Virtualizace a virtualizace s podporou procesoru

Transkript

1 Virtualizace a virtualizace s podporou procesoru Jan Král, Lukáš Krahulec kra528, kra556 VŠB-TU Ostrava

2 Obsah Virtualizace a virtualizace s podporou procesoru 2/15 Úvod...3 Použité zkratky...3 Typy virtualizace...3 Virtuální stroj...3 Virtualizace úložiště...4 Virtuální paměť...4 Virtualizace platformy...4 Hypervizor...4 Rozdělení virtualizace platformy...5 Emulace...5 Úplná virtualizace...5 Paravirtualizace...6 Virtualizace na úrovni jádra OS...6 Úplná virtualizace...6 Techniky úplné virtualizace bez podpory procesoru...7 Binární překlad...7 Systémová volání...7 Virtualizace vstupně výstupních zařízení...8 Virtualizace paměti...8 Paravirtualizace...8 Virtualizace s podporou procesoru...10 Důvody...10 Na čem je technologie založena...10 Model hardwarově podpořené virtualizace...10 Popis práce technologie Intel VT-x...11 Model technologie Intel VT-x...11 Operace přechodu mezi režimy virtualizační technologie Intel VT...11 Popis operace VMentry...12 Popis operace VMexit...12 Přínos...12 Problém...12 Řešení...12 Druhá generace technologií hardwarové podpory virtualizace...13 Srovnávací testy různých technologií...13 Hardwarová podpora virtualizace do budoucna...14 Zdroje...14 Seznam ilustrací Ilustrace 1: Privilegovaný režim procesoru...5 Ilustrace 2: Hypervisor...5 Ilustrace 3: Uplná virtualizace a paravirtualizace...6 Ilustrace 4: Virtualizace na úrovni jádra OS...6 Ilustrace 5: Hardwarová podpora virtualizace procesory AMD-V (AMD SVM) a Intel VT-x...10 Ilustrace 6: Model rozmístění komponent - Intel VT-x...11 Ilustrace 7: Výkonový srovnávací test university v Cambridge...14

3 Úvod Virtualizace a virtualizace s podporou procesoru 3/15 Se stále narůstajícím výkonem serverů, ale i nároků na služby, stabilitu stoupají i nároky na správu systému a narůstá počet serverů, které jsou jednoúčelové a zdaleka nevyužívají svůj výkon. Tento trend by způsobil ohromné množství serverů (každý zákazník chce mít ten svůj server a v něm své programy), které by využily jen velmi malé procento svého potenciálu. Tady nastupuje virtualizace, která umožní do jednoho železa umístit mnoho operačních systémů a naprosto je od sebe oddělit. Tímto je možné dosáhnout nejenom snížení nákladů na nákup IT techniky, ale i nákladů na správu, energii (jak elektrickou, tak energii správců) a samozřejmě i omezíme prostorové náklady a s tím spojenou nutnost chlazení atd. Je vidět, že virtualizace přináší mnoho výhod za velmi nízkou cenu a tou je hlavně (mimo zaplacení experta na nějaký virtulizační nastroj) malá ztráta výkonu serveru jako celku. Jelikož ale stejně většina serverů není využita plně, pak nám tato cena nevadí. Je jasné, že pokud máme server, který řeší náročné operace a jen velmi malou dobu odpočívá pak o žádné virtualizaci na něm nemůže být řeč. Co v sobe tedy skrývá pojem virtualizace. Podle definice jde o postupy a techniky, které umožňují k dostupným zdrojům přistupovat jiným způsobem, než jakým fyzicky existují. V podstatě jde o metody jak odstínit uživatele (většinou jich bývá více) HW (např. serveru) od fyzických komponent a nabídnout jen virtuální náhled na hardware. Takto odstínění uživatelé pak nabývají dojmu, že jen oni vlastní daný server a pracují s ním normálně bez ohledu na ostatní uživatele (další hosty - operační systémy). Různými metodami, které představím dále, je zajištěna ochrana jednotlivých hostů a jejich striktní oddělení. Některé metody počítají s tím že host nikdy ani nezjistí že je virtualizován, některé zase vyžadují nepatrný zásah do operačního systému. Obecně lze říci že existují možnosti jak virtualizovat jakýkoli operační systém a hlavně je možno virtualizovat i takový HW, který existuje pouze jako návrh a je možné pro zatím neexistující (nebo těžce dostupný) hardware psát programy. Použité zkratky VM VMM VMCS VMCB MMU Typy virtualizace - Virtual Machine = virtuální stroj - Virtual Machine Monitor = hypervisor - Virtual Machine Control Structure - Virtual Machine Control Block terminologie AMD = VMCS - Memory Management Unit S virtualizací se každý člověk (pracující v IT) setkává každý den a nemusí nutně pracovat jako správce serveru. Samotný PC pracuje s virtualizací a nám to už ani nepřijde. Virtuální stroj Pro vykonávání programů napsaných v jazyce JAVA je nutné mít nainstalovaný JRE (Java Runtime Environment), který zajistí spuštění JVM (Java Virtual Mashine), tedy jakéhosi stroje, ve kterém se budou programy provádět. Výhodou je bezpečnost takovýchto aplikací, jelikož virtuální stroj se stará o to, aby se program nesnažil škodit a to už z principu jazyka, ale i při samotném vykonávání

