Virtualisierung von Betriebssystemen

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1 Virtualisierung von Betriebssystemen von Marcel Pschorn, Michael Moltchadski und Roshanak Roshan 1

2 Inhalt 1. Geschichte und Definition 2. Was ist Virtualisierung und wozu dient sie? 3. Virtualisierung der Hardware 4. Welche Virtualisierungssoftware gibt es? 5. Realisierung einer virtuellen Maschine 6. Vorführung eines virtuellen Betriebssystems 7. Benchmarktest / Vergleich virtueller Maschinen 8. Vor- und Nachteile 9. Quellen 2

3 1. Geschichte und Definition 3

4 Geschichte 1959: Christopher Strachey Konzept über die optimale Ausnutzung von Rechenzeit 1962: Entstehung des ATLAS-Computers 4

5 Geschichte 1964: IBM und MIT entwickeln die erste virtuelle Maschine 1999: VMware Inc. gelingt die Virtualisierung von Intelarchitekturen 5

6 Definition Virtualisierung ist eine Technologie zur Aufteilung von Hardware- und Softwareressourcen eines Rechners 6

7 Virtualisierung Virtualisierung in zwei Richtungen möglich viele physische Rechner zu einem großen, leistungsstarken virtuellen System zusammengefasst vorhandene Hardware in viele kleinere virtuelle Maschinen unterteilt 7

8 Geschichte Gerard J. Popek und Robert P. Goldberg A virtual machine is taken to be an efficient, isolated duplicate of the real machine 8

9 2. Was ist Virtualisierung und wozu dient sie? 9

10 Was ist Virtualisierung? Virtualisierung von Betriebssystemen ist die gleichzeitige Nutzung von mehreren Betriebssystemen auf einer zur Verfügung gestellten Hardwareumgebung 10

11 Wozu dient Virtualisierung? Schaffung einer virtuellen Betriebsumgebung OS-Virtualisierung Systemvirtualisierung 11

12 Betriebssystemvirtualisierung mittels OS-Containern 12

13 Systemvirtualisierung mittels VMM 13

14 3. Virtualisierung der Hardware 14

15 Voraussetzungen Nach Popek und Goldberg zwei Prozessor Modi eine Methode für nicht privilegierte Programme privilegierte Systemroutinen aufzurufen Speicherschutz und -zuteilungs Mechanismen Asynchrone Interrupts (I/O) 15

16 Virtualisierung der CPU (1) Privilegstufenverteilung ohne Virtualisierung 16

17 Virtualisierung der CPU (2) Privilegstufenverteilung mit Virtualisierung 17

18 Virtualisierung der CPU (2) Privilegierte Instruktionen erfordern zwingend den Ring 0 Versucht VM eine solche Instruktion auszuführen, löst CPU eine Exception aus VMM stellt Routinen zur Behandlung dieser Ausnahmen bereit 18

19 Probleme der x86-cpu (1) Nicht alle privilegierten Befehle lösen eine Exception aus Beispiel: PUSHF, POPF Es existieren nicht privilegierte Befehle, deren Verhalten von der Privilegierungsstufe abhängig sind Beispiel: VERR 19

20 Probleme der x86-cpu (2) Die kritischen Instruktionen müssen mit Scan Before Execution gefunden werden Da die x86 Architekur selbstmodifizierenden Code unterstützt, ist Prescan nur zur Laufzeit möglich Dadurch ist die x86-virtualisierung sehr aufwendig und komplex 20

21 Erweiterung der x86-architektur Neue CPU-Technologien (VT-X, SVM) VMXON VMX root operation VMM VMXOFF VMX operation VMENTRY VMEXIT VMX non-root operation VM1 VM2 21

22 Virtualisierung des Speichers (1) VMM weist jeder virtuellen Maschine einen eigenen virtuellen Adressraum zu Das Gast-System speichert die Segment- und Seitentabellen ab Zur Abbildung der virtuellen Adressen auf die realen Adressen werden Shadow Tabellen erzeugt 22

23 Virtualisierung des Speichers (2) Shadow Page Tabellen 23

24 Virtualisierung der I/O Jedes Device wird einer VM zugeordnet und durch VMM emuliert VM haben keinen direkten Zugriff auf physikalische Geräte Interrupts können direkt an die VM weitergegeben werden Aber: Zugriffsschutz für Input / Output Befehle bei DMA 24

