Virtuelle Maschinen Konzept von VMWare

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1 Virtuelle Maschinen Konzept von

2 1 Einleitung 2 Software Virtualisierung 3 Software vs. Hardware 4 Fazit und Ausblick

3 Motivation von Steigende Beliebtheit der x86-architektur Virtualizierung gewünscht (Konsolidierung, Hochverfügbarkeit,... ) ABER: Nach Popek/Goldberg nicht virtualisierbar

4 Virtualisierbarkeit von x86 Forderung: Priviligierte Instruktionen müssen im Usermode trappen Ist-Zustand: Semantischer Unterschied einiger Befehle zwischen Kernel- und Usermode Kein trap-and-emulate möglich Nicht virtualisierbar

5 Alternative zu trap-and-emulate? Grundlegende Voraussetzungen: Äquivalenz Geschwindigkeit Sicherheit Popek/Goldberg schlossen andere Möglichkeit als trap-and-emulate nicht aus trap-and-emulate = klassisch virtualisierbar Behauptung: Softwarevirtualisierung kann Voraussetzungen erfüllen!

6 1 Einleitung 2 Software Virtualisierung 3 Software vs. Hardware 4 Fazit und Ausblick

7 Interpretation Jede Instruktion abfangen und dekodieren (fetch-and-decode) Sehr aufwändig und rechenintensiv Verletzt Geschwindigkeitsanforderung!

8 Intelligente Interpretation Beobachtung: Priviligierte Instruktionen treten selbst im Kernelmode relativ selten auf Ersetzung priviligierter Befehle durch Funktionsaufrufe des VMM (callouts) Ersetzung von callout-and-emulate durch interne Codesequenzen (in-tc) Simple Binary Translation

9 Simple Binary Translation Merkmale Binäre Eingabe Dynamik Bedarfsbetrieb Systemlevel Abbildung auf Teilmenge Anpassung

10 Vorgehensweise Zerlegung der Eingabe in intermediate representation (IR) Objekten Zusammenfassung von IR-Objekten zu translation units (TU) (jeweils 12 IR-Objekte oder bis zur nächsten Terminierungsinstruktion) Übersetzung der TU in ein compiled code fragment (CCF) Speicherung von TU CCF in Hashtabelle

11 Übersetzung Ausgabe enthält nur sichere Teilmenge von x86-instruktionen 2 mögliche Szenarien bei Übersetzung Keine priviligierten Befehle in Eingabe IDENT Ersetzung von priviligierten Befehlen in Eingabe non-ident

12 Verknüpfung von CCFs Strukturelle Integrität nicht mehr gegeben Verknüpfungen zwischen CCFs mittels Sprunganweisungen Optimierung durch Verkettung von CCFs Berechnung eines Pfades durch den Code Selten aufgerufene Programmteile werden nur selten übersetzt

13 Speicherzugriff Verwendung von Segmentierung Bereich für Gastsystem low Bereich für VMM high Speicherung der high-adressen (Segementierungsbereiche) in %gs Kürzung der Speicheradressen des Gastsystems

14 Speicherzugriff (cont d) Zugriff innerhalb Gastsystems Korrekte high-adresse aus %gs voranhängen (IDENT ) Zugriff auf geschützen Bereich Entfernen der high-adresse und trap (non-ident ) Beobachtung: Hauptzahl der Zugriffe innerhalb des Gastsystems

15 Adaptive Binary Translation Simpe Binary Translation eliminiert Traps von priviligierten Instruktionen ABER: Viele Traps werden durch nicht-priviligierte Funktionen ausgelöst, die auf sensitive Speicherbereiche zugreifen Vermeidung mittels Adaptive Binary Translation

16 Adaptive Binary Translation (cont d) Grundannahme: Unschuldig bis zum Beweis des Gegenteils Alle Instruktionen werden ohne Verändung ausgeführt (IDENT) Instruktion verursacht immer wieder Traps non-ident Wenn Instruktion schon non-ident callout-and-emulate Zurücksetzen auf IDENT wenn sich Verhalten wieder ändert Beachte: Zu optimistische Strategie führt zu vielen Neuberechnungen

17 1 Einleitung 2 Software Virtualisierung 3 Software vs. Hardware 4 Fazit und Ausblick

18 Pro Software Eliminierung von Traps Schnellere Ausführung der Emulation Vermeidung von Callouts

19 Pro Hardware Keine Aufblähung des auszuführenden Codes Präzise Ausnahmen Systemaufrufe werden direkt ausgeführt

20 Vergleich

21 1 Einleitung 2 Software Virtualisierung 3 Software vs. Hardware 4 Fazit und Ausblick

22 Fazit Beide Techniken haben Vor- und Nachteile Softwarevirtualisierung ist flexibler, aber aufwändiger zu entwickeln Hardwarevirtualisierung ist schneller bei Vermeidung von exits

23 Ausblick Mehrere Optimierungsmöglichkeiten: Verbesserung der Mikroarchitektur Algorithmische Veränderungen bei der Hardwarevirtualisierung Hybride VMM Hardware MMU Unterstützung

24 Hardware MMU

25 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Fragen?

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