4 Virtualizace a virtualizace s podporou procesoru 4/15 kódu. Samozřejmě JAVA jení jediný příklad virtuálního stroje. Dalším takovým je jazyk C# a jeho CLR (Common Language Runtime). Virtualizace úložiště Určitě každý server, ale i některé osobní počítače, využívají RAID (Redundant Array of Independent Disks) pole. Jedná se vlastně metodu jak koordinovat práci více pevných disků, které se tváří jako jediný. Tímto dosáhneme většího zabezpečení ztráty uložených dat způsobenou chybou na disku, ale i získáme navíc například urychlení čtení z disku. Virtuální paměť Virtualizace paměti je dnes už standardní způsob správy paměti a umožňuje pracovat s výrazně vetší pamětí než počítač ve skutečnosti má. Toho dosáhneme tím, že aktuálně nevyužívaná paměť se odkládá na pevný disk a uvolní se pro proces který paměť vyžaduje. Virtualizace platformy Je je způsob jak byla virtualizace definována v úvodu. Jedná se o virtualizaci částečného a nebo plného souboru zařízení. Tomuto typu se budu dále věnovat a provedu další rozdělení a principy Hypervizor Ještě než provedu další rozdělení, musím ukázat co je vlastně hlavní prvek virtualizace a jaké jsou nutné změny v rozložení SW. Hlavní vlastností virtualizace je hlavně obsluha CPU a hlavně jeho privilegovaných instrukcí (deprivilegování instrukcí nebo jejich obsluha), obsluha paměti (stránkování, přidělování paměti) a virtualizace vstupně / výstupních zařízení (obsluha požadavků pro přidělení disku, sítových rozhraní). Z důvodu ochrany procesor v privilegovaném režimu zavádí ochranné úrovně kruhy (ring). Celkem 4 kruhy rozdělují privilegia k přístupu k samotnému HW, kde nejnižší kruh ring0 má nejvyšší pravomoci a kód vykonávaný v tomto kruhu může pracovat se samotným HW tedy může vykonávat privilegované instrukce. Tomuto kruhu se taky proto říká supervisor mode. V tomto kruhu je tedy umístěno jádro operačního systému. Uživatelské programy by neměly mít právo sahat přímo na hardware a proto běží až v kruhu 3, user mode. Kruh 1 a 2 jsou většinou nepoužívané (na 32 bit. architektuře).

5 Virtualizace a virtualizace s podporou procesoru 5/15 Ilustrace 1: Privilegovaný režim procesoru Při virtualizaci dochází ke změně oproti předešlému rozložení. Jelikož se obvykle virtualizuje více operačních systému a je nutné je oddělit tak aby se vzájemně nepoškozovali, tak se jejich jádro přesouvá do kruhu1 a do kruhu0 se zavádí tzv. hypervisor (nebo taky obecně VMM virtual mashine monitor), který se stará o to aby jednotlivé jádra nesahali kam nemají, poskytuje jim rozhraní pro volání (paravirtualizace), stará se o binární překlad instrukcí atd. Ilustrace 2: Hypervisor Rozdělení virtualizace platformy Platformu lze virtualizovat na několika úrovních: Emulace Umožňuje běh neupraveného hosta na zcela odlišném procesoru. Tohoto typu se využívá pro psaní programů pro zatím neexistující procesory. Úplná virtualizace Už z názvu vyplývá že se plně virtualizuje celý (nebo většina) hardware tak, aby neupravený host plně fungoval jakoby byl na hardware nasazen sám.

