Server-Virtualisierung VMware ESX Xen

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1 best OpenSystems Day Herbst 2006 Unterföhring Server-Virtualisierung VMware ESX Xen Wolfgang Stief Senior Systemingenieur best Systeme GmbH GUUG Board Member

2 Agenda Virtualisierung eine Einführung Arten, Ansätze, Hypervisor VMware ESX Server Architektur Xen 3.0 Architektur, Management, Performance Seite 2 von 23

3 Virtualisierung eine Einführung Hardware-Partitioning IBM OS/370, Cray CS6400, Sun E10k, IBM zseries, HP Superdome keine wirkliche Virtualisierung, mehr Konsolidierung, teuer Solaris Zones Virtuelle Server schnell, günstig, alle Zones haben gleiche Kernel Revision Resource Management per Zone Sun Branded Zone (BrandZ) Abstraktion von System Calls derzeit nur für Linux auf Solaris x86 System Emulation Hypervisor VMware ESX, Xen Niagara-2, AMD Pacifica, Intel Vanderpool, IBM pseries LPAR Seite 3 von 24 23

4 Virtualisierung eine Einführung volle Virtualisierung vollständige Abstraktion des physikalischen Systems erzeugt vollständiges Virtual System keine Modifikation des GuestOS notwendig vollständige Isolation der einzelnen VMs (Security) in VM läuft binary image des Metal OS physikalische I/O-Devices müssen emuliert werden (Performance!) Paravirtualisierung abstrahierte Hardware ist ähnlich zu physikalischer Hardware GuestOS braucht Wissen und Anpassung an VMM (Portierung) Linux, ohne Device Driver ca. 1.5% des Source Code GuestOS braucht nicht modifiziert werden, wenn Hypervisor in Hardware IBM LPAR, Sun LDOM, AMD Pacifica (AMD-V), Intel Vanderpool (VT-X) üblicherweise Performance-Vorteile im I/O, weil Devices nicht emuliert Seite 4 von 23

5 Virtualisierung eine Einführung: Hypervisor Terminologie trapping and mapping Methode HW in privileged mode GuestOS in user mode privileged instructions des GuestOS werden vom HV eingefangen, übersetzt (memory mapping etc.) und ausgeführt Emulation Call Methode (Paravirtualisierung) GuestOS in privileged mode (Ring 1) HV in super privileged mode (Ring 0) GuestOS hat modifizierten Kernel: HW-Calls für I/O und Memory Management Isolation / HW-Schutz über Memory Mapping Seite 5 von 23

6 Virtualisierung eine Einführung: Hypervisor Terminologie Hardware-Support Xen / VMware mit Intel Vanderpool und AMD Pacifica (nicht untereinander kompatibel wg. HW-Design) nichtmodifiziertes GuestOS IBM LPAR, Sun LDOM Seite 6 von 23

7 Agenda Virtualisierung eine Einführung Arten, Ansätze, Hypervisor VMware ESX Server Architektur Xen 3.0 Architektur, Management, Performance Seite 7 von 23

8 VMware Overview Vorteile VMware keine Änderung am GuestOS VMware Server läuft als Applikation einfache Installation relativ einfacher Umzug von Instanzen (Treiber nicht abhängig von Hardware einfaches Desaster Recovery möglich Nachteile VMware ESX nur mit ausgewählter Hardware zertifiziert Lizenzkosten für ESX Server und Zusatz- Software Seite 8 von 23

9 VMware ESX Architecture Seite 9 von 23

10 VMware ESX Architecture direct execution user level code wird direkt ausgeführt binary translation privileged code (Device Drivers, Kernel Code) wird zum GuestOS hin emuliert Vorteil: GuestOS braucht keine Anpassung Nachteil: Performance insbesondere bei I/O Closed Source nicht sehr ausführlich dokumentiert Benchmarks: keine brauchbaren Zahlen (quantitativ) zu finden nicht bei SPEC, nicht EMC internal / Partnerweb Veröffentlichung per EULA untersagt Seite 10 von 23

11 Agenda Virtualisierung eine Einführung Arten, Ansätze, Hypervisor VMware ESX Server Architektur Xen 3.0 Architektur, Management, Performance Seite 11 von 23

12 Xen 3.0 Architecture logische Isolation der VMs Resource Control + QoS möglich GuestOS: Kernel muss auf HV portiert werden: Linux 2.4 / 2.6, NetBSD, FreeBSD, Plan 9, OpenSolaris Relocation von VMs auf andere Xen Nodes Image + Config File unterstützt SMP im GuestOS über VCPU (32 VCPU max) VCPU hotplug direkt aus der laufenden VM oder per Control Tools Seite 12 von 23

