Rechnerarchitektur und Betriebssysteme (CS201): Microkernel, Virtualisierung

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1 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme (CS201): Microkernel, Virtualisierung 3. Dezember 2013 Prof. Dr. Christian Tschudin Departement Informatik, Universität Basel Wiederholung / Diskussion 1. Erkläre den Unterschied zwischen Swapping und Paging. 2. Was ist die Aufgabe einer Memory Management Unit? 3. Erkläre den Unterschied zwischen Page und Frame. 4. Warum mehrstufige Pagetables? 5. Wie wird bei einem fork() der Speicher eines neuen Prozesses vom Betriebsystem alloziert? c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 2/24

2 Microkernel Monolithisch Betriebssysteme: ein grosses Programm, das alle Kernelfunktionen umfasst Micro-Kernel: kleine Softwareschicht über der Hardware, diese erlaubt den OS-Teilen zusammenzuarbeiten Vorteil (und Herausforderung): Kernel wird kleiner, modular, portabler Nachteil: Geschwindigkeitsverlust wegen der Modul-Grenzen c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 3/24 Microkernel (Forts) OSF/1 OS/2 4.3 BSD HPUX database system tasks and threads IPC virtual memory scheduling Mach Mehrere grosse OS-Kerne parallel ausführen! (OS-Personality) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 4/24

3 The MACH Microkernel ( ) Ziele: Unterstützung für SMP (parallels UNIX) Modularisierung von UNIX UNIX-Varianten gleichzeitig fahren können Kommunikation zwischen Komponenten via ports und Meldungdsaustausch: Betriebssystem-Aufruf = sende Meldung an Kernel Exception = sende Meldung an task Tasks können auf unterschiedlichen CPUs laufen, ev sogar durch ein Netzwerk gekoppelt. c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 5/24 MACH (Fortsetzung) UNIX-Hauptkern läuft als Modul (Prozess) ausserhalb des Mikrokernels! Daneben: Datei-System Server-Modul Zugriff auf UNIX Filesystem Memory Manager (!) zuständig für Paging und Swapping UNIX server zuständig für Prozesse, Rechte, Libraries etc Benutzer-Prozesse c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 6/24

4 MACH: System-Aufruf für Unix Trampolin -Technik: Library kann selbst entscheiden, wie sie den SVC abarbeiten will. c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 7/24 Verteiltes OS vs. Netzwerk-OS Annahme: Netzwerk (d.h. hier nicht SMP) Verteiltes OS: (Mach, Chorus) die OS-Funktionalität selbst ist verteilt Illusion eines einzigen Computers (single login) Netzwerk-OS: jeder Rechner hat eigene Kopie des OS Login auf jeder Maschine nötig gemeinsames Dateisystem, Passwort-File etc anderer Name: Cluster c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 8/24

5 Virtualisierung Virtualisierung = Rahmen, in dem Rechenressourcen kombiniert oder geteilt werden, um ein einheitliches Bild von einer oder mehrerer Umgebungen zu geben. Bsp: Time sharing Virtual memory (Partielle) Simulation, oder Emulation, einer CPU Allgemein: M reale Ressourcen auf N virtuelle Ressourcen abbilden. c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 9/24 Anwendungen von Virtualisierung Verwaltung von Serverpools, Applikationspools, Cloud! Sandboxing (Isolation, kontrollierte Ausführungsumgebung) Entwicklung (virtuelle HW) Ersatz fehlender HW Debugging Softwaremigration (Mobilität) SW-Test, SW-Evaluation, SW-Qualitätskontrolle c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 10/24

6 Virtualisierungsansätze, -Ebenen (Vorschau) 1. ISA Ebene jeder CPU-Befehl wird interpretiert, oder übersetzt 2. Hardware Abstraction Layer (HAL) Ebene nur Teile der HW werden emuliert 3. OS Ebene virtuelle Supervisory Calls, parallele OS-Kerne 4. Library je nach Applikation wird ein anderes Subsystem angeboten 5. Applikation (Programmiersprache): Java c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 11/24 1) Virtualisierung auf ISA-Ebene Beispiele: Bochs (Intel x86 Emulator) ganze x86 CPU, aber auch VGA, Disk, Keyboard,... portabel: läuft unter x86, PowerPC, Alpha, MIPS etc Crusoe-Chip (Transmeta) code morphing zur Laufzeit QEMU volle CPU Implementierungen (x86, ARM, PowerPC, Sparc) unterstützt selbst-modifizierenden Code simuliert auch Memory Management Unit c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 12/24

