Advanced Operating Systems

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1 - Advanced Operating Systems Hans-Albrecht Schindler Wintersemester 2014/15 2. Betriebssystem-Architekturkonzepte 2.4 Virtualisierungs-Architekturen CSI Technische Universität Ilmenau

2 Die Philosophie Architekturprinzip besteht prinzipiell darin, auf der gleichen Hardware mehrere unterschiedliche Betriebssysteme ausführbar zu machen: Anwendungen für BS 1 Anwendungen für BS n (Gast-) Betriebssystem 1 (Gast-) Betriebssystem 2 (Gast-) Betriebssystem 3 (Gast-) Betriebssystem n (System-Software-Schicht) Hardware Ø Damit können Anwendungen die sonst nicht gemeinsam auf der gleichen Maschine lauffähig wären, auf einer Maschine laufen (hat u.a. ökonomische Vorteile) ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie: 2.4-2

3 Realisierungsprinzipien Es existieren 3 unterschiedliche Prinzipien: 1. Type-1-Hypervisor (früher: VMM Virtual Machine Monitor ) 2. Type-2-Hypervisor 3. Paravirtualisierung ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie: 2.4-3

4 Typ-1-Hypervisor (auch: Virtual Machine Monitor) Anwendungen für BS 1 Anwendungen für BS n (Gast-) Betriebssystem 1 (Gast-) Betriebssystem 2 (Gast-) Betriebssystem 3 (Gast-) Betriebssystem n Typ-1-Hypervisor Hardware System-Software-Schicht Gast-Betriebssystem(e) ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie: 2.4-4

5 Normalerweise bewirkt ein Betriebssystem über der Hardware: 1. Multiplexing der Hardware (ermöglicht Multiprozess-Betrieb) 2. eine erweiterte ( verbesserte ) Maschine mit einer angenehmeren Schnittstelle als die reine Hardware (mit z.b. Dateien usw.) Ein Typ-1-Hypervisor trennt beide Funktionen: Er läuft wie ein Betriebssystem unmittelbar über der Hardware Er bewirkt Multiplexing der Hardware, liefert aber keine erweiterte Maschine nach oben Ø Damit bietet er mehrmals die unmittelbare Hardware-Schnittstelle nach oben an, von denen also jede eine virtuelle Maschine jeweils mit den unveränderten Hardware-Eigenschaften darstellt (Kern- und Nutzer-Modus, Ein-/Ausgaben usw.). ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie: 2.4-5

6 Entwicklung des Type-1-Hypervisors Entstanden auf IBM-Großrechnern (ursprünglich IBM /360), deren Original-Betriebssystem OS /360 ein reines Stapelverarbeitungs- Betriebssystem war (1960iger Jahre) Viele Nutzer strebten interaktive Arbeitsweise an eigenem Terminal an. So entwickelten verschiedene Arbeitsgruppen innerhalb und außerhalb der IBM Time-Sharing-Systeme Ø IBM-Originalsystem: TSS /360 Ø gewaltige Entwicklungskosten Ø sehr schlechte Performanz. Das Rennen machte schließlich eine Entwicklung des IBM Scientific Center in Cambridge, Mass.: CP/CMS, später VM /370 à z/vm ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie: 2.4-6

7 Herzstück der Entwicklung war der Virtual Machine Monitor lief auf der blanken Hardware lieferte Anzahl virtueller Maschinen an nächste Schicht. Ø Weil jede virtuelle Maschine exakte Kopie der Hardware, in jeder verschiedenes BS lauffähig Teilweise Original-Betriebssystem OS /360 benutzt, beliebt bei Programmierern jedoch CMS ( Conversational Monitor System ), ein interaktives Single-User-Betriebssystem. ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie: 2.4-7

8 Voraussetzungen für Virtualisierung Virtualisierung - Voraussetzungen (oder warum spielte Virtualisierung im PC-Bereich lange keine Rolle?) systematische Untersuchung und Darstellung erstmals von Popek und Goldberg 1974: Zur Realisierung virtueller Maschinen muss Prozessor virtualisierbar sein. Entscheidend: ein Gast-Betriebssystem, welches auf virtueller Maschine im Nutzer-Modus läuft, muss erreichen, dass seine privilegierten Instruktionen irgendwie ausgeführt werden. Prozessor muss bei jeder im Nutzermodus versuchten Ausführung einer privilegierten Instruktion Trap zum Virtuellen Maschinen Monitor ausführen, damit Instruktion gegebenenfalls dort emuliert werden kann. Die IBM-Hardware besaß diese Eigenschaft und war virtualisierbar Intel-Prozessoren besaßen diese Eigenschaft lange nicht waren also nicht virtualisierbar! ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie: 2.4-8