25 4. Welche Virtualisierungssoftware gibt es 25

26 VirtualBox (1) Vertreiber: Sun Microsystems Aktuelle Version: Betriebssysteme: Windows, Unix, MacOS X Lizenz: Proprietär und GNU Kurzbeschreibung: ist eine virtuelle Maschine für 32Bit und 64-Bit x86-systeme 26

27 VirtualBox (2) Eigenschaften Nutzt Hardware - Virtualisierungsfunktionen Unterstützung der 64-bit Gastsysteme auf 32-bit Betriebssysteme Erweiterte Integration zwischen Wirt- und Gastsystem durch Guest Addition Dadurch sind Gemeinsame Ordner möglich Bedienung kann über verschiedene Frontends erfolgen, z.b. GUI oder Konsole Festplattendateien anderer Hersteller können eingebunden werden 27

28 VirtualBox (3) Emulierte Hardware Prozessor: x86-cpu Mainboard: Intel-Chipsatz 440FX Video: Virtual Box Graphics Adapter (SVGA) Audio: Intel AC97 Controller: IDE, Serial-ATA-Controller AHCI Netzwerk: Intel PRO/1000 MT USB: 1.1 und 2.0 Sonstiges: serielle Schnittstellen, ACPI 28

29 Virtual PC 2007 (1) Vertreiber: Microsoft Aktuelle Version: VPC 2007 Service Pack 1 Betriebssysteme: Windows, MacOS X Lizenz: Proprietär Kurzbeschreibung: wurde als x86-emulator für MacOS-PowerPC-basierte Systeme und als Virtualisierungssoftware für Windows entwickelt 29

30 Virtual PC 2007 (2) Eigenschaften Linux als Gastsystem ist zwar nicht offiziell, lässt sich jedoch ebenfalls installieren Emuliert, wie auch VirtualBox, einen Standard-PC Keine USB-Unterstüzung Datenaustausch durch Gemeinsame Ordner Einsetzbar auch auf 64-bit Hosts, jedoch keine Unterstützung für 64-bit Gäste Nutzt die Hardware - Virtualisierungsfunktionen Auch dadurch keine hohe Performance 30

31 VMware Workstation Entwickler: VMware Aktuelle Version: (21. November 2008) Betriebssystem: Windows, Linux, BSD Lizenz: Proprietär Es lassen sich mehrere Betriebssysteme auf einem Computer mit x86- oder x86-64-prozessoren gleichzeitig nutzen 31

32 VMware Server Entwickler: VMware Aktuelle Version: 2.0 Betriebssystem: Windows, Linux, BSD Lizenz: Freeware VMware Server unterstützt Multiprozessorsysteme und Intel64 / AMD64 Hosted - Produkt benötigt ein Wirtsbetriebssystem (Windows oder Linux) VMware ESX Server basiert auf einem VMware - eigenen Kernel und benötigt daher kein Wirtsbetriebssystem 32

33 Bochs [bɔks] (1) Entwickler: Volker Ruppert, Stanislav Shwartsman Aktuelle Version: (3. Juni 2008) Betriebssystem: Windows, Linux, BSD (FreeBSD, NetBSD, OpenBSD, Mac OS X), OS/2 Lizenz: Freeware (LGPL) Freier x86- und AMD64-Emulator 33

34 Bochs [bɔks] (2) Verschiedene BS (z.b. Windows, Linux) können unter Bochs betrieben werden Dient auch als Plattform, um etwa ein BS für einen PC zu entwickeln und zu testen. Ziel vollständige PC-Kompatibilität Windows - Emulation noch recht langsam Bochs nur bedingt eine Alternative zu VirtualBox, VMware Workstation oder Virtual PC 34

35 Bochs [bɔks] (3) Emulation eines x86-prozessor auch auf einer Nicht-x86Architektur möglich Ein x86-gastsystem (z.b. Win) unter Mac OS X auf einem Apple Macintosh oder unter Solaris auf einem Sun - Prozessor Zwischenzeitlich auch ausgefallene Varianten entstanden, wie etwa die Portierung von Bochs auf die PlayStation Portable oder GP2X. 35