6 Paravirtualizace Virtualizace a virtualizace s podporou procesoru 6/15 VMM nevirtualizuje plně hardware, ale nabízí určité rozhraní (API). Je nutné upravit systém hosta jelikož ten musí podporovat takzvané hypercall což jsou volání hypervisora. VS0 VS 1... VS n HW Ilustrace 3: Uplná virtualizace a paravirtualizace Virt. vrstva Virtualizace na úrovni jádra OS Je zřejmě nejvýkonnějším řešením (spolu s paravirtualizací). Při tomto druhu virtualizace existuje jeden systém s jedním jádrem, které je sdíleno aplikacemi. Tyto aplikace ale systém vnímají jako pouze svůj. Velkou výhodou mimo výkonu je i to, že lze takovýto systém snadně spravovat a dynamicky měnit jeho nastavení. Host VS server 1... VS n kernel HW Ilustrace 4: Virtualizace na úrovni jádra OS Úplná virtualizace Systém, který vytváří plnou virtualizaci platformy musí poskytovat kompletní simulaci hardwaru platformy. Na rozdíl od ostatních technik virtualizace tato umožňuje spuštění jakéhokoli operačního systému, který navíc nemá většinou šanci poznat, že je virtualizovaný. Nyní jsou pro podporu virtualizace vytvářeny speciální procesory jak od Intel (Intel-VT) či AMD (AMD-V) a proto jsou také nástroje pro virtualizaci vyvíjeny pro obě platformy vedle sebe. Výhodou použití je možnost provozovat operační systém, ke kterému nemáme zdrojové kódy (Windows) a největší nevýhodou je zřejmě nejmenší výkon oproti jiným technikám.

7 Virtualizace a virtualizace s podporou procesoru 7/15 Virtualizaci za podpory procesoru se více věnuje druhá část tohoto textu. Techniky úplné virtualizace bez podpory procesoru Binární překlad I bez podpory procesoru je možné dosáhnout plné virtualizace. Příkladem může být VMware s technikou binárního překladu (BT binary translation). Tato technika překládá binární kód který chce kernel hosta vykonat za běhu na upravený (bezpečný) kód. V podstatě programy běžící v uživatelském módu (kruh 3) vykonávají svůj kód přímo a jakmile je požadováno vykonání nebezpečného kódu (privilegované instrukce) pak je VMM (virtual mashine monitor) požádán o překlad na bezpečné volání. Pokud například kernel požaduje přístup k fyzickému hardware (např. HDD), pak je tento požadavek přeložen jako požadavek k přístupu do virtuálního hardware (vyhrazený oddíl na disku). Překladem vlastně přesunuje kód který je spustitelný z kruhu 0 na kód, který poběží až v kruhu 3. Binární překlad nemá za cíl optimalizovat, ale pouze překládat privilegované instrukce na bezpečné. Zároveň ukládá přeložené instrukce co cache, takže například při instrukci cyklu není kód překládán znovu, ale je vybrán z cache. Jistou nevýhodou překladu je určitě rychlost, jelikož se musí každá neprivilegovaná operace přeložit a vzniká veliká režie, ale na druhou stranu díky cache a ukládáním přeloženého kódu doba překladu postupně klesá. Systémová volání Jádro operačního systému je jak již bylo ukázáno jenom další proces, který má tu výhodu, že má privilegovaný přístup do CPU. Pokud uživatelský program potřebuje mít přístup do hardware nemůže na rozdíl od jádra požádat CPU o přístup. Nejdříve musí přejít do jádra systému, který poté muže volat požadavek o přístup do HW. Pokud nepožádá o přístup jádro a volá přímo CPU, pak procesor vyvolá výjimku a jádro převezme vykonávání. Dále pak jádro samo vyvolává přerušení procesoru, aby se ujistil, že uživatelské procesy si nepřivlastňují procesorový čas na příliš slouho. Jak bylo již řečeno, při virtualizaci na úrovni HW se do kruhu 1 přesunuje jádro virtuálního stroje a do kruhu 0 je umístěn VMM (hypervisor virtual mashine monitor). Při uživatelském volání jádra (SYSCALL, SYSENTER) uživatelský program dorozumívá s jádrem a předpokládá se, že jádro je na úrovni 0, tam je ale přesunut VMM. VMM tedy obsluhuje veškeré požadavky na jádro systému, překládá je a předává řízení do kruhu 1 jádra hostovaného OS. Po zpracování operace jádro volá SYSEXIT jelikož ale je v kruhu 1, nemá dostatečná oprávnění a CPU vrátí volnání do kruhu 0 a VMM se postará o emulování návratu. Díky této režii systémová volání trvají mnohem delší dobu než volání bez virtualizace. Je uváděno 10 násobné zpoždění. Aplikace Jádro host systému VMM Aplikace volá SYSCALL VMM předá řízení jádru Jádro volá SYSEXIT a je vráceno VMM VMM emuluje vraceni Kruh 3 Kruh 1 Kruh 0

