MMU Virtualisierung. ISE Seminar Thomas Schaefer 1

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1 MMU Virtualisierung ISE Seminar 2012 Thomas Schaefer 1

2 Inhalt Allgemein MMU: Virtualisiert Probleme Problem 1: Ballooning Problem 2: Memory-Sharing Kurz: Problem 3 & 4 Translation Lookside Buffer TLB in virtualisierter Umgebung Ende 2

3 Wiederholung: Virtueller Adressraum Virtueller Adressraum: Anwendungen benötigen vom OS zusammenhängenden Speicher Beispiel: Zwischenspeichern von großen Datenmengen (Videos) OS stellt Anwendungen virtuellen Adressraum zur Verfügung Kann unabhängig vom physikalischen Adressraum allokiert werden Terminologie: Virtueller Adressraum: Seiten (Pages) Physikalischer Adressraum: Rahmen (Frames) 3

4 Aufgabe der Memory Management Unit Aufgabe der MMU: Verwaltet Mapping zwischen virtuellen und physikalischen Adressraum Übersetzen der virtuellen Adressen (vom OS) zu physikalischen Adressen Diagramm: MMU Übersetzung 4

5 Aufgaben des Hypervisors als MMU Übergabe von MMU-Funktionen an den Hypervisor: Hypervisor stellt Schnittstelle zur Host-Hardware dar Viele virtuelle Maschinen viele virtuelle Adressräume Deswegen: Dritte Übersetzungsschicht (Adressraum): IPA (herstellerspezifisch; ARM) Der Hypervisor muss die Verwaltung der virtuellen VM-Adressräume übernehmen Aufbau: Dritte Adressart 5

6 Probleme bei der MMU-Virtualisierung Beispielhafte Probleme, die bei der Speichervirtualisierung auftreten können: Zu wenig Speicher zur Verfügung (VM1), da anderweitig zugeteilt (VMx) Redundante Inhalte im Speicher (von verschiedenen VMs) VM hortet zu viel Idle-Speicher Zuteilung von Idle-Speicher einer VM 6

7 Speicherrückgewinnung (Ballooning) Problem 1: Zu wenig Speicher zur Verfügung (VM1), da anderweitig zugeteilt (VMx) Es kann vorkommen, dass Hypervisor zu wenig physikalischen Speicher an eine VM vermitteln kann, weil bei anderer VM zugeordnet Darum: Mechanismus: Ballooning (VMWare; ESX-Server) Speicher muss von VM zurückgewonnen werden Nutzt (Gast-)OS interne Algorithmen zur Speicherverwaltung (Auslagerung) Ballon-Treiber in VM installiert, kommuniziert mit Hypervisor (keine Modifikation am Gast-OS nötig!) Simuliert künstliche Ressourcenverknappung 7

8 Ballooning (VMWare, ESX-Server) Ablauf: 1. Hypervisor bläst Ballon auf: Speicherbelastung auf Gast-OS steigt Lagert Speicher (auf Festplatte) aus Treiber benachrichtigt Hypervisor über frei gewordenen Speicher Hypervisor kann Speicher wieder neu vergeben 2. Hypervisor lässt Luft aus Ballon: Speicherbelastung auf Gast-OS lässt nach Gast-OS kann ausgelagerte Seiten wieder einlagern 8

9 Memory Sharing (VMWare, ESX-Server) Problem 2: Redundante Inhalte im Speicher (von verschiedenen VMs) Mehrere VMs benutzen häufig die gleichen Inhalte (gleiches OS, Anwendungen etc.) Deshalb: Memory Sharing: Redundante Inhalte auf eine einzelne Speicherinstanz reduzieren Zwei Verfahren: Transparent- und Content-based Memory Sharing 9

10 Memory Sharing: Transparent Memory Sharing Allgemein: Gast-OS teilt Hypervisor akiv mit, welche Inhalte im Speicher abgelegt werden sollen (z.b. Anwendungs-spezifisch) Ablauf: Hypervisor merkt sich Informationen zu Speicherinhalten der VM Ändert Mapping auf eine einzelne Instanz Problem: Wenn VM in eine geteilte Seite schreiben möchte Nutzt Copy-on-write-Flag (COW): Erzeuge private Kopie beim Schreiben in die Seite Nachteil: Das Gast-OS muss modifiziert werden um an Seiteninformationen zu gelangen 10