13 Xen 3.0 Architecture Control Interface nur über dom0: create, destroy, manage u. a. privileged VMs sind möglich dom0 und privileged domu: device backend domu: device frontend netback/netfront: VIF blockback/blockfront: VBD Kommunikation Backend mit Frontend über Shared Memory Seite 13 von 23

14 Xen 3.0 Architecture x86 Protected Mode: Memory Protection Paging Subsystem Virtual Memory Support in HW 4 privilege levels Kernel Code mit privileged instructions Ring 0 VMM GuestOS Ring 1 Userland Ring 3 (as usual) privileged instructions von GuestOS werden von VMM überprüft und dann ausgeführt Seite 14 von 23

15 Xen 3.0 Architecture Memory Management GuestOS hat eigene Page Tables (PT) Änderung an PTs über Hypercalls VMM überprüft Updates auf PT vor Durchführung GuestOS darf nur PTs mappen, die ihm auch gehören PT dürfen nur read-only gemapped werden Seite 15 von 23

16 Xen 3.0 Architecture I/O Subsystem Vollvirtualisierung HW-Devices werden emuliert (ESX) Paravirtualisierung macht einfache und saubere Device- Abstraktion: I/O zum Guest und vom Guest über Shared Memory Ring-Architektur: Shared Memory zwischen dom0 und GuestOS (Ring 0 / Ring 1) Xen IO-Spaces: Zugriff GuestOS auf Devices ist über VMM geschützt, Kommunikation über Event Channel Virtual PCI Config Space Virtual Interrupts Seite 16 von 23

17 Xen 3.0 Architecture I/O Subsystem Devices werden in dom0 virtualisiert und über Device Channels an andere domu VMs weitergegeben asynchronous shared memory, safe Backend Drivers exportieren an Frontend Drivers Netz: bridging, routing, iptables (VIF) Block: exportiert beliebige Block-Devices (VBD) (sda, hda, loop...) Seite 17 von 23

18 Xen 3.0 Management xend und xm xend Python starten und stoppen von VMs stellt einen Konsoleserver zur Verfügung schreibt Xen event logs xm CLI create, destroy, save, restore, shutdown, migrate Konfiguration CPU Scheduler zeigt aktive Domains (list) und Xen Boot-Log (dmesg) Konfiguration Memory Footprint der VMs GUIs verfügbar als OpenSource, aktive Entwicklung z. B Seite 18 von 23

19 Xen 3.0 Performance Single CPU Server SPEC CPU, compile Linux ext3 w/ gcc 2.96, OSDB-IR, OSDB-OLTP (beide auf PostgreSQL 7.1.3), dbench, SPECweb99 Xen pre 1.0, VMware Workstation Seite 19 von 23

20 Xen 3.0 Performance lmbench Process times in µs fork proc exec proc sh proc Linux SMP Linux UP Xen VMware UML ähnliches Bild auch bei context switching, Filesystem-Latenzen und VM Latenzen Seite 20 von 23

21 Xen 3.0 Performance ttcp Bandbreite in Mb/s TCP MTU 1500 TCP MTU 500 TX RX TX RX Linux 897,0 897,0 602,0 544,0 Xen 897,0 897,0 516,0 467,0 VMware 291,0 615,0 101,0 137,0 UML 165,0 203,0 61,1 91,4 Web Bench: bis zu 16 parallelen, moderat belasteten Maschinen problemlos, danach Performance-Einbruch Design-Ziel: 100 parallele domu auf einer Physik Seite 21 von 23

22 Quellen und Links Markus Gerstel Virtualisierungsansätze mit Schwerpunkt Xen TU München, Wintersemester 2005/2006 Barham, Dragovic, Fraser, Hand, Harris, Ho, Neugebauer, Pratt, Warfield Xen and the Art of Virtualization University of Cambridge Computer Laboratory, UK Clark, Deshane, Dow, Evanchik, Finlayson, Herne, Mathews Xen and the Art of Repeated Research Clarkson University, Potsdam (NY) Frank Hofmann Solaris Virtualization and the Xen Hypervisor Sun Microsystems, UK Opensourced Xen 3.0 on Solaris 10 Sun Microsystems Ebert, Ramanauskas Softwarevirtualisierung mit Xen Seite 22 von 23

23 Danke für die Aufmerksamkeit. Fragen? best OpenSystems Day Herbst 2006 Unterföhring Wolfgang Stief Senior Systemingenieur best Systeme GmbH GUUG Board Member

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