die Unterstützung von VMM Typ I und II auf x86 möglich? Gefordert wurden: 3. Ein Mechanismus zur Benachrichtigung der VMM falls eine virtuelle Maschine (VM) eine kritische Instruktion ausführen will, insbesondere sind das: (b) Instruktionen die spezielle CPU-Register lesen oder verändern (z.b. Register mit der Adresse der Interrupt-Tabelle). Beispiel: Interrupt-Tabelle: Die Speicherstelle, an der die Interrupt-Tabelle hinterlegt wurde, wird in einem CPU-Register. Das Schreiben dieses Registers durch einen unprivilegierten Prozess führt zu einer Exception. Das Lesen jedoch nicht. Es kann nun vorkommen, dass ein Betriebssystem diesen Wert direkt ausliest und intern verwendet. Diese Adresse ist jedoch für die virtuelle Maschine nicht gültig. Der VMM hat keine Möglichkeit diesen Zugriff abzufangen.

15 Virtualisierung auf x86 CPUs Ist die Unterstützung von VMM Typ I und II auf x86 möglich? 1999 wurde eine Analyse der damals etwa 250 Instruktionen für x86 durchgeführt und 17 von diesen verletzten entweder Bedingung 3b oder 3c. Somit war eine sichere vollständige Virtualisierung auf x86 Prozessoren zu dieser Zeit nicht möglich. => Andere Lösungen mussten gefunden werden.

16 Binary Translation Idee: Wenn bestimmte Instruktionen die Virtualisierung verhindern, dann entferne diese Instruktionen und ersetzte sie durch Exceptions. Im Allgemeinen ist es aber schwer vor der Ausführung solche Befehle zu finden. Man kann meist erst zur Laufzeit entscheiden, was Daten und was Programmcode sind. Dynamische Recompiler übersetzen zur Laufzeit Maschinenbefehle von einer Plattform in eine andere. Beispiel: Apple's Rosseta erlaubt die Ausführung von älteren PPC Programmen auf aktuellen Apple Rechnern mit Intel-CPUs. Dieses Verfahren wird auch Binary Translation genannt.

17 Binary Translation Geschwindigkeit Unprivilegierter Programmcode wird in der Regel unverändert ausgeführt. Die Ausführungsgeschwindigkeit unterscheidet sich dann meist nicht von der direkten Ausführung. Systemaufrufe haben den Übergang von User- in den Kernel- Mode zur Folge. Alle diese Übergänge müssen vom VMM abgefangen und behandelt werden. Wenn zusätzlich ein Hardwarezugriff erfolgt (z.b. lesen von der Festplatte), muss ein weiterer Context-Switch in den Host-Kernel stattfinden. Allgemein ist dieser Ansatz für Szenarien interessant, in denen wenige Programme aufwändige Berechnungen anstellen, aber sehr wenig Kommunikation mit Hardware oder Betriebssystem stattfindet.

18 Binary Translation Der bekannteste Vertreter des Binary Translation Verfahrens ist VMware. VMware nutzt dynamische Binary Translation Nur wenig bekannt über das konkrete Verfahren Spezielle Hardware-Treiber erhöhen die Geschwindigkeit und vereinfachen die Benutzung Bekannte Betriebssystemkerne werden vorab verändert Caching Mechanismus für bereits geänderte Programmteile Sehr viele Optimierungen für die Verbesserung der Geschwindigkeit. => Sehr komplexe Lösung!

