Требования, применяемые к виртуализации

Важно понимать, что виртуальные машины работают так же, как и реальные. В частности, у них должна быть возможность начальной загрузки, как на реальных машинах, и установки на них произвольных операционных систем, точно так же, как это может быть сделано на реальном оборудовании.
Предоставление этой иллюзии с обеспечением достаточной эффективности является задачей гипервизора. Несомненно, гипервизоры должны хорошо проявлять себя по трем направлениям:

1. Безопасность — у гипервизора должно быть полное управление виртуализиро- ванными ресурсами.

2. Эквивалентность — поведение программы на виртуальной машине должно быть идентичным поведению этой же программы, запущенной на реальном оборудовании.

3. Эффективность — основная часть кода в виртуальной машине должна выполняться без вмешательства гипервизора.

Несомненно, безопасный способ выполнения инструкций заключается в поочередном рассмотрении каждой инструкции в интерпретаторе (например, в Bochs) и в выполнении именно того, что нужно для данной инструкции. Некоторые инструкции могут быть выполнены напрямую, но их не много. Например, интерпретатор может быть способен выполнить инструкцию INC (инкремент) просто как есть, но инструкции, которые небезопасно выполнять напрямую, должны быть эмулированы интерпретатором. Например, нельзя разрешать гостевой операционной системе блокировать прерывания для всей машины или модифицировать отображения страниц в таблицах. Нужно применить прием, заставляющий операционную систему, посаженную поверх гипервизора, полагать, что она заблокировала прерывания или изменила отображение страниц на машине. Позже будет показано, как это делается. А сейчас хочется лишь сказать, что интерпретатор может быть безопасным и при тщательной реализации, возможно, даже высококачественным, но производительность его может оказаться не на высоте. Далее будет показано, что для того, чтобы соответствовать также критериям производительности, мониторы виртуальных машин (VMM) стараются выполнить основную часть кода непосредственным образом.

Теперь обратимся к точности. Виртуализация долгое время была проблемой для архитектуры x86 из-за дефектов в архитектуре Intel 386, которые упорно в течение 20 лет переносились на новые центральные процессоры во имя обратной совместимости. В двух словах, каждый центральный процессор с режимом ядра и пользовательским режимом имеет набор инструкций, ведущих себя по-разному в зависимости от того, в каком режиме они выполняются, в режиме ядра или в пользовательском режиме. В их число входят инструкции, осуществляющие ввод-вывод, изменяющие настройки блока управления памятью (MMU) и т. д. Попек и Голдберг назвали их служебными инструкциями (sensitive instructions), или инструкциями, чувствительными к виртуализации. Есть также набор инструкций, которые при выполнении в пользовательском режиме вызывают системные прерывания. Попек и Голдберг назвали их привилегированными инструкциями (privileged instructions). В статье этих специалистов впервые утверждалось, что машина может быть подвергнута виртуализации, только если служебные инструкции являются поднабором привилегированных инструкций. Проще говоря, при попытке сделать в пользовательском режиме то, что вы не должны делать в этом режиме, оборудование должно вызвать системное прерывание. В отличие от IBM/370, обладающей эти свойством, у Intel 386 его нет. При выполнении в пользовательском режиме будут проигнорированы или выполнены по-другому многие служебные инструкции 386-е машины. Например, инструкция POPF заменяет регистр флагов, который изменяет бит, благодаря которому блокируются и разблокируются прерывания. В пользовательском режиме этот бит просто не изменяется. Вследствие этого 386-е машины и их преемники не могли быть виртуализированы, следовательно, они не могли поддерживать гипервизор напрямую.

На самом деле ситуация была еще хуже, чем в этом кратком обзоре. Вдобавок к проблемам с инструкциями, которые, выполняясь в пользовательском режиме, вызывали системные прерывания, были еще и инструкции, которые могли считывать конфиденциальное состояние, не вызывая системных прерываний. Например, на процессорах x86 выпуска до 2005 года программа путем чтения селектора своего кодового сегмента могла определять, в каком режиме она выполняется, в пользовательском или в режиме ядра. Операционная система, выполнявшая такое действие и позволявшая обнаруживать, что она в данный момент находится в пользовательском режиме, могла на основе этой информации принимать неправильные решения.

Эта проблема была окончательно решена, когда в начале 2005 года Intel и AMD представили виртуализацию на своих центральных процессорах (Uhlig, 2005). На центральных процессорах Intel она называлась технологией виртуализации (Virtualization Technology (VT)), а на центральных процессорах AMD она называлась безопасной виртуальной машиной (Secure Virtual Machine (SVM)). Далее в общем смысле будет использоваться термин VT. Обе технологии были вдохновлены примером работы IBM VM/370, но при этом имеют от нее небольшие отличия. Основной замысел заключался в создании контейнеров, в которых могли бы запускаться виртуальные машины. При запуске в контейнере гостевой операционной системы она продолжает работать в нем, пока ею не будет вызвано исключение и не будет осуществлено системное прерывание в гипервизоре, например, при выполнении инструкции ввода-вывода.

Набор операций, вызывающих это системное прерывание, контролируется битовым массивом, устанавливаемым гипервизором. С таким расширением появилась возможность создания классической виртуальной машины, работающей по принципу вызова системного прерывания и эмуляции.