8 Virtualizace a virtualizace s podporou procesoru 8/15 Virtualizace vstupně výstupních zařízení Emulace I/O zařízení v podstatě znamená že jakýkoli přístup do virtuálního zařízení bude přeloženo na reálné zařízení a na jeho ovladač. Pokud je přítomno více síťových rozhraní, je možno je vhodně rozdělit a například hostu, který pracuje hlavně se sítí se přiřadí jedna síťová karta a další se sdílí mezi zbylými OS. Virtualizace paměti Veškeré moderní procesory mají zabudovanou podporu pro virtuální paměť. Při správě paměti je hlavní starostí OS překládat virtuální adresy na fyzické. Při virtualizaci jádro OS nemá přímý přístup do MMU jednotky (memory management unit), ale má přístup do emulované verze této jednotky. VMM obsluhuje tuto virtuální verzi MMU a sama dále obsluhuje fyzickou jednotku. Při každé modifikaci stránky hostovaným OS toto VMM zjistí a postará se o mapování na fyzickou paměť. Paravirtualizace Při paravirtualizaci se prostředí pro virtualizovaný stroj nevirtualizuje plně. V podstatě je to technika podobná binárnímu překladu, ale s tím rozdílem, že překlad probíhá už na úrovni zdrojového kódu. Není dále pak nutné překládat za běhu instrukce. Samozřejmostí je, že tato technika je použitelná jenom v tom případě, že máme přístup do zdrojového kódu systému pro provedení změn. Hlavní úpravou jsou samozřejmě úprava kritických operací. Hostovaný systém je upraven na nová systémová volání, která jsou nahrazena tzv. hypercall voláním. Velkou výhodou paravirtualizace je tedy značné urychlení (spolu s virtualizací na úrovni jádra se jedná o nejvýkonnější typy) a to hlavně odstraněním nutnosti překladu instrukcí, kdy se volá přímo hypervisor pomocí jeho API. Odpadá tedy značná část nutné režie.

9 Virtualizace a virtualizace s podporou procesoru 9/15 Nevýhodou je jistě nutnost zásahu (která neznamená přepis jádra) a tedy pro paravirtualizaci je možné využít pouze otevřené systémy. VS0 APP KERNEL VIRT. OVL VS1 APP KERNEL VIRT. OVL Hypervisor API Ovladače HW

10 Virtualizace a virtualizace s podporou procesoru 10/15 Virtualizace s podporou procesoru Důvody Přestože má para-virtualizace řadu výhod proti plné virtualizaci, potřebuje určité modifikace operačních systémů, což komplikuje její nasazení. Intel VT-x a AMD-V nabídly hardwarovou podporu virtualizace. Na čem je technologie založena Úkolem hardwarové virtualizace není zavést vylepšenou verzi para-virtualizace nebo virtualizace s binárním překladem privilegovaných instrukcí jak je možné se domnívat. Účelem je vyřešit problém s plnou virtualizací architektury x86, čímž mohou být například procesorem ignorované instrukce. Základní myšlenkou hardwarové virtualizace je snažit se zachytit všechny výjimky procesoru a všechny privilegované instrukce vložením vynuceného přechodu z hostovaného OS do VMM. Toto řešení by se dalo pojmenovat jako vylepšená verze virtualizační metody IBM S/370. Model hardwarově podpořené virtualizace Jde o rozšíření možností procesoru tak, že přibývá další úroveň ochrany s ještě většími oprávněními ( ring -1 nebo také Root mode ) a přibývají speciální instrukce na této úrovni. Nová úroveň ochrany je určena pro běh VMM. Díky tomu může OS hostovaného systému běžet na své určené úrovni ochrany, kterou je ring 0. Virtuální stroje tak pracují v prostředí, které se neliší od nativního. Hostovaný OS poskytuje uživatelské aplikaci služby jádra a VMM zasáhne pouze, když systémové volání vyvolá kritické instrukce. To znamená, že nyní už systémové volání (system call) automaticky neznamená zásah VMM. Ilustrace 5: Hardwarová podpora virtualizace procesory AMD-V (AMD SVM) a Intel VT-x

