Hardware Virtualisierungs Support für PikeOS

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1 Virtualisierungs Support für PikeOS Design eines Virtual Machine Monitors auf Basis eines Mikrokernels Tobias Stumpf SYSGO AG, Am Pfaenstein 14, Klein-Winternheim HS Furtwangen, Fakultät Computer and Electrical Engineering, Robert-Gerwig-Platz 1, Furtwangen 18. November 2010 Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 1/20

2 1 Grundlagen 2 Design 3 Implementierung 4 Projekt Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 2/20

3 Motivation Servermarkt Zusammenfassen verschiedener Serverdienste auf einer physikalischen Maschine Lastverteilung Desktopbereich Einsatz verschiedener (ähnlicher) Betriebssysteme Entwicklung eingebettete Systeme Abschottung von Teilkomponenten Anwendung mit unterschiedlichen Sicherheits- und Echtzeitanforderungen Einsatz unterschiedlicher Betriebssysteme Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 3/20

4 Motivation Servermarkt Zusammenfassen verschiedener Serverdienste auf einer physikalischen Maschine Lastverteilung Desktopbereich Einsatz verschiedener (ähnlicher) Betriebssysteme Entwicklung eingebettete Systeme Abschottung von Teilkomponenten Anwendung mit unterschiedlichen Sicherheits- und Echtzeitanforderungen Einsatz unterschiedlicher Betriebssysteme Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 3/20

5 Motivation Servermarkt Zusammenfassen verschiedener Serverdienste auf einer physikalischen Maschine Lastverteilung Desktopbereich Einsatz verschiedener (ähnlicher) Betriebssysteme Entwicklung eingebettete Systeme Abschottung von Teilkomponenten Anwendung mit unterschiedlichen Sicherheits- und Echtzeitanforderungen Einsatz unterschiedlicher Betriebssysteme Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 3/20

6 Überblick Virtualisierung Emulation native Emulation p-code Voll Virtualisierung Paravirtualisierung klassische Binary Translation unterstützte Virtualisierung Wir betrachten nur Systeme mit gleicher Architektur für Host- (Wirt-) und Gastsystem. Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 4/20

7 Überblick Virtualisierung Emulation native Emulation p-code Voll Virtualisierung Paravirtualisierung klassische Binary Translation unterstützte Virtualisierung Wir betrachten nur Systeme mit gleicher Architektur für Host- (Wirt-) und Gastsystem. Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 4/20

8 Anforderungen 2 Betriebsmodi (Kernel-/Usermodus) Alle sensitiven Instruktionen müssen privilegiert sein Zugri auf nicht zugewiesene Ressourcen und Ausführen privilegierter Instruktionen im Usermodus müssen einen Trap hervorrufen. Start Enter führe Gast Code aus Trap behandle Trap Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 5/20

9 -unterstütze Virtualisierung Architektur muss vorherige Anforderungen erfüllen. Neuer Betriebsmodus (Hypervisor) neue Instruktionen zum Verwalten einer VM In-Memory Datenstrukturen Vollständige Kontrolle des Gastsystems Gerätezugri Interruptbehandlung Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 6/20

10 Aufbau Grundlagen Design Implementierung Projekt VM VM VM VMM VMM VMM Hypervisor Type I VM VM VMM VMM Hypervisor Anwendung Host OS Type II Anwendung Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 7/20

11 PikeOS Grundlagen Design Implementierung Projekt Mikrokernel basiertes Echtzeitbetriebssystem Anwendungen laufen in isolierten Partitionen Bietet Support für Paravirtualisierung (Linux) VM (Partition) VM (Partition) VM (Partition) Systemsoftware Mikrokernel (P4) Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 8/20

12 Zielsetzung PikeOS Type I VM (Partition) VM (Partition) Systemsoftware Mikrokernel (P4) VM (Partition) VM VM VM + VMM VMM VMM = Hypervisor Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 9/20

13 Zielsetzung PikeOS Type I VM (Partition) VM (Partition) Systemsoftware VM (Partition) Mikrokernel (P4) VM VM VM + VMM VMM VMM = Hypervisor VM VM VM VMM VMM Systemsoftware Hypervisor / P4 Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 9/20

14 Zielsetzung PikeOS Type I VM (Partition) VM (Partition) Systemsoftware VM (Partition) Mikrokernel (P4) VM VM VM + VMM VMM VMM = Hypervisor VM VM VM VMM VMM Systemsoftware Hypervisor / P4 Vollvirtualisierung aufbauend auf HuV Erweiterung von PikeOS zum Type I Hypervisor Minimale Änderungen am bestehenden Code Übernahme von bestehenden Konzepten unabhängiges Design Nach Möglichkeit funktionen verwenden Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 9/20