Дотошный читатель, наверное, заметил явное противоречие в предложенном до сих пор описании. С одной стороны, было сказано, что х86-машины не могли быть вир- туализированы вплоть до появления архитектурного расширения, представленного в 2005 году, а с другой — было сказано, что VMware запустила свой первый гипервизор на х86 в 1999 году. Как все это вместе может быть правдой? Ответ заключается в том, что гипервизоры до 2005 года фактически не запускали настоящие гостевые операционные системы. Вместо этого они переписывали часть кода на лету, заменяя проблемные инструкции безопасной кодовой последовательностью, эмулирующей исходную инструкцию. Предположим, к примеру, что гостевая операционная система выполняет привилегированную инструкцию ввода-вывода или модифицирует один из привилегированных управляющих регистров центрального процессора (например, регистр CR3, содержащий указатель на каталог страниц). Важно, чтобы последствия выполнения таких инструкций ограничивались данной виртуальной машиной и не оказывали влияния на другие виртуальные машины или на сам гипервизор. Таким образом, небезопасные инструкции ввода-вывода заменялись системным прерыванием, которое после проверки безопасности выполняло эквивалентную инструкцию и возвращало результат. Поскольку происходила перезапись, этим трюком можно было воспользоваться для замены инструкций, являвшихся служебными, но не входивших в число привилегированных. Все остальные инструкции выполнялись обычным порядком. Эта технология известна как двоичная трансляция и более подробно будет рассмотрена в разделе 7.4.

Переписывать абсолютно все служебные инструкции нет необходимости. В частности, пользовательские процессы на гостевой операционной системе могут, как правило, выполняться без модификации. Если инструкция не входит в число привилегированных, но относится к служебным и ведет себя в пользовательских процессах не так, как в процессах ядра, то все нормально. Она все равно запускается

в пользовательской среде. Что же касается служебных инструкций, входящих в состав привилегированных, то можно, как обычно, прибегнуть к классической схеме с системным прерыванием и эмуляцией. Разумеется, VMM должен обеспечить получение соответствующих системных прерываний. Обычно в VMM имеется модуль, выполняемый в ядре и перенаправляющий системные прерывания к своим собственным обработчикам.

Другая форма виртуализации известна как паравиртуализация. Она сильно отличается от полной виртуализации, поскольку никогда даже не стремится представить виртуальную машину, которая бы выглядела как настоящее основное оборудование. Вместо этого она представляет машиноподобный программный интерфейс, который явно раскрывает факт наличия виртуальной среды. Например, он предлагает набор гипервызовов (hypercall), позволяющих гостю отправлять явные запросы к гипервизору (во многом это похоже на то, как системный вызов предлагает службы ядра приложениям). Гостевые системы используют гипервызовы для привилегированных служебных операций, таких как обновление таблиц страниц, но поскольку они делают это явным образом во взаимодействии с гипервизором, в целом система может получаться проще и быстрее.

Наверное, то, что в паравиртуализации нет ничего нового, уже не вызовет у вас удивления. Разработанная IBM операционная система VM уже предлагала такую возможность, правда, под другим именем, еще с 1972 года. Идея была возрождена в мониторах виртуальных машин Denali (Whitaker et al., 2002) и Xen (Barham et al., 2003). По сравнению с полной виртуализацией, недостатком паравиртуализации является то, что гостевая система должна знать о существовании API виртуальной машины. Как правило, это означает, что она должна быть специально настроена под гипервизор.

Перед тем как еще больше углубиться в рассмотрение гипервизоров первого и второго типов, важно отметить, что не все технологии виртуализации пытаются обмануть гостевую систему, заставляя ее поверить в обладание всей системой. Иногда цель заключается в простом разрешении запуска процесса, изначально написанного для другой операционной системы и/или архитектуры. Поэтому нужно различать полную систему виртуализации и виртуализацию на уровне процесса. Хотя далее в главе основное внимание будет уделено первой из них, практикуется также и технология виртуализации на уровне процесса. К широко известным примерам можно отнести уровень совместимости WINE, который позволяет приложениям Windows запускаться на POSIX-совместимых системах, таких как Linux, BSD и OS X, и версию эмулятора QEMU на уровне процесса, которая позволяет приложениям для одной архитектуры выполняться на оборудовании с другой архитектурой.

7.3.

<< | >>
Источник: Э. ТАНЕНБАУМ Х. БОС. СОВРЕМЕННЫЕ ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМ Ы 4-е ИЗДАНИЕ. 2015

Еще по теме Требования, применяемые к виртуализации:

  1. Статья 786. Исковая давность, которая применяется к требованиям, вытекающим из договора аренды
  2. Статья 728. Исковая давность, которая применяется к требованиям о расторжении договора дарения
  3. Статья 863. Исковая давность, которая применяется к требованиям относительно ненадлежащего качества работы
  4. Статья 681. Исковая давность, которая применяется к требованиям в связи с недостатками проданного товара
  5. § 24 Замена одного требования другим противоположным (компенсация). – Основания сей замены и законные для нее условия. – Однородность требований. – Отношение их по количеству. – Действие несостоятельности на замену. – Требования несоизмеримые. – Необязательность замены.
  6. 4. Кондикционное требование и требование стороны в обязательстве о возврате исполненного
  7. 2. Кондикционное требование и требование о возврате исполненного по недействительной сделке
  8. § 5. Соотношение кондикционного требования с обязательствами возврата, а также с требованиями, составляющими содержание договорной ответственности (п. 2483—2485)
  9. ГЛАВА 14 Я ПРИМЕНЯЮ ТРЕТИЙ ГЛАЗ
  10. 2. Применяет оптимистическое (позитивное) мышление.
  11. Почему применяют неслучайный отбор?
  12. Как применять восемь секретов
  13. Как и когда применять приемы активного слушания.
  14. ТЕЛЕПСИХИКА УЧИТ ПРАВИЛЬНО ПРИМЕНЯТЬ ВЕРУ
  15. Статья 93. Лица, к которым применяются принудительные меры медицинского характера