11 Virtualizace a virtualizace s podporou procesoru 11/15 Popis práce technologie Intel VT-x Uživatelská aplikace běží v úrovni ochrany 3, a jádro operačního systému virtuálního počítače na úrovni 0. Prostředí běhu se neliší od nativního takže není třeba směrovat systémová volaní ani upravovat jádro. Každé vyvolaní privilegované instrukce hostovaným OS nebo způsobení výjimky vyvolá hardwarově implementovanou operaci VMexit. Řízení převezme VMM, který bezpečně 1 provede privilegovanou operaci nebo obslouží výjimku a vyvolá také hardwarově implementovanou operaci VMentry, čímž se provede přechod zpět k virtuálnímu stroji. Model technologie Intel VT-x Ilustrace 6: Model rozmístění komponent - Intel VT-x Operace přechodu mezi režimy virtualizační technologie Intel VT Více abstraktnějším pohledem lze technologii rozdělit na dva režimy VMX Root Mode a VMX non-root Mode. Režim VMX Root Mode představuje úroveň ochrany ring -1. Zde běží VMM, který má možnost provádět nejvíce privilegované operace. Režim VMX non-root Mode rozumíme úroveň, na které běží virtuální stroj. K realizaci přechodu mezi režimy se využívají hardwarově implementované operace označované VMenty a VMexit. 1 bezpečným provedením operace je míněno provedení operace tak aby nebyl ovlivněn nebo narušen běh ostatních virtuálních strojů

12 Virtualizace a virtualizace s podporou procesoru 12/15 Popis operace VMentry instrukce VMLAUNCH a VMRESUME přechod z VMM do VM vstoupí do režimu, ve kterém běží virtuální stoje ( VMX non-root Mode ) načte stav VM a ( Exit criteria ) z VMCS Popis operace VMexit instrukce VMEXIT přechod VM => VMM vstoupí do VMX Root Mode uloží stav VM do VMCS načte VMM stav z VMCS přechod může být vyvolán z více důvodů, např. při vyvolání výjimky nebo vyvolaní privilegované instrukce hostovaným OS. Přínos Poskytování služeb jádra hostovaným OS je velkým přínosem pro hardwarovou virtualizaci. Operační systémy ve virtuálních počítačích není třeba modifikovat, přitom zůstávají základní výhody para-virtualizace, tj. přímé vykonávání instrukcí virtuálního počítače fyzickým procesorem. Problém Každý přechod mezi VM a VMM (VMexit / VMentry) vyžaduje velké množství cyklů CPU. Počet těchto režijních cyklů závisí na interní architektuře CPU a prováděné operaci. Provádění takových operací může zabrat více než několik stovek až tisíce cyklů. I když jsou operace přechodu mezi VM a VMM implementované hardwarově, jsou to operace, které výrazně zatěžují procesor. Ztráta způsobená přechodem mezi VM a VMM má menší dopad na provádění složitých operací. Za složité operace lze považovat systémová volání, protože ty vždy spotřebují velké množství cyklů CPU. Jednoduché operace jako je vytváření procesu, změna kontextu, malé změny v tabulce stránek, spotřebují v nativním prostředí jen velmi málo cyklů. Přechod VM / VMM tomto případě znamená mnohonásobné navýšení počtu spotřebovaných cyklu CPU. Použití para-virtualizace je mnohem rychlejší důsledkem toho, že některé složité operace jsou snadno zachytitelné a jednoduše emulovatelné. U jednoduchých operací BT (binární překladač) jednoduše rozšíří kód, který už následně VMM zpracuje. To vše je mnohem rychlejší než přepínání VM / VMM. Řešení První krok, který Intel a AMD udělali aby vyřešili tento problém je snížení počtu cyklů, které spotřebují instrukce virtuální technologie. Od první implementace VT-x v roce 2005, kdy bylo potřeba k vykonaní operace VMentry 634 cyklů, procesor Xeon70xx snížil počet téměř o polovinu a nejnovější Xeon 54xx ještě o dalších 12% - 25%.