7 Virtualisierung Grundkonzepte VMM (Virtual Machine Monitor) ist zentrale Kontrollinstanz, wird auch Hypervisor genannt. Host/Guest: Ev ist auch ein Host-OS vorhanden (Frage lautet: wessen Treiber werden verwendet?) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 13/24 Beispiel VMware Beispiel für I/O-Virtualisierung: VMM hat keinen Zugriff auf I/O-HW! c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 14/24

8 I/O-Virtualisierung von VMware I/O wird in der Host-Welt durchgeführt Alle low-level-instruktionen, die von der Gastmaschine ausgeführt werden wollen, werden zu I/O-Systemaufrufen verwandelt (spezielle Treiber) Spezielle VM-Applikation führt den I/O aus Eigenschaften: Gast-OS wird nicht verändert Kontrolle über existierende I/O-Hardware, Vortäuschen nicht vorhandener I/O-Hardware c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 15/24 Paravirtualisierung Ansatz: I/O-Virtualisierung langsam, zweifache Treiber. Deshalb Gast-OS verändern (!), nur teilweise Virtualisierung. Applikationen benutzen i.a. weiterhin einen Supervisory Call, der vom Gast-OS verarbeitet wird Zusätzlich: Hypercall dies erlaubt, direkt das Host-OS anzusprechen Bedingt (a) Umschreiben der Applikationen, oder (b) Spezialinstruktionen im ISA Intel-VT (Vanderpool), AMD-V (Pacifica) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 16/24

9 XEN etc Linux wird zum VMM gemacht XEN ein erfolgreiches Paravirtualisierungs-Projekt, von Citrix aufgekauft, weiterhin GPL-Version KVM kernel based virtual machine native virtualization (benötigt HW-support) keine ISA-Emulation - ev externe Progrmme Lguest Linux unter Linux und (sehr) viele mehr... c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 17/24 3) Virtualisierung auf OS-Ebene Klassiker: chroot() UNIX-Systemaufruf chroot(char *path) Ersetzt im aufrufenden Programm das Root-Verzeichnis, d.h. Prozess sieht ab sofort nur noch einen Teilbaum (plus das aktuelle Verzeichnis) Kann für ein chroot-jail verwendet werden c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 18/24

10 Virtualisierung auf OS-Ebene: chroot c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 19/24 4) Virtualisierung auf Library-Ebene Aufrufe an Libraries werden abgefangen (z.b. Ersatz-DLL), anderst implementiert. Beispiele: WINE wickelt Windows-Aufrufe in einem Linuxprogramm ab muss alle (Windows NT) core DLL implementieren, plus WINE server andere DLLs können 1:1 eingesetzt werden WABI Windows Application Binary Interface ähnliche wie WINE, von Sun c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 20/24

11 5) Virtualisierung auf Applikations-Ebene Alte Tradition: fiktive Maschine, spezielle ISA p-code (frühe 70er-Jahre), eingesetzt beim Pascal-Compiler Z-machine (Zork-machine) für portable Adventure-Computerspiele, 1979 Java Parrot (Perl 6).NET CLI c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 21/24 JIT = Just-in-time (compilation) Weitere versteckte virt. Maschinen und Code Repräsentationen Spektrum von statisch compiliert zu interpretiert (Bytecode) Zwischenlösung: (häufig gebrauchte) Bytecodes zu nativem Code übersetzen, zur Laufzeit. JIT wird von der run-time gemacht, ist maschinenspezifisch. JIT kann sogar schneller sein als statisch kompilierte Programme (wegen Ausnutzen aktueller Features, gegenüber defensivem Kompilieren) JIT hat Probleme mit selbst-modifizierendem Code, benötigt ihn. c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 22/24

12 LLVM = low level virtual machine Irreführende Bezeichnung, da keine VM. Besser: LLVM ist eine IR (intermediate representation) Sprache. LLVM ist Teil von MacOSX Compiler-Kette (nur Frontend): N Sprachen, zu einer IR, zu M Targets LLVM-Darstellung ist maschinenunabhängig, erlaubt diverse native Backends,... und auch JIT. Siehe auch CIL (Common Intermediate Language) von MS für.net, heute auch direkter Virtual Machine support für CIL (und LLVM?) c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 23/24 Rootkits Angenommen, ein Virus kann eine Maschine befallen und könnte sich als unsichtbaren Hypervisor installieren. Drama! Das (Haupt)-OS wird zu einer virtuellen (Gast-) Maschine, ohne es zu merken und je merken zu können. Ca 2006: erste Demos unter dem Namen: SubVirt und Blue Pill (in Anlehnung an den Matrix-Film) Blue Pill -Frage: kann das gehostete Betriebssystem (Opfer) feststellen, ob es in einer virtuellen Umgebung läuft? Viel Polemik, abgesagte Demo. Vollständiges Verstecken scheint sehr schwierig wegen Clockzähler bzw Bedarf an Zusatzzeit. c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 24/24