19 Prozessorerweiterungen 2006 haben beide großen x86 Prozessorhersteller AMD und Intel unabhängig voneinander Prozessorerweiterungen zur Virtualisierungsunterstützung vorgestellt. ( VT ) Intels Virtualization Technology ( SVM ) AMDs Secure Virtual Machine Zum Test, ob der Prozessor diese Erweiterungen besitzt, kann auf einem Linux-PC folgender Befehl verwendet werden: egrep '^flags.*(vmx svm)' /proc/cpuinfo

20 Prozessorerweiterungen Beide Hersteller verwenden eigene, nicht-kompatible Verfahren. Die Grundprinzipien sind jedoch die selben. ( Guest-Mode ) Ein dritter CPU-Modus wurde eingeführt Es gibt jetzt zwei grundsätzliche Betriebsarten, die über Kernel und User-Mode stehen. Das Host-System läuft im Host-Mode Virtuelle Maschinen laufen im Guest-Mode Für jede virtuelle Maschine gibt es einen Virtual ( VMCB ) Machine Control Block Dieser beinhaltet den aktuellen Zustand einer virtuellen (. etc Maschine (u.a. Prozessorregister, Flags

21 Prozessorerweiterungen Maschinenbefehle zum Wechsel zwischen Host-Mode und Guest-Mode ( AMD ) VMRUN und Intercepts

22 Prozessorerweiterungen Beim Eintritt in den Guest-Mode wird der CPU-Zustand für die virtuelle Maschine wieder hergestellt. Über Flags kann bestimmt werden, welche Ereignisse zum Verlassen des Guest-Modes führen ( alle Interrupts (nur bestimmte oder Exceptions Damit können unnötige Wechsel zwischen den Modi vermieden werden. Die virtuelle Maschine verfügt über einen eigenen Kernel-Mode, so dass die meisten Exceptions und Systemaufrufe selbst behandelt werden können. Event Injection ermöglicht dem VMM die Benachrichtigung der virtuellen Maschine über deren Interrupt-Routinen.

23 Virtualisierung mit KVM KVM (Kernel based Virtual Machine) ist eine im Linux- Kernel integrierte Virtualisierungslösung Unterstützt zur Zeit nur vollständige Virtualisierung Funktioniert daher nur auf x86-prozessoren mit Virtualisierungstechnik Verwendet QEMU für die Emulation von E/A-Geräten ( 8139 Netzwerkkarten (RTL PIIX4 IDE Chipsatz Cirrus Logic VGA Grafikkarte Virtuelle Maschinen (Guest) laufen als normale Linux- Applikationen

24 Virtualisierung mit KVM KVM Architektur Arbeitsteilung: Guest-Mode: Führt alle Instruktionen bis auf E/A-Anforderungen aus. Kernel: Wechselt in den Guest-Mode und behandelt die Rückkehr aus dem Guest-Mode im Falle von E/A-Anforderungen oder speziellen Instruktionen. User-Mode: Weiterleitung der E/A-Anforderungen für die Gast-Systeme.

25 Speichermanagement und Virtualisierung Die Prozessor-Erweiterungen ermöglichen jetzt zwar eine sichere vollständige Virtualisierung, jedoch lag der Fokus bis jetzt nur auf der Absicherung der Instruktionen. Speichermanagement, das üblicherweise ebenfalls von der Hardware erledigt wird, blieb erstmal außen vor. Virtualisierungslösungen müssen das Speichermanagement selbst für die Gast-Systeme durchführen. Insbesondere mehrstufiges Paging ist aufwändig und kostet Geschwindigkeit.

26 KVM SoftMMU KVM implementiert das Erhalten einer x86 MMU in Software. Das Gast-System glaubt, dass es seine eigenen Seitentabellen verwaltet. Diese werden aber vom Prozessor nicht verwendet. KVM verwendet eine Shadow Seitentabelle, die eine Übersetzung von virtuellen Adressen des Gast-Systems auf physikalische Adressen des Host-Systems erlaubt. Diese Umsetzung kostet jedoch Zeit: Ein Eintrag in die Shadow-Tabelle kostet etwa 6000 CPU- Zyklen.

