Opera&ng Systems Virtual Machines

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1 Opera&ng Systems Virtual Machines Virtualisierung System X System X Virtualiza&on Maschine Y is a framework or Maschine Y methodology of dividing the resources of a computer into mul&ple execu&on environments, by applying one or more concepts or technologies such as hardware and soaware par&&oning, &me- sharing, par&al or complete machine simula&on, emula&on, quality of service, and many others. System X Maschine Y =Y VirtualisierungssoAware Maschine Y Amith Singh (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 1

2 Vorteile Server- Konsolidierung Testen und Debugging Isola&on Sandboxing Fault / Error Containment Ausführung von Legacy SoAware Alte Anwendungen Alte Betriebssysteme Indirek&onsstufe Migra&on Quality of Service Lastverteilung Administra&on Automa&sierung Schulungen Auslieferungsmedium für Anwendungen Einsichten in neue SoAware Nachteile Zeit- und Platzeffizienz Schlecht virtualisierbare Hardware Bereits im Gast- OS genutzte Virtualisierung (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 2

3 Technik ist recht verbreitet! Virtualisierung einzelner Ressourcen Terminal = Window Ak&ves Fenster hat Fokus (=Keyboard und Maus) CPU = Thread Adreßraum Speicher = Virtual Memory Virtualisierung ganzer Rechner 16 Bit Windows und DOS- Anwendungen Ausführung in einer virtuellen Maschine Virtuelle Maschinen unterschiedlichster Bauart Ressourcen- Virtualisierung Bessere Ausnutzung Kontextwechsel bei blockierendem Aufruf Nebenläufige Anwendungen profi&eren von Mul&prozessoren aber laufen auch auf Monoprozessoren Eliminieren von Engpässen Mehr Speicher durch Paging Jede Anwendung bekommt ihr eigenes Terminal Schutz / Isola&on Anwendungen untereinander isoliert Betriebssystem vor defekten/bösar&gen Anwendungen geschützt (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 3

4 Beispiel Virtueller Speicher Stack MMU Page Table Virtueller Adreßraum Heap Data Code Abbildungsverfahren Ort jeder genutzten virtuellen Seite im Speicher Mehrwert Isola&on von Adreßräumen Schutz Bessere Speichernutzung Overhead wird durch speziellen Cache (Transla&on Lookaside Buffer) minimiert Realer Adreßraum Historische Wurzeln (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 4

5 Details 1959 bis 1970, IBM federführend, aber auch MIT u.a. Geburtsstunde des Mul&- Programming und Time- Sharing Atlas Project, Manchester (1961) Mul&cs, MIT (1963) m44/44x, IBM 704 Serie, CTSS, CP- 40, CP- 67, VM/370 IBM (ca. 1965) Mehrere iden&sche Kopien der Hardware Kommende OS- Genera&on noch zu jung und instabil Schnelle Nutzung der besser werdenden Hardware Etablierte und zuverlässige Betriebssysteme mitels virtuellen Maschinen replizieren Virtualisierungsarten Emula&on Vollständige Simula&on anderer CPU und Hardware Na&ve Virtualisierung (Full Virtualiza&on) Keine Änderung des Gastsystems (=Transparenz) Paravirtualisierung Gastsysteme sind sich ihrer Virtualisierung bewußt Transparenz oberhalb des Gastes OS- Level- Virtualisierung Betriebssystem virtualisiert mehrere Instanzen seiner selbst Anwendungsvirtualisierung (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 5

6 Emula&on Interpreta&on MS Virtual PC für PPC Emulatoren für Atari, VC64, Apple II, Übersetzung Roseta (MAC OS X, PPC auf Intel) WOW64 (32 Bit Windows auf Itanium 2) Performanz Na&ve Virtualisierung Befehlssatz Gast = Befehlssatz Host Voraussetzungen Privilegierter und nicht- privilegierter Modus Gut virtualisierbare CPU ;- ) Gast- OS führt privilegierte Instruk&on aus VMM interpre&ert Befehl im Kontext der virtuellen Hardware Wechsel zu virtueller Hardware für Gast- OS unsichtbar Anwendung Nicht- Privilegiert Gast- OS Nicht- Privilegiert Anwendung Virtuelle Nicht- Privilegiert Hardware VMM OS Privilegiert Hardware (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 6

7 Typ- 1 und Typ- 2 Type-2 VMM Gast 1 Gast 2 Type-1 VMM (Hypervisor) VMM Gast 1 Gast 2 Host OS Hardware VMM Hardware Beispiele VMware, Parallels,... Fortgeschritene Konzepte Drag and Drop Schnappschüsse Clones Mul&media Virtuelle Rechnernetze MicrosoA Virtual PC und Virtual Server Virtual Box von Sun (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 7

