x86 Open Source Virtualisierungstechniken Thomas Glanzmann

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1 x86 Open Source Virtualisierungstechniken März 2006

2 Zu meiner Person Informatik Student an der Universität Erlangen im 9. Semester 4 jährige Mitarbeit an dem Projekt FAUmachine der Universität Erlangen z.z. freiberuflich tätig für die Lufthansa Systems in Kelsterbach

3 Überblick

4 Virtualisierungstypen Betriebssystem-Virtualisierung Virtuelle Maschinen Para-Virtualisierung

5 Betriebssystem-Virtualisierung Ein Kernel für sämtliche Instanzen Hohe Wahrscheinlichkeit einer Privilegien Eskalation Benutzerprozesse werden in Container verwaltet Relativ hohe Performanz da wenig Mehraufwand

6 BS-Virtualisierung am Beispiel von Virtuozzo

7 Virtuelle Maschinen Komplette Simulation einer Hardware Hohe Wahrscheinlichkeit einer Privilegien-Eskalation Hoher Simulations-Mehraufwand

8 Virtuelle Maschine am Beispiel VMware WS

9 Para-Virtualisierung Portierung des Gast-BS auf virtualisierungsfreundliche Platform Starke Isolation Hohe Performanz (niedriger Mehraufwand) Vermeidung aufwendiger Simulation

10 Para-Virtualisierung am Beispiel von XEN

11 Virtualisierungs-Probleme CPU MMU / Adressraum Interrupt / Exception / Systemcall Simulation IO Durchsatz Memory Mapped IO (VGA Karte / IOAPIC)

12 Modifikationen am Linux Kernel Direkte Interaktion mit Hardware Geräte Zugriff in*/out*, memory mapped Unterbrechungsbehandlung sti, cli, iret MMU Kontrollregister der CPU priviligierte Instruktionen werden durch Simulatoraufrufe ersetzt

13 Adressverschiebung des Gast BS Host Kernel Host Kernel 3G Guest Kernel 2G User 1G Guest User

14 Kommunikation mit Geräten 1 Zugriff über den E/A Bus: RTC, PIC, IDE, NE2000 in*/out* Macros/Inline-Funktionen in asm/io.h Umdefinition: Werden zu Simulatoraufrufen

15 Kommunikation mit Geräten 2 Example: unsigned long init calibrate tsc(void) in time.c:... rdtsc(startlow,starthigh); count = 0; do { count++; } while ((inb(0x61) & 0x20) == 0); rdtsc(endlow,endhigh);...

16 Kommunikation mit Geräten 3... c02b4cd8: rdtsc c02b4cda: mov %eax,%ebx c02b4cdc: mov %edx,%esi c02b4cde: xor %ecx,%ecx c02b4ce0: inc %ecx c02b4ce1: in $0x61,%al c02b4ce3: test $0x20,%al c02b4ce5: je c02b4ce0 <calibrate_tsc+0x20> c02b4ce7: rdtsc...

17 Kommunikation mit Geräten 4 unsigned char _v; unsigned char _v; asm ("inb %w1, %0" --> asm ("call *0x7ffe000c; inb %w1, %0" : "=a" (_v) --> : "=a" (_v) : "Nd" (port) --> : "Nd" (port) ); );

18 Kommunikation mit Geräten f3fc: rdtsc 4026f3fe: mov %eax,%ebx 4026f400: mov %edx,%esi 4026f402: xor %ecx,%ecx 4026f404: inc %ecx 4026f405: call *0x7ffe000c 4026f40b: in $0x61,%al 4026f40d: test $0x20,%al 4026f40f: je 4026f404 <calibrate_tsc+0x44> 4026f411: rdtsc...

19 Kommunikation mit Geräten 6 unsigned char in(unsigned short port) { if (0x0020 <= port && port <= 0x0021) { value = umpic_in(0, port - 0x0020); } else if (0x0060 == port port == 0x0064) { value = umkbd_in(port); } else if (0x0061 <= port && port <= 0x0063) { value = umppi_inb(port - 0x0061); } else if { } return value; }

20 Kommunikation mit Geräten 7 Memory mapped E/A: mov Instruktion kann nicht verändert werden VGA controller: linearer Framebuffer ausgewertet über Scanprozess APIC: Register in den Speicher gemappt, macros SET APIC() und GET APIC() durch Simulatoraufrufe ersetzt

21 Interrupts und Exceptions 1 Umgebung des Programmes sichern Umgebung für Behandlungsroutine herstellen Behandlungsroutine aufrufen Umgebung des Programmes wiederherstellen Programm weiterlaufen lassen Hardware unterstützt Ausnahmebehandlung

22 Interrupt and Exception Handling 2 UMLinux user space original kernel signal simulator 1 sighandler() { 2 } handler(){... iret } 3 int3 sighandler() { } 4

23 Memory Management 1 MMU wird mit Hilfe von mmap(2) und munmap(2) simuliert Simulierte Kontrollregister (cr3 page directory base) Speicher wird bei Zugriff bereitgestellt

24 Memory Management 2 CR3

25 priv. Instruktions-Behandlung im Userland in*/out* in Xserver oder Modulen können nicht ersetzt werden Löst SIGSEGV aus Simulator simuliert die Funktion langsam, aber funktionierend

26 MMU Simulation JIT mit SoftMMU Implementation (QEMU) Vanderpool / Pacifica (Shadow Register)

27 Virtualisierungsprodukte Bochs VMWare FAUmachine QEMU XEN...

28 Bochs Interpreter für X86 Architektur (VGA)Bios Hoher Mehraufwand

29 QEMU properitäres Kernel Modul JIT mit SoftMMU virtuelle Maschine API Anpassung HW Simulator Bochs BIOS

30 FAUmachine Kernel Modul QEMU CPU ACPI BIOS Automatischer Experiment Controller HW Simulator Fehlerinjektion

31 Zukunft Vanderpool (Intel) Pacifica (AMD) Smart NICs

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