Typ-2-Hypervisor
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@ -2790,81 +2790,52 @@
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\item Diese Architekturprobleme (bekannt seit 1974) wurden 20 Jahre lang im Sinne von Rückwärtskompatibilität auf Nachfolgeprozessoren übertragen ...
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\end{itemize*}
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\subsubsection{Typ-2-Hypervisor}
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\begin{center}
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\includegraphics[width=.6\linewidth]{Assets/AdvancedOperatingSystems-typ-2-hypervisor.png}
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\end{center}
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%\includegraphics[width=\linewidth]{Assets/AdvancedOperatingSystems-typ-2-hypervisor.png}
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Virtualisierung ohne Hardwareunterstützung:
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Virtualisierung ohne Hardwareunterstützung, keine Möglichkeit...
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\begin{itemize*}
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\item keine Möglichkeit, trap-and-emulate zu nutzen
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\item keine Möglichkeit, um
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\begin{enumerate*}
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\item korrekt (bei sensiblen Instruktionen im Gast-Kernel) den Privilegierungsmodus zu wechseln
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\item den korrekten Code im HV auszuführen
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\end{enumerate*}
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\item trap-and-emulate zu nutzen
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\item um korrekt den Privilegierungsmodus zu wechseln
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\item den korrekten Code im HV auszuführen
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\end{itemize*}
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Übersetzungsstrategie in Software:
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Übersetzungsstrategie in Software
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\begin{itemize*}
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\item vollständige Übersetzung des Maschinencodes, der in VM ausgeführt
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wird, in Maschinencode, der im HV ausgeführt wird
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\item praktische Forderung: HV sollte selbst abstrahierte HW-Schnittstelle
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zur Ausführung des (komplexen!) Übersetzungscodes zur Verfügung haben
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(z.B. Nutzung von Gerätetreibern)
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\item $\rightarrow$ Typ-2-HV als Kompromiss:
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\begin{itemize*}
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\item vollständige Übersetzung des Maschinencodes, der in VM ausgeführt wird, in Maschinencode, der im HV ausgeführt wird
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\item praktische Forderung: HV sollte selbst abstrahierte HW-Schnittstelle zur Ausführung des (komplexen!) Übersetzungscodes zur Verfügung haben
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\item[$\rightarrow$] Typ-2-HV als Kompromiss
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\item korrekte Ausführung von virtualisierter Software auf virtualisierter HW
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\item beherrschbare Komplexität der Implementierung
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\end{itemize*}
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\end{itemize*}
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aus Nutzersicht
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\begin{itemize*}
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\item läuft als gewöhnlicher Nutzer-Prozess auf Host-Betriebssystem (z.B.
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Windows oder Linux)
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\item VMware bedienbarwie physischer Rechner (bspw. erwartet Bootmedium in
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virtueller Repräsentation eines physischen Laufwerks)
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\item persistente Daten des Gast-BS auf virtuellem Speichermedium (
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tatsächlich: Image-Datei aus Sicht des Host-Betriebssystems)
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\item läuft als gewöhnlicher Nutzer-Prozess auf Host-Betriebssystem
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\item VMware bedienbar wie physischer Rechner
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\item persistente Daten des Gast-BS auf virtuellem Speichermedium
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\end{itemize*}
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Mechanismus: Code-Inspektion
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\begin{itemize*}
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\item Bei Ausführung eines Binärprogramms in der virtuellen Maschine (egal
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ob Bootloader, Gast-BS-Kernel, Anwendungsprogramm): zunächst
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inspiziert Typ-2-HV den Code nach Basisblöcken
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\begin{itemize*}
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\item Basisblock: Befehlsfolge, die mit privilegierten Befehlen oder solchen Befehlen abgeschlossen ist, die den Kontrollfluss ändern (sichtbar an Manipulation des Programm-Zählers eip), z.B. jmp, call, ret.