8 Kri&sche Instruk&onen Reale CPUs mehr oder weniger gut virtualisierbar x86 eher weniger J Gründe Nicht- privilegierte Instruk&onen geben AuskunA über privilegierte Hardware- Informa&onen (Interrupts, ) Instruk&onsresultat abhängig vom Ausführungsmodus Instruk&onen verändern versteckten Prozessorzustand Insgesamt 17 kri&sche Instruk&onen Ausführung löst keine Excep&on aus Für VMM schwer erkennbar (z.b. aufwendige Filterung) Paravirtualisierung Gast- System muß angepaßt werden Vorteile Für Virtualisierung ungüns&ge Hardware- EigenschaAen abschwächen bzw. auzeben Kri&sche Instruk&onen vermeiden Geringe Effizienzverluste Nachteile Zugang zum Sourcecode notwendig Bedeutendster Vertreter: Xen Starkes Interesse seitens VMware und MicrosoA (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 8

9 Xen Host Gast 1 Gast n Dom0 Dom1 Dom n Xen Hypervisor Hardware Open Source Projekt der Universität Cambridge Volle Virtualisierung mit HW- Unterstützung möglich Spezielles Hostsystem in Dom0 stellt in der Regel Treiber für E/A bereit Führt diverse Xen- Prozesse aus Gäste greifen über virtuelle Treiber und Host auf Geräte zu Shared Memory und Events User- Mode Linux (UML) Por&erung des Linux- Kernels auf virtuelle Architektur um arch/um bildet Funk&onalität auf System Calls ab UML besteht aus mehreren Linux- Prozessen Anwendungen Linux Anwendungen arch/um Linux arch/i386 Hardware i386 Hardware um (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 9

10 OS- Level Virtualisierung Dünne Virtualisierungsschicht oberhalb des Betriebssystems Jedes Server- OS bietet entsprechende Möglichkeiten Virtual Environments, Virtual Private Servers, Jails, vservers, Zones, Containers, Kommerzielle Lösungen Bemerkungen Leichtgewich&g Vergleichsweise komplex Meist fangen vorgeschaltete Kerneltreiber alle Aufrufe ab Service 1 OS X Service 2 OS X Service 3 OS X Virtualisierungsschicht OS X Hardware Produkte Wikipedia (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 10

11 ABI/API- Virtualisierung WINE Windows API auf UNIX/Linux und X CrossOver Kommerzielle Wine- Version SUN WABI Windows Applica&on Binary Interface für x86 Emula&on auf SPARC Applica&on Virtualisierung Viel Ähnlichkeit mit Emula&on, aber keine Nachbildung eines vorhandenen Befehlssatzes sondern eigenständige, problemspezifische Lösung Meist deutlich höhere Abstrak&onen als CPU- Instruk&onen Wich&gste Vertreter Java Virtual Machine (JVM).NET Common Language Run&me (CLR) DIE Laufzeitpla ormen der Gegenwart (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 11

12 Beispiele Wikipedia Weitere Beispiele Web- Server Virtual Directory Virtual Host Applica&on Server Enterprise JavaBeans Weitere Indirek&onsstufe WPF und WF aus.net 4.5 Instruk&onssätze XAML XAML Presenta&on XOML (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 12

13 MicrosoA Diverse Ansätze seit mindestens 1995 in Benutzung Virtual DOS Machine (VDM) DOS- Anwendungen unter Windows ausführen WOW32, WOW64 Unterstützung für 16- Bit- Anwendungen auf 32- Bit- Windows und 32- Bit- Anwendungen auf 64- Bit- Windows ABI/API- Emula&onen für OS/2 und POSIX Applica&on Virtualiza&on SQL Server, IIS, Exchange Server, Terminal Server,. Aktuelle Produktlinie Ziel: Paravirtualisierte Windows- Betriebssysteme, Hypervisor Windows Enlightenment Paravirtualisierbare Windows- Betriebssysteme Seit Longhorn (Codebase Vista für Server) Verlagerung der Treiber in Gast- OS Virtualiza&on Provider Virtualiza&on Client Direkter HW- Zugang für Gäste Direct3D bzw. DirectX für Gäste zugänglich!!! (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 13

14 Sicherheit VMWare SoAware Remote Heap Exploit in vmnat.exe Angreifer kann eine virtuelle Maschine verlassen und Host kompromi}eren Angriffe auf JVM und.net CLR durch Fehler in der Speicherverwaltung S. Govindavajhala, A.W. Appel, Princeton, 2003 Blue Pill Atack Joana Rutkowska, COSEINC Nutzt Hardwareunterstützung für Virtualisierung Malware wird kleiner Hypervisor OS kommt in eine virtuelle Umgebung und wird kontrollierbar Geht On the fly Exploit auf AMD64 SVM über Vista Schutz mit zusätzlicher HW- Unterstützung möglich Authenifizierung auf HW- Ebene beim Einrichten neuer VMs (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 14