36 Qemu (1) Entwickler: Fabrice Bellard Aktuelle Version: (6. Januar 2008) Betriebssystem: Windows, Linux, BSD, Mac OS X, DRDOS und FreeDOS mittels HX DOS Extender Lizenz: GPL / BSD Gängige Nutzung für Linux, Windows und Mac OS X 36

37 Qemu (2) Derzeit werden u.a. x86-, x86-64 bzw. AMD64-, PowerPC unterstützt Mittels HX DOS Extender auch in FreeDOS und DR-DOS lauffähig 37

38 Qemu (3) Starten von Live-CD- und Boot-Disketten-Abbildern ist problemlos möglich Für Verwendung unter Windows sind keine Administratorrechte notwendig lässt sich so auf einem USB - Stick als portable Software verwenden Mithilfe des Qemu-Managers leichte Bedienung über eine grafische Benutzeroberfläche 38

39 5. Realisierung einer virtuellen Maschine 39

40 Realisierung einer VM (1) Realisierung einer VM mit VMware Workstation Host Operating System: Spezifikation Windows XP Prof 32-Bit SP3 Standard Installation der VMWare Workstation auf eine eigene Partition des Host Systems 40

41 Realisierung einer VM (2) Host Operating System Anforderung Standard x86- oder x86-64-compatible PC Prozessoren 400 MHz oder schneller CPU Minimum (500 MHz empfohlen) 128 MB Minimum (256 MB empfohlen) 16-bit oder 32-bit Display-Adapter empfohlen IDE und SCSI Festplatten unterstützt, bis 950 GB Kapazität 41

42 Realisierung einer VM (3) Host Operating System Unterstützung IDE and SCSI optische Laufwerke unterstützt CD- / DVD ROM and ISO Image Laufwerke unterstützt Jeder Ethernet Controller des Host - Systems unterstützt 42

43 Realisierung einer VM (3) Host Operating System Unterstützung Nicht - Ethernet Netzwerke werden durch NetworkAddress-Translation (NAT) unterstützt Für Windows und Linux Host - Systeme verfügbar Verschiedene Linux Host - Systeme (Red Hat, Suse, Novell, Ubuntu, usw.) 43

44 Realisierung einer VM (4) Realisierung einer VM mit VMware Workstation Gast Operating System: opensuse Linux

45 Realisierung einer VM (5) Gast Operating System VM Spezifikation Gleicher Prozessor wie Host-System Ein virtueller Prozessor auf einem Host mit einem oder mehreren logischen Prozessoren Zwei virtuelle Prozessoren auf einem Host mit mindestens zwei logischen Prozessoren Intel 440BX-basierte Motherboard mit VESA BIOS 45

46 Realisierung einer VM (5) Gast Operating System VM Spezifikation Bis 3.6 GB RAM, abhängig vom Host Speicher Maximum von 4 GB gesamt für alle Virtuellen Maschinen verfügbar VGA und SVGA unterstützt Bis zu 4 IDE / 7 SCSI Laufwerke / CD- und DVD-ROM (DVD Laufwerke nur zum Lesen; DVD Video wird nicht unterstützt) 46

47 Realisierung einer VM (5) Gast Operating System VM Spezifikation CD-ROM kann physikal. Laufwerk oder ISO Image sein Floppy Laufwerk; bis zu 4 seriellen (COM) Ports; bis zu 3 bidirektionalen parallel (LPT) Ports USB Ports 1.1 / 2.0 (Drucker, Scanners, PDAs, HD-LW, Digital Kameras, usw.) Virtuelle / NAT Netzwerke (TCP/IP, FTP, HTTP, usw.) 47