9 Virtualisierung - Voraussetzungen Genauer Popek & Goldberg: Bei jedem Prozessor mit Kernel- und Nutzer-Modus existiert Menge an Maschinen-Befehlen, die nur im Kernel-Modus ausgeführt werden dürfen (z.b. Befehle zur Realisierung von E/A, solche zur Änderung der MMU u.a.) à nach [Popek&Goldberg] = sensitive Instruktionen Es existiert auch Menge an Maschinenbefehlen, die Trap auslösen, wenn sie im Nutzer-Modus ausgeführt werden. à nach [Popek&Goldberg] = privilegierte Instruktionen Ø Ein Prozessor ist nur virtualisierbar, wenn die Menge der sensitiven Instruktionen eine Untermenge der privilegierten Instruktionen ist (einfacher: Damit Prozessor virtualisierbar ist, muss bei jedem Befehl der im Nutzer-Modus nicht erlaubt, Trap generiert werden.) ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie: 2.4-9

10 Wirkung von privilegierten Instruktionen bei Prozessoren mit Virtualisierungstechnik Ø Ø Auf Prozessoren mit Unterstützung für Virtualisierungstechnik erfolgt bei Ausführung einer privilegierten Instruktion in virtueller Maschine immer Trap in im Kernel-Modus laufende Systemsoftware, hier (Typ1-)Hypervisor (siehe umseitig) Hypervisor kann (durch Inspektion) feststellen, ob privilegierte Anweisung in virtueller Maschine durch Gastbetriebssystem oder durch Nutzerprogramm auf virtueller Maschine (Systemaufruf!) ausgelöst Instruktionen des Gast-Betriebssystems werden ausgeführt. Bei Systemaufrufen von Nutzerprogrammen auf virtueller Maschine (Trap- Befehl!) wird emuliert, was reale Hardware getan hätte; normalerweise Einsprung in Betriebssystem, hier also Einsprung in Gast- Betriebssystem. (Bei Prozessoren ohne Virtualisierungstechnik solche Instruktionen typischerweise ignoriert!) ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

11 Realisierungsprinzipien Wirkung von privilegierten Instruktionen bei Typ-1-Hypervisor virtuelle Maschine Anwendungen des Gast-BS ein Gast-Betriebssystem Typ-1-Hypervisor virtueller Nutzer- Modus virtueller Kern- Modus Trap bei jeder privilegierten Instruktion Nutzer- Modus Kern- Modus Hardware Darstellung nach [Tanenbaum2008] Bild 8-26 S. 572 ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

12 Virtualisierung - Voraussetzungen Genauer IBM/370-Prozessor: Virtualisierungstechnik wurde unterstützt. Intel-Architektur (ab 386): Es existierte keine Unterstützung für Virtualisierungstechnik Bei versuchter Ausführung einiger sensitiver Instruktionen im Nutzer-Modus wurden diese einfach ignoriert Außerdem schlimm : z.b. auf Pentium-Prozessor kann ein Programm feststellen, ob es im Kerneloder Nutzer-Modus läuft Ein Betriebssystem, das entdeckt, das es tatsächlich im Nutzer-Modus läuft, trifft möglicherweise absolut fehlerhafte Entscheidungen Diese Mängel der Intel-Architektur 20 Jahre lang (!!) im Sinne von Rückwärtskompatibilität auch auf Nachfolgeprozessoren übertragen (!!) ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

13 Virtualisierungsbedarf Verschiedene Gründe führten im Laufe der Zeit zu hohem Bedarf an Virtualisierungslösungen: 1. Mehrere unterschiedliche Server, die in Unternehmen bisher auf mehreren unterschiedlichen Rechnern mit unterschiedlichen Betriebssystemen liefen, können jetzt ökonomischer auf einem Rechner laufen 2. Checkpointing und Migration von virtuellen Maschinen ist wesentlich einfacher als bei normalen Prozessen 3. Die Benutzung von Legacy -Software ist ökonomisch möglich 4. Software-Entwicklung für unterschiedliche Systeme ist ökonomischer und angenehmer möglich ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