15 TRENDS Trends Mehr Funk&onalität Migra&on virtueller Maschinen im laufenden Betrieb Konver&erung Aus realer Installa&on wird virtuelle Installa&on Aus virtueller Installa&on wird reale Installa&on Zwischen verschiedenen virtuellen Formaten Mehr Standards Offenlegung der Formate virtueller Festplaten Management komplexer virtueller Infrastrukturen Mehr Hardwareunterstützung Paravirtualisierung bei Hardwaretreibern Zugriff auf 3D- Features moderner Graphikkarten in der virtuellen Maschine Direkter Support in modernen CPUs (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 15

16 Visionen?! Virtuelle Maschinen werden immer billiger Ausreichend viele CPUs vorhanden Kompakte Images Snapshots werden als Deltas gespeichert Mehrere VMs nutzen gleiche Codebasis Hypervisor + Virtuelle Maschinen wird Normalfall Wenn der Prophet nicht zum Berg kommt, Betriebssysteme erlauben saubere Anwendungsstrukturen Aber viele Anwendungen werden unsauber realisiert Jede Anwendung bekommt eigene virtuelle Hardware Virtuelle Maschinen werden Einheiten des Deployments Virtuelle Zeiten Anwendungen werden als vorkonfigurierte virtuelle Maschinen ausgeliefert Bessere Isola&on Weniger Wechselwirkungen Erhöhte Flexibilität Erhöhte Mobilität Viele VMs laufen auf jeweils einem Rechner Zeit- und Platzeffizienz Renaissance in Forschung und Entwicklung Virtualisierungstechniken sind neuer alter Trend (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 16

17 Trend OnBoard Hypervisor Trend: Hypervisor wandelt sich 1. Genera&on Hosted Typ- 2- Hypervisor Hardware Host Betriebssystem Hypervisor Gast Betriebssystem Applika&on (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 17

18 Mehr Typ 1? Na&ve Typ- 1- Hypervisor Hardware Hypervisor Gast Betriebssystem Applika&on Trend Managed Code Hardware Hypervisor Gast Betriebssystem Managed Run&me Environment Applika&on (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 18

19 Trend: Gast- OS wandelt sich Beispiel ESX Server 3i Teilmenge der POSIX OS- API VSockets über VMCI (zukünaig) Microkernel++? Canonical JeOS Just Enough Opera&ng System Minimal- Ubuntu für Virtual Appliances Für ESX Server 3i Hypervisor BEA Liquid VM JVM für den Hypervisor Für Virtual Appliances HW HV RTE Applika&on MicrosoA Server Core Konfigurierbarer minimal Windows Server ohne GUI Oder noch schlimmer Browser ist das Betriebssystem Vergleichbar JVM oder CLR Beispiel Chrome Trend Rich Internet Applica&ons (RIAs) Aspekt verteilter Systeme Integra&on von Clouds bzw. *aas HW Minimal OS Browser RIA (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 19

20 Hardwareunterstützung Support für virtuelle Maschinen Unzulänglichkeiten der x86- Architektur bzgl. Virtualisierung besei&gen Intel VT (früher Vanderpool) AMD V (früher Pacifica) IOMMU Virtuelle Adreßabbildung und Schutz bei DMA- Zugriffen Legacy 32- Bit- Support auf 64- Bit- Systemen Direkter aber geschützter Zugriff virtueller Gäste auf Hardware Direkter aber geschützter Zugriff von Anwendungen augf Hardware Intel VT VM Entry Host- State Area VM Exit Guest- State Area Zwei Realisierungen x86- Architektur: VT- x Itanium: VT- i VM Exits sind konfiguierbar Welche Excep&on soll Exit auslösen? Welcher I/O- Zugriff? Welche maschinenspezifischen Register sind geschützt? Welche kri&schen Instruk&onen? (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 20

21 Trend: VM als Einheit des Deployment Open Virtual Machine Format (OVF) Portabel und HV- unabhängig XML- basierter Standard zum Austausch virtueller Maschinen Unterstützt Virtual Appliances / SoAware Appliances Nicht nur Betriebssysteme sondern Applika8onen Virtual Appliances VM- Ensembles als einheitliche Applika&on Beispiel CRM- Applika&on Web Server, Datenbank- Server, Frontend, Jede Komponente eine VM Einfache Installa&on Standards Image Spezifika&onen Interne Repräsenta&on der virtuellen Laufwerke offengelegt VMware MicrosoA Zusammenarbeit bei Defini&on eines Paravirtualisierungs- APIs Windows auf Xen ohne Sourcecode und HW möglich Einheitliche Management- APIs Ums&eg von Apple auf Intel- CPUs hat Szene belebt (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 21

22 Record/Replay Komplete Kontrolle der Zeit aus Sicht einer VM Vollkommen determinis&sche Ausführung Einsatzszenarien SoAware- Tests / Debugging Exakte Reproduzierbarkeit von Fehlern Race- Condi&ons Als Log an Entwickler liefern Debugger nachträglich einhängen Consumer Recovery im täglichen Einsatz? VM- basierte Wiederherstellungspunkte? (c) Peter Sturm, University of Trier, D Trier, Germany 22