11 Memory Sharing: Transparent Memory Sharing Ablauf: VM1 1 VM2 2 VM3 3 Hypervisor {1,2,3} n COW Wieder frei zur Allokation PC{1}: VMx 11

12 Memory Sharing: Content-based Memory Sharing Problem 2: Redundante Inhalte im Speicher (von verschiedenen VMs) Ohne Modifikation des Gast-OS Hypervisor überprüft den Inhalt jedes Rahmens Nachteil: Naives Inhalts-Vergleichen ist langsam Deswegen: Hash-Tabelle, die Inhalt jeder Seite repräsentiert Ablauf (für neue Inhalte): Erzeuge Hash der Seite und vergleiche ihn mit der Tabelle: 1. Noch nicht drin: Lege neu an 2. Schon drin: Verweise auf bereits vorhandene Instanz 12

13 Memory Sharing: Content-based Memory Sharing Problem: Aktualität der Daten in Hash-Tabelle Deswegen: Optimierung über Hint-Flag für ungeteilte Seiten: COW-Flag erst mal nicht setzen Vergebe stattdessen Hint-Flag bei nicht geteilten Seiten Aufgabe: Erzeuge neuen Hash (Rehash) beim Hash-Vergleich um Aktualität sicher zu stellen (Inhalt im Rahmen könnte sich geändert haben, da kein COW-Flag gesetzt) Ja: Lege neue Seite an Nein: Teile die Rahmen und vergebe, wie gewohnt, COW-Flag 13

14 Memory Sharing: Content-based Memory Sharing Ablauf: neu Hypervisor Hash(neu) = dsa21cafga Lookup() Hit COW 1 dsa21cafga HINT 2 akdnk123na 3 a821ka1aos Share() Rehash() Danach: Share() mit COW oder New() 1 n COW PC{1}: VMx 14

15 Restliche Lösungen kurz erläutert Problem 3: VM hortet zu viel Idle-Speicher Belege Idle-Speicher mit Kosten -> VM regelt selbstständig, dass nicht zu viel Idle- Speicher gebraucht wird (da sonst zu teuer) Problem 4 (ergibt sich aus Problem 3): Zuteilung von Idle-Speicher einer VM Idle-Speicher muss dynamisch kalibriert werden Sage über statistisches Verfahren den Speicherverbrauch einer VM vorher Ergebnis: Reserviere Speicher / gebe Speicher frei 15

16 Translation Lookaside Buffer Allgemein (Aufgabe): Schneller Zwischenspeicher für häufig genutzt Adressen Teuer, deswegen nur wenig Kapazität (1024 Einträge) Lookup (befüllen des TLB) über Seiten-Tabelle: (long) Virtual Hashed Page Table (VHPT) 16

17 TLB virtualisiert (Xen) Um TLB zu virtualisieren: mehr VHPT s in Software abbilden Verschiedene Ansätze (single, pro vcpu, pro VM etc.) Hier: Für jede VM eine zusätzliche VM-VHPT Sollte Eintrag nicht in der herkömmlichen VHPT gefunden werden: Lookup() in VM-VHPT Wichtig: Bei Virtualisierung benötigt man dritte Adressart (IPA) deswegen noch eine zusätzliche hash-tabelle je VM-VHPT für IPA-PA-Übersetzungen 17

18 TLB virtualisiert Ablauf: TLB MMU fordert: VA36 MMU Lookup(VA36) VA PA Gewöhnliche VHPT Kein Hit: Page-Fault Lookup(VA36): VM- Adressraum (IPA) VA IPA 11 #7 36 #5 44 #56 12 #11 32 #12 VM-VHPTs Lookup(#5) IPA PA #5 13a #7 15c Hash-Tabelle TLB-Refill 18

19 Ende Fragen? 19

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