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\end{itemize*}
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\item Bei Ausführung eines Binärprogramms in der virtuellen Maschine: zunächst inspiziert Typ-2-HV den Code nach Basisblöcken
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\item Basisblock: Befehlsfolge, die mit privilegierten Befehlen oder solchen Befehlen abgeschlossen ist, die den Kontrollfluss ändern%, z.B. jmp, call, ret
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\item Basisblöcke werden nach sensiblen Instruktionen abgesucht
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\item diese werden jeweils durchAufruf einer HV-Prozedur ersetzt, die
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jeweilige Instruktion behandelt
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\item gleiche Verfahrensweise mit letzter Instruktion eines Basis-Blocks
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\item diese werden jeweils durch Aufruf einer HV-Prozedur ersetzt, die jeweilige Instruktion behandelt
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\end{itemize*}
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Mechanismus: Binary Translation (Binärcodeübersetzung)
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\begin{itemize*}
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\item modifizierter Basisblock: wird innerhalbdes HVin Cachegespeichert und
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ausgeführt
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\item Basisblock ohne sensible Instruktionen: läuft unter Typ-2-HV exakt so
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schnell wie unmittelbar auf Hardware (weil er auch tatsächlich
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unmittelbar auf der Hardware läuft, nur eben im HV-Kontext)
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\item sensible Instruktionen: nach dargestellter Methode abgefangen und
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emuliert $\rightarrow$ dabei hilft jetzt das Host-BS
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(z.B. durch eigene Systemaufrufe, Gerätetreiberschnittstellen)
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\item modifizierter Basisblock: wird innerhalb des HV in Cache gespeichert und ausgeführt
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\item Basisblock ohne sensible Instruktionen: läuft unter Typ-2-HV exakt so schnell wie unmittelbar auf Hardware %(weil er auch tatsächlich unmittelbar auf der Hardware läuft, nur eben im HV-Kontext)
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\item sensible Instruktionen: nach dargestellter Methode abgefangen und emuliert $\rightarrow$ dabei hilft das Host-BS (z.B. durch eigene Systemaufrufe) % Gerätetreiberschnittstellen)
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\end{itemize*}
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Mechanismus: Caching von Basisblöcken
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\begin{itemize*}
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\item HV nutzt zwei parallel arbeitende Module (Host-BS-Threads!):
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\item HV nutzt zwei parallel arbeitende Module
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\begin{itemize*}
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\item Translator: Code-Inspektion, Binary Translation
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\item Dispatcher: Basisblock-Ausführung
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@ -2874,37 +2845,23 @@
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Befehlsadresse im Cache; falls miss $\rightarrow$
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suspendieren (zugunsten Translator)
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\item Translator: schreibt Basisblöcke in Basisblock-Cache
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\item Annahme: irgendwann ist Großteil des Programms im Cache, dieses läuft
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dann mit nahezu Original-Geschwindigkeit (theoretisch)
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\item Annahme: irgendwann ist Großteil des Programms im Cache, dieses läuft dann mit nahezu Original-Geschwindigkeit (Theorie)
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\end{itemize*}
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Performanzmessungen
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\begin{itemize*}
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\item zeigen gemischtes Bild: Typ2-HV keinesfalls so schlecht, wie einst
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erwartet wurde
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\item qualitativer Vergleich mit virtualisierbarer Hardware
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(Typ1-Hypervisor):
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\item ,,trap-and-emulate,,: erzeugt Vielzahl von Traps
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$\rightarrow$ Kontextwechsel zwischen jeweiliger VM
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und HV
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\item insbesondere bei Vielzahl an VMs sehr teuer: CPU-Caches, TLBs,
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Heuristiken zur spekulativen Ausführung werden verschmutzt
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\item wenn andererseits sensible Instruktionen durch Aufruf von
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VMware-Prozeduren innerhalb des ausführenden Programms ersetzt: keine
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Kontextwechsel-Overheads
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\item Typ2-HV keinesfalls so schlecht, wie einst erwartet wurde
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\item ,,trap-and-emulate,, erzeugt Vielzahl von Traps $\rightarrow$ Kontextwechsel zwischen jeweiliger VM und HV
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\item insbesondere bei Vielzahl an VMs sehr teuer: CPU-Caches, TLBs, Heuristiken zur spekulativen Ausführung werden verschmutzt
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\item wenn sensible Instruktionen durch VMware-Prozeduren innerhalb des Programms ersetzt: keine Kontextwechsel-Overheads
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\end{itemize*}
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Studie: (von Vmware) [Adams\&Agesen06]
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Studie (von Vmware)
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\begin{itemize*}
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\item last-und anwendungsabhängig kann Softwarelösung sogar Hardwarelösung
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übertreffen
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\item Folge: viele moderne Typ1-HV benutzen aus Performanzgründen ebenfalls
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Binary Translation
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\item last-und anwendungsabhängig kann Softwarelösung sogar Hardwarelösung übertreffen
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\item viele moderne Typ1-HV benutzen aus Performanzgründen ebenfalls Binary Translation
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\end{itemize*}
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\subsubsection{Paravirtualisierung}
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Funktionsprinzip
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