15 Resultat eine VMM Implementation für jede Architektur Kernel bietet HW Abstraktion (verschiedene HuV Implementierungen innerhalb einer Architektur sind für den VMM transparent) Speichervirtualisierung im Kernel externe Interrupts werden ausschlieÿlich vom Hostsystem behandelt. Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 10/20

16 Speicherrepräsentation Adressraum als P4 Task P4 Taskbaum (hierarchische Weitergabe von Ressourcen) Einschränkung: P4 Kernel im oberen Adressraum Modikation oder neuer Ansatz Modikation greift in gut optimierten und getesteten Code ein neuer Ansatz kann funktionen besser nutzen task 2,2 task 2,1 task 1,1 task 2 task 1 σ 0 Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 11/20

17 neuer Ansatz Kernel verwaltet virtuellen Adressraum der VM VMM konguriert Adressraum der VM VMM kann nur eigene Ressourcen weitergeben P4 Ansatz bleibt erhalten! Kernel kann wahlweise HW-/SW Funktionalität für die Speicheradressübersetzung nutzen task 2,2 task 2,1 VM task 2 task 1 (VMM) σ 0 Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 12/20

18 virtuelle CPU Relation: T hread T ask vcp U V M Bedingung: Ein Thread gehört zu einem Task und darf nur auf dessen Betriebsmittel zugreifen. vcpu wird durch Thread dargestellt vcpu Thread gehört zur VMM Task, weil VM nicht als eigenständiger Task implementiert ist vcpu Thread greift nur auf Betriebsmittel der VM zu Die Menge der Betriebsmittel der VM ist eine Teilmenge der Betriebsmittel des VMM Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 13/20

19 Interface Anforderung gleiches Interface für alle Architekturen Zugri auf Register der virtuellen CPU Verwalten der Ressourcen Eventinjektion Datenaustausch über Shared Memory Informationsuss vom Kernel in den User Space Ausnahme: VMM kann Register der vcpu ändern Es werden nur Daten abgelegt, die nicht von der HW gesichert werden auf die häug zugegrien wird Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 14/20

20 User Modus Kernel Modus Gast Modus Führe Gast Code aus Wechsle in Gast Modus Ausführen von Gast Code Behandle VM-Exit VMM Intervention? nein ja Behandle VM-Exit VMM Hypervisor VM Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 15/20

21 Änderungen am bestehenden Code Erweiterung: des Interfaces der HW-Initialisierung der Kernel Daten Strukturen Globale Daten - systemweit gültig für alle VMs VM bezogen - Setup der VM (z.b. Betriebsmittel) vcpu bezogen - Register, etc. des Task / Thread Kontextes um jeweils einen Pointer zu den VM / vcpu bezogenen Daten Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 16/20

22 Details Grundlagen Design Implementierung Projekt Verschiedene Implementierungen innerhalb einer Architektur Traditionell: verschieden PSPs Besonderheit der x86 Architektur: nur ein PSP nötig keine unterschiedlichen PSPs für Virtualisierung gewünscht Funktionstabelle, die je nach hersteller initialisiert wird vcpus werden durch ThreadID identiziert, VMs durch TaskID Speichervirtualisierung als virtueller TLB Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 17/20

23 Aktueller Stand Design für den Hypervisor Implementierung für die grundlegenden CPU Funktionen einfachen VMM, incl. Bootloader Timer Interrupt Controller serielle Schnittstelle Linux ist lauähig 16-bit Startcode durch statisches Setup ersetzt Zugri auf Low Level Devices ausgeschaltet Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 18/20

24 Aktueller Stand Design für den Hypervisor Implementierung für die grundlegenden CPU Funktionen einfachen VMM, incl. Bootloader Timer Interrupt Controller serielle Schnittstelle Linux ist lauähig 16-bit Startcode durch statisches Setup ersetzt Zugri auf Low Level Devices ausgeschaltet Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 18/20

25 Aktueller Stand Design für den Hypervisor Implementierung für die grundlegenden CPU Funktionen einfachen VMM, incl. Bootloader Timer Interrupt Controller serielle Schnittstelle Linux ist lauähig 16-bit Startcode durch statisches Setup ersetzt Zugri auf Low Level Devices ausgeschaltet Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 18/20

26 Ausblick Vervollständigen der Hypervisorimplementierung Ausführen von 16-bit Code VMM Evaluation Eigenentwicklung bestehende Software (z.b. Qemu) Speichervirtualisierung Echtzeitanforderungen Evaluation des Interfaces Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 19/20

27 Zusammenfassung Erweiterung von PikeOS für die HuV Design für den Hypervisor Implementation Tobias Stumpf Virtualisierungs Support für PikeOS 20/20

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