13 Virtualizace a virtualizace s podporou procesoru 13/15 Dalším krokem je snížit počet operací VMM. Celková zátěž způsobená virtualizací se rovná počtu operaci vynásobeným cenou provedení operace. Total VT overhead = Sum of (Frequency of "VMM to VM" events * Latency of event) Součástí Intel VT-x a AMD SVM je VMCS (Virtual Machine Control Structure), jedná se o skupinu tabulek, které jsou uloženy v paměti cache. VMCS obsahuje stav virtuálních CPU pro jednotlivé hostované OS. Nastavením ovládacích bitů může VMM povolit hostovanému systému ovládat některé hardwarové části, přerušení nebo vykonávat některé operace nad tabulkou stránek. Díky tomu mohou hostované OS běžet bez přímého zásahu VMM do vykonávané operace (tzn. není nutné přepínat mezi VM a VMM). VMM pak může nastavit VMCS tak, aby VM vyvolal zastavení jako reakci na určité chování, nebo naopak aby při jiné situaci pokračoval aniž by se volal VMexit. Tento způsob potenciálně snižuje počet případů, kdy je CPU nucen zastavit hostovaný OS vyvoláním VMexit, po němž se CPU přepne do režimu VMX Root Mode a požaduje zásah VMM. Druhá generace technologií hardwarové podpory virtualizace Druhá generace technologii hardwarové podpory virtualizace je zatím ve vývoji. Očekávají se technologie AMD Nested Page Tables ( NPT ) a Intel Extended Page Tables ( EPT ), které mají za účel snížení režie paměti což bude mít velký přínos pro výkon virtualizace. Další očekávanou technologií jsou Intel VT-d a AMD IOMMU pro podporu virtualizace zařízení a I/O. Srovnávací testy různých technologií Virtualizační technologie má podle publikovaných výkonových srovnávacích testů ztrátu na výkonu 3-10%. Na dnešních více jádrových procesorech, které jsou stále rychlejší, není tato ztráta způsobená virtualizací překážkou pro masivní využívaní virtuální technologie. Systémy využívající VMM jako jsou VMware ESX nebo Xen mají velmi dobré výsledky, zvláště při srovnání s plnou virtualizací založenou na systému hostitelský - hostovaný OS, příkladem jsou VMware server a Microsoft Virtual Server Výkonový srovnávací test univerzity v Cambridge srovnává výkony jednotlivých řešení L - Linux ( nativní prostředí ) X - systémem Xen ( para-virtualizace ) V - VMware Workstation (plná virtualizace) U - User-Mode Linux (známo jako a port of Linux to userspace )

14 Virtualizace a virtualizace s podporou procesoru 14/15 Ilustrace 7: Výkonový srovnávací test university v Cambridge Popis testů SPEC: intenzivní práce s CPU Linux build: 7% času stráveno v jádře OSDB-IR/OLTP: intenzivní práce s OS, zaměřeno na přepínání mezi doménami SPEC WEB99: celkové měření Hardwarová podpora virtualizace do budoucna Procesory každým rokem rychleji zvyšují svůj výkon což má větší dopad na kapacitu a výkon virtualizace než budoucí hardwarová podpora a optimalizace. Časem se očekávají přínosy hardwarové podpory, které se vyrovnají para-virtualizaci. Hardwarová podpora je dále vyvíjena pro CPU, paměť a I/O zařízení ale přínos pro účely para-virtualizace bude malý. Proto v budoucnu bude mít sada hardwarově podporovaných vlastností narůstající vliv na vývoj VMM. Zdroje Hardware Virtualization: the Nuts and Bolts [

15 Virtualizace a virtualizace s podporou procesoru 15/15