Instituto de Computação - Unicamp MO801 - Tópicos em Arquitetura e Hardware - Máquinas Virtuais Seminário

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1 Instituto de Computação - Unicamp MO801 - Tópicos em Arquitetura e Hardware - Máquinas Virtuais Seminário 06/Nov/2012 Anderson Soares Ferreira

2 Conteúdo Introdução Características gerais Arquitetura Tipos de domínios Virtualização de memória Virtualização de I/O Estudos de Casos

3 Introdução História Xen hypervisor foi desenvolvido como parte do projeto Xenoserver da Cambridge University no final da década de 90 O projeto tinha como objetivo construir uma infraestrutura de computação distribuída ampla (wide-area) Era mantido pela XenSource e se tornou open source em 2002 A primeira versão foi lançada em 2003 Em 2009, a Citrix adquire a XenSource, com essa aquisição é também constituído o Xen Project Advisory Board composto por Citrix, IBM, Intel, HP, Novel, Red Hat, Sun e Oracle

4 Introdução Importância Xen é um das mais bem sucedidas ferramentas de virtualização utilizadas na atualidade É utilizada como infraestrutura para ambientes de computação em nuvem da Amazon, Google, Fujitsu, Rackspace Também está presente em soluções comerciais de virtualização: HUAWEI UVP (Unified Virtualization Platform) Citrix XenServer Sun xvm/oraclevm

5 Introdução Versão atual 4.2 (set/2012) Suporta até 4096 CPUs e 512 vcpu por guest Até 5TB de memória Plataformas x86, x86-64, IA64, ARM, MIPS (em andamento) Guest Dom0 Linux, OpenSolaris, NetBSD DomU Linux, *BSD, OpenSolaris, MS Windows (HVM)

6 Características Básicas Virtualização Tipo 1 VMM é executado diretamente no hardware Arquitetura paravirtualizada O S.O. guest sabe da existência do hypervisor O kernel do S.O. é modificado para ser executado no Xen Guest solicita operações ao VMM através de Hypercalls Lightweight VMM É responsável pelo gerenciamento de memória e CPU

7 Arquitetura Tipos de Virtualização

8 Arquitetura Solução Xen Hypervisor - (Xen) CPU Gerenciamento de memória Gerenciamento de segurança Control Domain (Dom0) I/O drivers Xen management toolstack Guest OS (DomU)

9 Arquitetura Dom0 Ciclo de vida de Vms Create, reboot, pause, destroy, etc. Gerenciamento de imagens de disco Controle de dispositivos de I/O Utiliza conjunto de front-end e back-end drivers Fornece suporte a pilhas de gerenciamento XL, Xend e libvirt Gerenciamento de módulos e políticas de segurança (XSM) Qualquer outra pilha de gerenciamento que se possa imaginar!!

10 Arquitetura Paravirtualização Memória Segmentação Paginação CPU Proteção Exceções System calls Interrupções Não é possível instalar segmentos privilegiados nem sobrepor o topo da memória Guest tem acesso de leitura a tabela de páginas, atualizações são validadas pelo hypervisor Guest deve ser executado em um nível menos privilegiado que o hypervisor Guest registra uma tabela de descritores no VMM Guest pode instalar uma tratador rápido de syscalls, evitando o desvio para o Xen em cada chamada Substituído por um sistema leve de notificação de eventos I/O Tempo Rede, disco, etc Guest recebe duas interfaces de tempo, uma virtual e outra real Transferência de dados é feita através de anéis assíncronos de I/O

11 Tipos de Domínios Paravirtualizado (PV) Não é utilizado nenhum suporte de virtualização da CPU Hypercalls S.O. faz chamadas síncronas para o hypervisor (int 82h) Event notification handlers Guest registra callbacks para recebimento de notificações São usados em substituição à interrupções e comunicação com dispositivos

12 Tipos de Domínios Paravirtualizado (PV)

13 Tipos de Domínios Full Virtualization (HVM) Utiliza extensões de virtualização existentes na CPU Emulação de um sistema (máquina) completa Permite a execução de S.O. sem a necessidade de alterações no kernel Maior compatibilidade Utiliza o QEMU para emulação do modelo de dispositivos

14 Tipos de Domínios Full Virtualization (HVM)

15 Tipos de Domínios Soluções Híbridas PV on HVM Utiliza drivers parvirtualizados em um domínio HVM PV HVM Containers Combina a técnica de PV e virtualização assistida por hardware

16 Tipos de Domínios Soluções Híbridas

17 Virtualização de Memória Não existem shadow page tables As tabelas de páginas são registradas diretamente no MMU Hypervisor faz a validação das atualizações das páginas antes da ativação A memória de um domínio é alocada durante sua criação É possível especificar um valor mínimo e máximo de memória utilizada por um domínios O domínio pode solicitar mais memória através do driver de memória balloon

18 Virtualização de I/O Apenas Dom0 tem acesso aos dispositivos físicos DomU utiliza interfaces abstrata de dispositivos Virtual Network Interface (vif) Virtual Block Device (vbd) Virtual console (keyboard/mouse) Transferência de dados entre dispositivos baseiase em: Anéis de descritores Páginas de memória compartilhada