14 Forschungsarbeiten 1990iger Jahre: verschiedene akademische Projekte zur Virtualisierung bisher nicht virtualisierbarer Prozessoren: Ø erstes und vermutlich bekanntestes: DISCO-Projekt der University of Stanford Ø Resultat: letztlich VMware (heute kommerziell) und Typ-2-Hypervisoren ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

15 Realisierungsprinzipien Typ-2-Hypervisor Anwendungen für BS 1 Anwendungen für BS n (Gast-) Betriebssystem 1 (Gast-) Betriebssystem 2 (Gast-) Betriebssystem n Anwendungen des Host-Betriebssystems Typ-2-Hypervisor Host-Betriebssystem Hardware System-Software-Schicht Gast-Betriebssystem(e) ^ ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

16 Typ-2-Hypervisor Wie funktioniert ein Typ-2-Hypervisor? am Beispiel VMware VMware läuft als gewöhnlicher Nutzer-Prozess auf Gast-Betriebssystem (z.b. Windows oder Linux): Ø Beim ersten Start reagiert es wie neuer Rechner und erwartet z.b. eine Betriebssystem-DVD im entsprechenden Laufwerk Ø Vmware installiert dann dieses Betriebssystem auf virtueller Platte (in der Realität einfach eine Datei des Host-Betriebssystems) und kann in der Folge wie ganz normales Betriebssystem gestartet werden ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

17 Typ-2-Hypervisor interne Arbeitsweise? Ø Bei Ausführung z.b. von Pentium-Binärprogramm (egal ob von Installations- CD oder virtueller Disk) wird zunächst nach Basis-Blöcken gesucht (Das sind Befehlsfolgen, die mit jump-, call- oder Trap-Befehl bzw. anderen Befehlen abgeschlossen sind, die den Kontrollfluss ändern [sichtbar an Änderung des Programm-Zählers].) Ø Basisblöcke werden nach sensitiven Instruktionen abgesucht Ø Diese jeweils durch Aufruf einer Vmware-Prozedur ersetzt, die jeweilige Instruktion behandelt Ø gleiche Verfahrensweise mit letzter Instruktion eines Basis-Blocks Ø... ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

18 Typ-2-Hypervisor Ø... Ø so modifizierter Basis-Block wird innerhalb der Vmware in Cache eingespeichert und ausgeführt Ø Basis-Block ohne sensitive Instruktionen läuft unter Vmware absolut genauso schnell wie unmittelbar auf Hardware weil er auch tatsächlich unmittelbar auf der Hardware läuft. Ø Sensitive Instruktionen werden nach dargestellter Methode abgefangen und emuliert. è Technik als Binary Translation (Binär-Übersetzung) bekannt ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

19 Typ-2-Hypervisor Ø Nachdem Basis-Block vollständig ausgeführt, erhält Vmware die Kontrolle zurück und lokalisiert nachfolgenden Basis-Block Ø Falls dieser schon transformiert, kann er sofort ausgeführt werden. (Falls nicht, wird wie eben verfahren.) Ø Irgendwann: Großteil des Programms im Cache, Ø läuft dann nahezu mit Original-Geschwindigkeit der Hardware ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

20 Optimierungstechniken für Typ-2-Hypervisor zusätzlich verschiedene Optimierungstechniken angewendet Beispiel: Wenn Basisblock durch Sprung zu oder Aufruf eines anderen Basisblocks endet, kann diese letzte Anweisung durch Sprung zu bzw. Aufruf des übersetzten Basis-Blocks ersetzt werden. Ø Hierdurch jeglicher Overhead bezüglich Auffindens des nächsten Basis-Blocks eliminiert. ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