48 Realisierung einer VM (6) VMWare Workstation Frontend 48

49 Realisierung einer VM (7) Hardware Einstellungen für das virtuelle Betriebssystem 49

50 Realisierung einer VM (7) Hardware Einstellungen für das virtuelle Betriebssystem 50

51 Realisierung einer VM (7) Hardware Einstellungen für das virtuelle Betriebssystem 51

52 Realisierung einer VM (7) Hardware Einstellungen für das virtuelle Betriebssystem 52

53 Realisierung einer VM (7) Hardware Einstellungen für das virtuelle Betriebssystem 53

54 Realisierung einer VM (7) Hardware Einstellungen für das virtuelle Betriebssystem 54

55 Realisierung einer VM (7) Hardware Einstellungen für das virtuelle Betriebssystem 55

56 Realisierung einer VM (8) Hardware Optionen für das virtuelle Betriebssystem 56

57 Realisierung einer VM (8) Hardware Optionen für das virtuelle Betriebssystem 57

58 Realisierung einer VM (8) Hardware Optionen für das virtuelle Betriebssystem 58

59 6. Kleine Vorführung eines virtuellen BS 59

60 7. Benchmarktests virtueller Maschinen 60

61 Benchmarktests virtueller Maschinen (1) VirtualBox VMWare Workstation MByte Datei von MOV nach AVI (MPEG4) 6:44 Min. 8:03 Min. 110 MByte WAV nach 192 Kbit/s MP3 20 Sek. 53 Sek. 411 MByte-Datei mit XPZipper komprimieren 1:19 Min. 3:13 Min. minimale Transferrate 26,1 MByte/s 13,0 MByte/s maximale Transferrate 52,3 MByte/s 32,5 MByte/s durchschn. Transferrate 43,9 MByte/s 23,2 MByte/s durchschn. Zugriffszeit 9,1 ms 9,8 ms durchschn. CPU-Belastung 26,3 % 15,5 % Re / encoding HDBenchergebnisse Festplatte 61

62 Benchmarktests virtueller Maschinen (2) VirtualBox VMWare Workstation 6.0 minimale Transferrate 2,4 MByte/s 2,7 MByte/s maximale Transferrate 3,7 MByte/s 3,2 MByte/s durchschn. Transferrate 3,3 MByte/s 3,1 MByte/s durchschn. Zugriffszeit 9,8 ms 11,7 ms durchschn. CPU-Belastung 9,8 % 2,7 % USB-Stick Kopieren einer 411 MByte großen Datei vom Netzlaufwerk auf das Wirtsystem 32 Sek. 40 Sek. von USB auf Gast kopieren (Referenz: 56 Sek.) 1:48 Min. 2:05 Min. von Gast auf USB kopieren (Referenz: 3:34 Min.) 4:35 Min. 4:33 Min. Bootzeit Win XP / Suse Sek. 23 Sek. / 3:05 Min. 62

63 Benchmarktests virtueller Maschinen (3) VirtualBox VMWare Workstation 6.0 Dhrystone ALU 5793 MIPS 4157 MIPS Whetstone isse MFLOPS 4153 MFLOPS Multimedia Integer x4 aemmx/asse iit/s iit/s Multimedia Fließkomma x4 isse fit/s fit/s CPU-Benchmark SiSoftSandra Arithmetik Multimedia (MFLOPS) Million Floating Point Operations per Second (MIPS) Millionen Instruktionen per Second Quelle: easylinux Ausgabe 03/

64 VMs im Vergeich Features 64

65 8. Vor- und Nachteile der Virtualisierung von Betriebssystemen 65

66 Vorteile (1) Kosten Bessere Auslastung der Hardware Schnelle Verfügbarkeit eines Systems Flexibilität Unterschiedliche BS auf der gleichen Hardware Test- und Schulungssysteme Flexible Administration Verteilung von Ressourcen (RAM, CPU) Einfaches Kopieren von Ressourcen Verringerung der Anzahl physischer Server 66

67 Vorteile (2) Hardware - Unabhängigkeit der Gastsysteme in den VMs Einfacher Hardwarewechsel Sehr schnelles Bereitstellen neuer virtueller Rechner Im täglichen Einsatz Schnelle und einfache Disaster Recovery Isolation sich beeinflussender Applikationen 67

68 Nachteile Nicht jede Hardware wird in virtuellen Maschinen unterstützt Bestimmte Ressourcen stehen nur begrenzt zur Verfügung Performanceprobleme Ausfallrisiko Beim Ausfall der Hardware sind mehrere logische Systeme betroffen (Single Point of Failure) Sicherheit Wird ein Hostsystem korrumpiert, sind ggf. alle Gastsysteme betroffen 68

69 9. Quellen Sven Ahrent Virtuelle Maschinen mit VMware und Microsoft (ADDISON-WESLEY Verlag, München 2007) 69

70 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 70

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