19 Virtualização de I/O Anéis de descritores

20 Virtualização de I/O DomU guests também podem acessar dispositivos de I/O diretamente Xen utiliza PCI passthrough para direcionar dispositivos para domínios específicos Xen restringe acesso aos dispositivos direcionados ao domínio Também controla o acesso a memória mapeada para o dispositivo

21 Performance Linux (L) - Xen (X) - VMWare (V) User-Mode Linux (U)

22 Performance Processes time in µs Context switching time in µs

23 Performance File & VM system latencies in µs Bandwidth in Mb/s

24 Estudos de Caso Xen on ARM Projeto coordenado pela Samsung Objetivo era levar o Xen para plataformas mobile Principal desafios: Proteção do espaço de memória VMM, S.O. e processos Troca de contexto Cache de memória

25 Estudos de Caso Xen on ARM Isolamento entre o Xen e o S.O. S.O. solicita a alocação de páginas de memória via hypercalls Xen valida a atualização antes de sua ativação Isolamento entre S.O. e processos Utiliza do mecanismo de proteção de domínios Xen utiliza os domínios D0, D1 e D2 Utiliza três níveis de acesso As permissões são definidas através do Domain Access Control Register (DACR)

26 Estudos de Caso Xen on ARM Isolamento entre S.O. e processos: D0 D1 D2 Processo no access no access client OS client client client Xen manager manager manager

27 Estudos de Caso Xen on ARM Troca de contexto: Xen é executado em modo supervisor S.O. e processos são executados em modo usuário O modo usuário é logicamente dividido em dois modos S 2 : User mode User Supervisor S 1 : Kernel mode S 0 : VMM mode

28 Estudos de Caso Xen on ARM Cache de memória VMM, S.O. e processos utilizam espaços de memória não sobrepostos Não há necessidade de flush da cache durante a troca de contexto em um mesmo domínio Xen utiliza entradas especiais (lockdown) da TLB para mapear seu espaço de memória Reduz o overhead durante a troca de contexto entre domínios

29 Estudos de Caso Xen on ARM Testes de performance Processador ARM 926EJ-S 266Mhz 64 MB RAM / 32 Mb Flash

30 Estudos de Caso Xen on ARM Performance Troca de Contexto

31 Estudos de Caso MagiXen Projeto desenvolvido pela HP Labs Utilização de Xen guests IA32 em plataformas IA64 Emprega tradução de binários utilizando o IA32-EL Principal desafios: Emular o conjunto de APIs do Xen (hypercalls) Utilizar um tradutor de código fechado Utilizar uma versão inalterada do Xen IA64

32 Estudos de Caso MagiXen Projeto desenvolvido pela HP Labs Utilização de VMs Xen IA32 em plataformas IA64 Emprega tradução de binários utilizando o IA32-EL Principal desafios: Emular o conjunto de APIs do Xen (hypercalls) Utilizar um tradutor de código fechado Utilizar uma versão inalterada do Xen IA64

33 Estudos de Caso MagiXen MagiXen Architecture

34 Estudos de Caso MagiXen Camada entre o VMM e o S.O. Controla as interrupções e exceções Configura o ambiente IA32 inicial (registradores, memória, etc) Faz a passagem das chamadas a hypercalls entre o S.O. e o Xen Gerencia a comunição entre o domínio e dispositivos de I/O Faz o controle do módulo de tradução

35 Estudos de Caso MagiXen Camada entre o VMM e o S.O. Controla as interrupções e exceções Emula a tabela de páginas da arquitetura IA32 Configura o ambiente IA32 inicial (registradores, memória, etc.) Faz a passagem das chamadas a hypercalls entre o S.O. e o Xen Gerencia a comunição entre o domínio e dispositivos de I/O Faz o controle do módulo de tradução

36 Estudos de Caso MagiXen - Performance Approximate costs for common operations

37 Estudos de Caso MagiXen - Performance

38 Estudos de Caso MagiXen - Performance

39 Referências Xen and the art of virtualization - Paul Barham, Boris Dragovic, Keir Fraser, Steven Hand, Tim Harris, Alex Ho, Rolf Neugebauer, Ian Pratt, Andrew Warfield. Published at ACM SOSP Available at Xen on ARM: System Virtualization using XenHypervisor for ARM-based Secure Mobile Phones - Joo-Young Hwang, Sang-Bum Suh, Sung-Kwan Heo, Chan-Ju Park, Jae-Min Ryu, Seong-Yeol Park, Chul-Ryun Kim. Published at IEEE CCNC Avaiable at MagiXen: Combining Binary Translation and Virtualization - Matthew Chapman, Daniel J. Magenheimer, Parthasarathy Ranganathan. HP Labs Technical Report HPL Available at Safe Hardware Access with the Xen Virtual Machine Monitor - Keir Fraser, Steven Hand, Rolf Neugebauer, Ian Pratt, Andrew Warfield, Mark Williamson. Published at OASIS ASPLOS 2004 Workshop. Available at Xen Documentation URL: Xen Wiki Website URL:

40 That's all folks!

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