21 Typ-2-Hypervisor: Performanz Ø Messungen zeigen gemischtes Bild : Typ2-Hypervisoren keinesfalls so schlecht, wie naiverweise vielleicht zu erwarten Durch die trap-und-emuliere -Technik virtualisierbarer Hardware (Typ1- Hypervisor) wird eine Vielzahl von Traps erzeugt, die bei moderner Hardware sehr teuer sind, weil sie CPU-Caches, TLBs und Branch- Prediction-Tabellen des Prozessors korrumpieren. Im Gegensatz dazu wenn sensitive Instruktionen durch Aufruf von Vmware-Prozeduren innerhalb des ausführenden Programms ersetzt, keine dieser Kontext-Umschaltungs-Overheads. Messungen (von Adams und Agesen) zeigen, dass manchmal die Software- die Hardwarelösung übertrifft (in Abhängigkeit von der Art der Last). Deshalb benutzen heute sogar einige Typ1-Hypervisoren aus Performanzgründen binary Translation, auch wenn alles auch ohne diese korrekt funktionieren würde. ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

22 Paravirtualisierung arbeitet nach anderem Prinzip: Ø Hierbei: Quellcode des Gast-Betriebssystems modifiziert Ø Anstelle von sensitiven Instruktionen Hypervisor-Calls eingebaut Ø Effekt: Gast-Betriebssystem arbeitet dann nach Prinzip Nutzerprogramm, welches Systemaufrufe ( system calls ) zum Betriebssystem (hier also dem Hypervisor) ausführt In diesem Fall muss Hypervisor Interface definieren, welches aus Menge von Prozedur-Aufrufen besteht, welche Gast-Betriebssystem benutzen kann. Menge dieser Aufrufe bildet vom Effekt her Art API, jedoch nicht zur Benutzung durch Nutzerprogramme sondern als Schnittstelle für Gast- Betriebssystem. ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

23 Paravirtualisierung: Verwandtschaft mit Mikrokernen Geht man noch einen Schritt weiter und entfernt alle sensitiven Instruktionen aus dem Gast-Betriebssystem und ersetzt sie durch Hypervisor-Aufrufe, um Systemdienste wie E/A zu benutzen, hat man praktisch den Hypervisor in Mikrokern transformiert. ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

24 Nichtfunktionale Eigenschaften: Sicherheit Was macht Virtualisierungsarchitekturen sicher(er)? Vergleiche die bisher gemachten Ausführungen: - viele getrennte Adressräume - Überwachung der Kommunikation - Sandboxing -Abschirmung möglich 2 Architekturkonzepte / 2.4 Virtualisierungs-Architekturen / Sicherheit ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

25 Nichtfunktionale Eigenschaften: Robustheit Was macht Virtualisierungsarchitekturen robust(er)? Vergleiche die bisher gemachten Ausführungen: - viele getrennte Adressräume à Fehlerfortpflanzung - Überwachung der Kommunikation 2 Architekturkonzepte / 2.4 Virtualisierungs-Architekturen / Robustheit ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

26 Nichtfunktionale Eigenschaften: Adaptivität Was macht Virtualisierungsarchitekturen adaptiv(er)? Viele unterschiedliche Betriebssysteme mit unterschiedlichen Eigenschaften und mit jeweils eigenen Anwendungen können ausgeführt werden. 2 Architekturkonzepte / 2.4 Virtualisierungs-Architekturen / Adaptivität ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

27 2.4.5 Fallbeispiele VM /370 VMware Xen VMI Paravirt ops Virtual Box Virtuelle Maschine für Linux auf Linux 2 Architekturkonzepte / 2.4 Virtualisierungs-Architekturen / Fallbeispiele ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

28 VirtualBox VirtualBox is a powerful x86 and AMD64/Intel64 virtualization product for enterprise as well as home use. Not only is VirtualBox an extremely feature rich, high performance product for enterprise costumers, it is also the only professional solution that is freely available as Open Source Software under the terms of the GNU General Public License (GPL) version 2. Presently, VirtualBox runs on Windows, Linux, Macintosh, and Solaris hosts and supports a large number of guest operating systems including but not limited to Windows (NT 4.0, 2000, XP, Server 2003, Vista, Windows 7), DOS/ Windows 3.x, Linux (2.4 and 2.6), Solaris and OpenSolaris, OS/2, and OpenBSD. VirtualBox is being actively developed with frequent releases and has an ever growing list of features, supported guest operating systems and platforms it runs on. VirtualBox is a community effort backed by a dedicated company: everyone is encouraged to contribute while Oracle ensures the product always meets professional quality criteria. 2 Architekturkonzepte / 2.4 Virtualisierungs-Architekturen / Fallbeispiele ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

