Virtualisierung. Seminarvortrag SS Niels Burkhardt

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1 Seminarvortrag SS 2005 Niels Burkhardt

2 Inhalt Einleitung Wofür? Voraussetzungen Klassifizierung Emulation, ABI, Virtuelle Maschinen Virtuelle Maschinen Aufbau Eigenschaften Aufteilung der Befehle VMM Module Seite 2

3 Speichermanagement Shadow page tables Nested page tables x86 und I/O Inhalt Probleme der Architektur Eine Lösung: Intel VT Möglichkeiten der I/O IBM zseries Ausblick Quellenangabe Seite 3

4 Eine Einleitung Seite 4

5 Was ist? Virtualization is a framework or methodology of dividing the resources of a computer into multiple execution environments. [1] Dies kann erreicht werden durch: Partitionierung von Hardware und Software Time-sharing Teilweise oder komplette Maschinen-Simulation Emulation Seite 5

6 Wofür? Betrieb unterschiedlicher Betriebssysteme z.b. Linux/Windows Serverkonsolidierung Mehrere Server zu einem vereinen Erhöhung der Sicherheit System für Büroarbeit/System für Internet Entwicklersysteme gleichzeitiger Betrieb mehrerer Testumgebungen Seite 6

7 Voraussetzungen [2] zwei Prozessor Modi eine Methode für nicht privilegierte Programme privilegierte Systemroutinen aufzurufen Speicherschutz und -zuteilungs Mechanismen wie Paging oder Segmentierung asynchrone Interrupts (I/O) Seite 7

8 Klassifizierung Seite 8

9 Emulation: Klassifizierung Emulation ABI virtuelle Maschinen Nachbildung eines kompletten Instruktionssatzes erfordert Interpretation der Befehle Vorteil: flexibel Nachteil: langsam Beispiele: Bochs[10], PearPC[11] Betriebssystem Emulator Hardware Seite 9

10 Klassifizierung Emulation ABI virtuelle Maschinen Nachbildung des ABI(Application Binary Interface) ermöglicht es, Programme auf einem anderen Betriebssystem auszuführen der Befehlssatz des Prozessors ist der gleiche Beispiel: Wine [9] Anwendung ABI ABI- Übersetzung Betriebssystem Seite 10

11 Virtuelle Maschinen Klassifizierung Emulation ABI virtuelle Maschinen ein Host-System mehrere Gast-Systeme Gast und Host haben gleichen Befehlssatz Virtual Machine Monitor (VMM) Virtual Machine (VM) Seite 11

12 Virtuelle Maschinen Seite 12

13 Virtuelle Maschine Definition: A virtual machine is a fully protected and isolated copy of the underlying physical machine s hardware. Thus, each virtual machine user is given the illusion of having a dedicated physical machine. [3] Seite 13

14 Aufbau VM 1 VM 2 VM 3 VM N Unix Windows... VMM/Hypervisor Hardware Seite 14

15 notwendige Eigenschaften Effizienz Transparenz Isolierung der VMs Kontrolle der Ressourcen durch den VMM Seite 15

16 Aufteilung der Maschinenbefehle sensitive Befehle Veränderung des Prozessorzustandes vollen Zugriff auf alle Register nicht sensitive Befehle keine Veränderung des Prozessorzustandes eingeschränkte Rechte keinen Zugriff auf Kontrollregister Seite 16

17 Auswirkungen VMM muss alle Befehle ausführen können VM darf keine sensitiven Befehle ausführen falls eine VM einen sensitiven Befehl ausführt, muss es zu einer Exception kommen Seite 17

18 VMM Module Exception/Trap VMM Dispatcher Interpreter Allocator VM Seite 18

19 Speichermanagement Seite 19

20 Speichermanagement Shadow page tables VM verwaltet eigene Pagetables VMM pflegt anhand der VM tables shadow pagetables, die parallel vorhanden sind shadow tables werden für eigentliche Umsetzung genutzt Seite 20

21 Speichermanagement Gast Virtual CR Shadow Page Tables Host CR Segment Table Entry Segment Table Entry Segment Table Entry Page Table Entry Pseudoreale Adresse Page Table Entry Page Table Entry reale Adresse Seite 21

22 Speichermanagement Nested page tables (AMD) Umsetzung von virtuellen Adressen der VM in VM reale Adressen diese werden über eine zweite Umsetzung in physikalische übersetzt die Memory Management Unit (MMU) muss erweitert werden Seite 22

23 Speichermanagement Virtual CR CR Segment Table Entry Segment Table Entry Page Table Entry Pseudoreale Adresse Page Table Entry reale Adresse Seite 23

24 Speichermanagement Problem mit TLB (Translation Look Aside Buffer) bei jedem Kontextwechsel muss TLB gelöscht werden => Einführung eines tagged TLB Software-Managed TLB muss nicht unbedingt erweitert werden Seite 24

25 x86 und Seite 25

26 Probleme der x86-architektur diese Architektur ist nicht virtualisierbar einige sensitive Befehle lösen keine Exception aus Studie: 18 Befehle nicht virtualisierbar [4] z.b. MOVE from CRn Quelle: Intel Seite 26

27 Intel VT(Vanderpool)[7] neuer Prozessormode: VMX operation VMXON VMX operation VMXOFF Entries VMX root operation VMX non-root operation Exits VMM VM 1 VM 2 Seite 27

28 Intel VT VM-Entries: VMLAUNCH VMRESUME VM-Exits: VM VMRESUME VMCALL VMLAUNCH Exception Interrupts/Exceptions VMM VMCALL Seite 28

29 Intel VT VMXON m64 VMXOFF VMCLEAR m64 VMPTRLD m64 VMPTRST m64 VMCS VMCS Pointer Seite 29

30 Intel VT - VMCS VM Control Structure (VMCS) 4 KB Region im Speicher verwaltet Übergänge (entries/exits) event injection emuliert Interrupts VMREAD r/m64,r64 VMWRITE r/m64,r64 Seite 30

31 Intel VT - VMCS 6 logische Gruppen guest-state area host-state area VM-execution control fields VM-exit control fields VM-entry control fields VM-exit information fields Seite 31

32 I/O Seite 32

33 I/O direktes Zuordnen der Ressourcen Jedes Device wird einer festen VM zugeordnet einfache Verwaltung der Devices durch VMM Interrupts können direkt an VM weitergegeben werden aber: Zugriffsschutz für Input/Output Befehle bei DMA (Direct Memory Access) (siehe Pacifica) aber: oft mehr VMs als Devices Seite 33

34 I/O virtuelle Resourcen Jedes Device wird durch VMM emuliert keinen direkten Zugriff auf physikalische Devices VM VMM Festplatte Datei Hardware Seite 34

35 zseries I/O System I/O System aus dem Mainframebereich Optimiert auf hohen Durchsatz durch hohe Bandbreite vom L2 zum Hauptspeicher große Anzahl I/O Hubs große Anzahl von E/A Adaptern Offloading der E/A Operationen weg von der CPU(s) I/O System ist virtualisierbar Seite 35

36 zseries I/O System PU 1 (SAP) L1 PU 2 (CPU 1) L1 Shared L2 Cache Coherence Network I/O Hub I/O Hub 1 st order SAN (System Area Network) I/O Adapter I/O Adapter Communication Network 2 nd order SAN (LAN,WAN,...) PU n (CPU n-1) L1... I/O Hub... I/O Adapter (Storage Area Network) Main Storage Cards to/from other SMPs in a Sysplex I/O Controller Device(s) I/O Controller Device(s) Seite 36

37 zseries I/O System durch strikte Trennung der I/O-Architektur von den CPUs Kanäle(Channel), Unterkanäle(Subchannel) und Kanalprogramme(Channel Programs) Kanalprogramm wird von System Assist Processors (SAP) abgewickelt Kanäle können einzelnen Betriebssystemen zugeordnet werden Seite 37

38 Ausblick schon lange in Mainframes eingesetzt Wird im Augenblick auch für kleinere Server und Desktops interessant IBM POWER Hypervisor [13] und rhypervisor für Linux/Aix/Unix [14] Intel und AMD haben Erweiterungen angekündigt (VT [7] bzw. Pacifica [8]) Xen - Paravirtualisierung für x86 [12] Seite 38

39 Quellenangabe [1] [2] R. Goldberg. Architectural Principles for Virtual Computer Systems. Ph.D. thesis, Harvard University,Cambridge, MA, 1972 [3] R.J. Creasy. The Origin of the VM/370 Time-Sharing System. IBM Journal of Research and Development 25, September 1981 [4] J. S. Robin, C. E. Irvine. Analysis of the Pentium's Ability to Support a Secure Virtual Machine Monitor. In Proceedings of the 9 th USENIX Security Symposium, Denver, CO, August 2000 [5] H. Lehmann, W. G. Spruth. Eigenschaften einer modernen Ein- /Ausgabe-Architektur, IBM Böblingen, 2003 [6] J. v. Buttlar,W. G. Spruth. Virtuelle Maschinen: zseries- und S/390- Partitionierung, Informatik Forsch. Entw., 2004 Seite 39

40 Quellenangabe [7] Intel Vanderpool Technology for IA-32 Processors (VT) Specification, Order Number C , April, 2005, [8] AMD64 Virtualization Codenamed Pacifica Technology. May 2005, white_papers_and_tech_docs/33047.pdf [9] Wine homepage. [10] Bochs homepage. [11] PearPC homepage. [12] Xen homepage. [13] IBM POWER Hypervisor. [14] IBM rhypervisor. Seite 40

41 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Seite 41

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