27 KVM SoftMMU KVM implementiert das Verhalten einer x86 MMU in Software. CPU CR3

28 Speichermanagement und Virtualisierung Besser ist eine zweistufige Hardwarelösung Verfügbar in der nächsten Prozessorgeneration ( Barcelona ) z.b. für AMD K10

29 Zusammenfassung Virtualisierung Vollständige Virtualisierung stellt hohe Ansprüche an Hard- und Software. VMware ist eine erfolgreiche Zwischenlösung bis Prozessorunterstützung in der Breite vorhanden ist. Neue CPU-Generationen erlauben eine effiziente Umsetzung von vollständiger Virtualisierung. E/A-Operationen und Hardwarezugriff bleiben aufwändig und wenig performant. Alternative: Para-Virtualisierung

30 Para-Virtualisierung Vollständige Virtualisierung ist bei E/A-Zugriffen wenig performant. Gerade für Server-Konsolidierung spielt E/A- Performance eine wichtige Rolle. Vollständige Virtualisierung ist nicht immer notwendig: Der Programmcode von einigen Betriebssystemen ist frei verfügbar. Somit können Host- und Gast-Systeme modifiziert werden. Ähnliche Idee wie bei Binary Translation. Da Host- und Gast-Systeme aufeinander abgestimmt wurden, können E/A-Operationen sehr effizient implementiert werden.

31 Para-Virtualisierung Para-Virtualisierung ersetzt hardwarenahe Operationen durch spezielle Softwareroutinen. Das Gast-System kommuniziert mittels Hypercalls mit dem Host-System Beispiel: Linux bietet etwa 100 paravirtualisierte Operationen für Hardware-Zugriffe. Zur Zeit nur für i386 Implementiert sind Zugriffe auf die CPU und Timer. Erlaubt eine sehr einfache Anpassung von Gast-Systemen Lguest, ein angepasster Linux-Gast Kernel, war die erste Implementation, die diese Operationen nutzte. Insgesamt waren nur ~5000 Zeilen Code für die Anpassung notwendig! Diese Operationen werden zur Zeit noch von VMware und XEN verwendet.

32 Para-Virtualisierung und Virtualisierung Grenzen zwischen beiden Verfahren fließend. Auch vollständige Virtualisierungslösungen nutzen Para-Virtualisierung: VMware nutzt spezielle para-virtualisierte Treiber für Massenspeicher und Netzwerk. Diese Treiber wurden jeweils für das Host-System speziell entwickelt und erlauben dem VMM performanten Zugriff. Für KVM wird die zur Zeit mittels QEMU emulierte Hardware durch para-virtualisierte Hardwaretreiber ersetzt.

33 Para-Virtualisierung und Virtualisierung Kritik an der Virtualisierung: x86 virtualization is about basically placing another nearly full kernel, full of new bugs, on top of a nasty x86 architecture which barely has correct page protection. Then running your operating system on the other side of this brand new pile of ****. You are absolutely deluded, if not stupid, if you think that a worldwide collection of software engineers who can't write operating systems or applications without security holes, can then turn around and suddenly write virtualization layers without security holes." ( Projekts Theo de Raadt (Gründer des OpenBSD

34 Emulation Virtualisierung zeichnet sich dadurch aus, dass der größte Teil des virtualisierten Programmcodes direkt auf dem Prozessor des Host-Systems ausgeführt werden kann. Dies ist allerdings nur dann möglich, wenn Software und Betriebssystem für die gleiche Computer-Architektur entwickelt worden sind. Für die Virtualisierung von Systemen, die andere CPU- Typen oder Hardware nutzen, ist Emulation notwendig. Bei Emulation werden die Eigenschaften von Hardware vollständig in Software nachgebildet. => weit weniger performant als Virtualisierung

35 Emulation Einsatzbeispiele Programmierung von PDAs und Mobiltelefonen (Test und Fehlersuche). Durch die Emulation alter Computer und Spielkonsolenmodelle kann die Software weiter genutzt werden (Investitionsschutz). Nachbilden von speziellen Hardwareumgebungen: Linux in Version hatte nur ein paar spezielle Hardware- Treiber. Diese Version ist aber noch sehr einfach und für Lehrzwecke interessant. Langzeitarchivierung Emulation statt Konversion z.b. PLANETS Projekt

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