29 Hot picks: Pre-built virtual machines for developers over at Oracle Tech Network phpvirtualbox AJAX web interface project site IQEmu automated Windows VM creation, application integration 2 Architekturkonzepte / 2.4 Virtualisierungs-Architekturen / Fallbeispiele ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

30 2.4.6 Zusammenfassung Gesamtbetrachtung Virtualisierungsarchitekturen Unterstützte nichtfunktionale Eigenschaften (Laufzeiteigenschaften) Zuverlässigkeit ein nichtfunktionierendes Gastbetriebssystem kann dem Host- System nichts anhaben leichtere Testbarkeit für Gastbetriebssysteme leichtere Wartbarkeit/Modifizierbarkeit der Gastsysteme Robustheit durch stark eingeschränkte Fehlerausbreitung, bis hin zu Sandboxing Security (IT-Sicherheit) (vergleiche Bemerkungen zur Robustheit) 2 Architekturkonzepte / 2.4 Virtualisierungs-Architekturen / Zusammenfassung ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

31 (Laufzeiteigenschaften) Sparsamkeit Hardware-Ressourcen werden für mehrere bis viele unterschiedliche Aufgaben genutzt, für die sonst jeweils eigene Hardware vorhanden sein müsste Effizienz durch Mehrfachnutzung der Hardware wird diese auch effizienter genutzt Migrierbarkeit vollständige Gastsysteme leichter migrierbar als einzelne Prozesse 2 Architekturkonzepte / 2.4 Virtualisierungs-Architekturen / Zusammenfassung ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

32 Unterstützte nichtfunktionale Eigenschaften (Evolutionseigenschaften) Wartbarkeit Veränderungen (Beheben von Fehlern, Anpassungen) der Gastsysteme leicht möglich Portierbarkeit Gastsysteme können leicht umgesetzt werden Offenheit und Erweiterbarkeit neue Gastsysteme einfach hinzufügbar 2 Architekturkonzepte / 2.4 Virtualisierungs-Architekturen / Zusammenfassung ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

33 Weitere Vorteile von Virtualisierungsarchitekturen höhere Modularität Nutzbarkeit von Legacy-Software 2 Architekturkonzepte / 2.4 Virtualisierungs-Architekturen / Zusammenfassung ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

34 Nachteile von Virtualisierungsarchitekturen in der Literatur keine genannt 2 Architekturkonzepte / 2.4 Virtualisierungs-Architekturen / Zusammenfassung ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

35 Lesenswerte Literatur zur Thematik /Tanenbaum2008/ Tanenbaum, Andrew S.: Modern Operating Systems, 3te Auflage Pearson Prentice Hall 2008 ISBN 13 : S und S /Adams2006/ Adams, Keith / Agesen, Ole: A Comparison of Software and Hardware Techniques for x86 Virtualization Artikel (aus dem www) 2006 oder später 2 Architekturkonzepte / 2.4 Virtualisierungs-Architekturen / Literatur ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

36 IEEE-Zeitschrift Computer (Mai 2005) mit einer Reihe von Beiträgen zur Thematik: S : Figueiredo, R. u.a.: Resource Virtualization Renaissance S.32 38: Smith, James A. / Nair, Ravi: The Architecture of Virtual Machines S Rosenblum, Mendel / Garfinkel, Tal: Virtual Machine Monitors: Current Technology and Future Trends S Uhlig, Rich u.a.: Intel Virtualization Technology 2 Architekturkonzepte / 2.4 Virtualisierungs-Architekturen / Literatur ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie:

37 Computer Mai Fortsetzung: S : Whitaker, Andrew / Cox, Richard S. / Shaw, Marianne / Gribble, Steven D.: Rethinking the Design of Virtual Machine Monitors S.63 69: Ruth, Paul / Jiang, Xuxian / Xu, Dongyan / Goasguen, Sebastian: Virtual Distributed Environments in a Shared Infrastructure 2 Architekturkonzepte / 2.4 Virtualisierungs-Architekturen / Literatur ENDE 2.4 ws 2014/15 H.-A. Schindler Folie: