X86-Virtualisierung: Unterschied zwischen den Versionen

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=Was ist x86-Virtualisierung?=
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= Was ist x86-Virtualisierung? =
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*hardware- und softwarebasierte Mechanismen zur Unterstützung der Virtualisierung für Prozessoren, die auf der x86-Architektur basieren.
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* Techniken zur parallelen Ausführung mehrerer Betriebssysteme auf x86-Prozessoren.
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*Unter Verwendung eines Hypervisors kann man mehrere Betriebssysteme parallel auf einem x86-Prozessor auszuführen
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* Ein Hypervisor ermöglicht die effiziente und isolierte Nutzung physischer Ressourcen.
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*Man kann die Ressourcen isoliert und effizient zwischen den parallel ausgeführten Betriebssystemen aufteilen.
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* Ziel: Gastbetriebssysteme bemerken keinen Unterschied zwischen virtueller und physischer Hardware.
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*Die (Gast-)Betriebssysteme sollten keinen Unterschied zwischen virtualisiertem und den Betrieb direkt auf der Hardware erkennen können.
 
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=VT Modell=
 
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{{#drawio:vt-ring}}
 
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== Vorstellung der Hauptkomponenten der modernen Virtualisierungsarchitektur ==
 
  
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=== VMX Root Operation (für den Hypervisor) ===
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= Grundlagen des VT-Modells =
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[[Datei:Vt-ring.drawio.png|zentriert]]
  
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====Der Hypervisor läuft in diesem Modus====
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== VMX Root-Modus (Hypervisor) ==
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* Der Hypervisor ist eine spezielle Software-Schicht, die direkt auf der Hardware läuft.
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* Der Hypervisor läuft direkt auf der Hardware.
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* In diesem Modus hat der Hypervisor die höchste Kontrollstufe über das System.
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* Volle Kontrolle über CPU, Speicher und Geräte.
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* Privilegierte Operationen werden uneingeschränkt ausgeführt.
  
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==== Vollständiger Zugriff auf die Hardware====
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== VMX Non-Root-Modus (Virtuelle Maschinen) ==
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** Der Hypervisor kann alle Hardware-Komponenten direkt ansprechen und kontrollieren, z.B. CPU, Speicher, Netzwerkschnittstellen.
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* Betriebssysteme laufen isoliert in virtuellen Maschinen.
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** Er verwaltet die Zuweisung dieser Ressourcen an die virtuellen Maschinen.
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* Operationen laufen überwiegend direkt auf der CPU (nahezu native Geschwindigkeit).
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* Kritische Operationen werden vom Hypervisor überwacht („Trap-and-Emulate“).
  
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====Ausführen privilegierter Befehle====
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= Funktionsweise verständlich erklärt =
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* Privilegierte Befehle sind solche, die spezielle Zugriffsrechte erfordern, wie z.B. Änderungen an den Systemeinstellungen oder direkten Hardwarezugriff.
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Stelle dir einen Rechner vor, auf dem mehrere Betriebssysteme gleichzeitig laufen:
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* Im Root-Modus kann der Hypervisor alle diese Befehle uneingeschränkt ausführen.
 
  
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=== VMX Non-Root Operation (für virtuelle Maschinen) ===
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== Hypervisor ==
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* Ist der zentrale „Manager“, kontrolliert alle Ressourcen.
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* Verteilt Hardware-Ressourcen an virtuelle Maschinen.
  
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==== Virtuelle Maschinen (VMs) laufen in diesem Modus====
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== Virtuelle Maschinen ==
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* Jede VM läuft in einer isolierten Umgebung im Non-Root-Modus.
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* Laufen isoliert, wie eigenständige physische Rechner.
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* VMs sind in der Lage, Betriebssysteme und Anwendungen so auszuführen, als würden sie auf einer eigenen, physischen Hardware laufen.
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* Arbeiten schnell und effizient, fühlen sich „echt“ an.
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* Können keine kritischen Hardware-Einstellungen direkt verändern, dies kontrolliert der Hypervisor.
  
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====Nahezu native Geschwindigkeit====
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= Softwarebasierte Virtualisierung (klassische Methode) =
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* Die meisten Operationen, die eine VM durchführt, laufen direkt auf der Hardware ab, was zu einer sehr hohen Ausführungsgeschwindigkeit führt.
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* Ohne spezielle Prozessorunterstützung.
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* Dadurch fühlen sich die Anwendungen in der VM an, als würden sie direkt auf der Hardware laufen.
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* Hypervisor kontrolliert Hardwarezugriff alleine.
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* Gastbetriebssysteme besitzen eingeschränkte Rechte und werden „deprivilegiert“ ausgeführt.
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* Hoher Aufwand durch häufiges Abfangen und Emulieren privilegierter Operationen.
  
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==== Abfangen und Emulieren privilegierter Befehle====
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= Modernes Privilegienmodell (VT-x/AMD-V) =
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* Wenn eine VM einen privilegierten Befehl ausführt, wird dieser Befehl vom Hypervisor abgefangen (Trap).
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== Historisches Modell (Protected Mode) ==
−
* Der Hypervisor überprüft und emuliert dann die Ausführung dieses Befehls, um sicherzustellen, dass er keine negativen Auswirkungen auf andere VMs oder das Host-System hat (Emulate).
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* Vier Schutzringe (Ringe 0 bis 3).
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* Betriebssystem läuft auf Ring 0 (höchste Privilegien).
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* Anwendungen laufen auf Ring 3 (geringste Privilegien).
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* Ring 1 und 2 kaum genutzt.
  
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== Visualisierung der Funktionsweise ==
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== Aktuelles VT-x/AMD-V-Modell ==
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* Spezielle Prozessorerweiterungen bieten zwei neue Betriebsmodi:
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** '''VMX Root-Modus''' („Ring -1“): Der Hypervisor besitzt absolute Kontrolle über Hardware.
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** '''VMX Non-Root-Modus''' („virtueller Ring 0“): Gastbetriebssystem läuft scheinbar auf höchster Ebene, tatsächlich jedoch eingeschränkt.
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* Anwendungen innerhalb der VM weiterhin auf Ring 3.
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* Weniger Emulation nötig, deutlich höhere Leistung als rein softwarebasierte Methoden.
  
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Stellen Sie sich einen modernen Computer vor, der mehrere Betriebssysteme gleichzeitig ausführt.
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= Hardwareerweiterungen =
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== Intel VT-x ==
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* Codename „Vanderpool“.
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* Hardware-unterstütztes „Trap-and-Emulate“-Verfahren.
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* Beschleunigung der Virtualisierung durch direkte Prozessorunterstützung.
  
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====Hypervisor (im Root-Modus)====
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== AMD-V ==
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* Er ist der „Manager“ des Systems, der darüber entscheidet, wie die Hardware-Ressourcen aufgeteilt werden.
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* Codename „Pacifica“.
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* Er hat die volle Kontrolle und kann alles ändern und verwalten.
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* Hardwarebasierte Unterstützung für effiziente Virtualisierung.
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* Vergleichbare Funktionsweise zu VT-x.
  
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====Virtuelle Maschinen (im Non-Root-Modus)====
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= Praxis-Beispiele =
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* Jede VM ist wie ein eigenständiger Computer, der auf der vom Hypervisor zugewiesenen Hardware läuft.
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* [[KVM]] (Kernel-based Virtual Machine, Linux)
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* Wenn die VM normale Aufgaben ausführt (z.B. eine Datei lesen), geschieht dies fast so schnell wie auf einem echten Computer.
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* VMware vSphere (ESXi)
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* Wenn die VM versucht, etwas Kritisches oder Gefährliches zu tun (z.B. den CPU-Zustand ändern), wird dies vom Hypervisor überprüft und sicher ausgeführt.
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* Microsoft Hyper-V
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* Citrix XenServer
  
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Diese Trennung stellt sicher, dass die VMs sicher und effizient laufen, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen, während der Hypervisor die volle Kontrolle über das Gesamtsystem behält.
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= Weiterführende Informationen =
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* [https://tuxthink.blogspot.com/2011/12/kvm-introduction.html Einführung in KVM (tuxthink)]
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=Softwarebasierte Virtualisierung=
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* [https://wiki.archlinux.org/title/KVM Arch Linux KVM Wiki]
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*Es darf nur dem Hypervisor direkter Zugriff auf die Prozessor-Hardware gewährt werden
 
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*Gastsysteme wie alle anderen Applikationen dürfen nur eingeschränkte Zugriffsrechte auf die Hardware haben.
 
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*Gastsysteme dürfen keine Speicherbereiche sehen bzw. ändern können, die der Hypervisor zur Verwaltung benötigt.
 
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=Protected Mode=
 
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*Es gibt vier verschiedene als Ringe bezeichnete Schutzebenen bzw. Befugnisstufen
 
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*Ablaufenden Codesegmenten wird unterschiedliche Rechte gewährt.
 
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*Im Protected Mode läuft der Betriebssystem-Kernel in einem höher privilegierten Modus, der als Ring 0 bezeichnet wird
 
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*Applikationen in einem weniger privilegierten Modus, in der Regel entweder Ring 1 oder Ring 3.
 
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*Hypervisor bzw. das Hostbetriebssystem werden aufgrund ihrer privilegierten Stellung bei der Ressourcenverwaltung mit Ring-0-Berechtigung ausgeführt.
 
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*Gastsysteme müssen, um den Schutz der Hypervisor-Ressourcen zu gewährleisten, folglich entweder auf Berechtigungslevel Ring 1 oder Ring 3 ausgeführt werden.
 
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=Prozessor Erweiterungen=
 
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==Intel-Virtualisierungstechnologie (VT-x)==
 
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* Codename „Vanderpool“, bietet Hardwareunterstützung für die Virtualisierung auf Intel-x86-Prozessoren.
 
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* Einführung der Modi „VMX Root Operation“ und „VMX non Root Operation“.
 
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* Hypervisor läuft im „VMX Root Operation“, VMs im „VMX non Root Operation“.
 
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* Implementierung des „trap-and-emulate“-Verfahrens löst das Problem der Deprivilegierung.
 
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==AMD-Virtualisierung (AMD-V)==
 
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* Codename „Pacifica“, bietet Hardwareunterstützung für die Virtualisierung auf AMD-Prozessoren.
 
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* Unterstützung für Ring Aliasing und Ring Deprivilegierung.
 
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=Links=
 
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*https://tuxthink.blogspot.com/2011/12/kvm-introduction.html
 

Version vom 3. Mai 2025, 07:24 Uhr

Was ist x86-Virtualisierung?

  • Techniken zur parallelen Ausführung mehrerer Betriebssysteme auf x86-Prozessoren.
  • Ein Hypervisor ermöglicht die effiziente und isolierte Nutzung physischer Ressourcen.
  • Ziel: Gastbetriebssysteme bemerken keinen Unterschied zwischen virtueller und physischer Hardware.

Grundlagen des VT-Modells

Vt-ring.drawio.png

VMX Root-Modus (Hypervisor)

  • Der Hypervisor läuft direkt auf der Hardware.
  • Volle Kontrolle über CPU, Speicher und Geräte.
  • Privilegierte Operationen werden uneingeschränkt ausgeführt.

VMX Non-Root-Modus (Virtuelle Maschinen)

  • Betriebssysteme laufen isoliert in virtuellen Maschinen.
  • Operationen laufen überwiegend direkt auf der CPU (nahezu native Geschwindigkeit).
  • Kritische Operationen werden vom Hypervisor überwacht („Trap-and-Emulate“).

Funktionsweise verständlich erklärt

Stelle dir einen Rechner vor, auf dem mehrere Betriebssysteme gleichzeitig laufen:

Hypervisor

  • Ist der zentrale „Manager“, kontrolliert alle Ressourcen.
  • Verteilt Hardware-Ressourcen an virtuelle Maschinen.

Virtuelle Maschinen

  • Laufen isoliert, wie eigenständige physische Rechner.
  • Arbeiten schnell und effizient, fühlen sich „echt“ an.
  • Können keine kritischen Hardware-Einstellungen direkt verändern, dies kontrolliert der Hypervisor.

Softwarebasierte Virtualisierung (klassische Methode)

  • Ohne spezielle Prozessorunterstützung.
  • Hypervisor kontrolliert Hardwarezugriff alleine.
  • Gastbetriebssysteme besitzen eingeschränkte Rechte und werden „deprivilegiert“ ausgeführt.
  • Hoher Aufwand durch häufiges Abfangen und Emulieren privilegierter Operationen.

Modernes Privilegienmodell (VT-x/AMD-V)

Historisches Modell (Protected Mode)

  • Vier Schutzringe (Ringe 0 bis 3).
  • Betriebssystem läuft auf Ring 0 (höchste Privilegien).
  • Anwendungen laufen auf Ring 3 (geringste Privilegien).
  • Ring 1 und 2 kaum genutzt.

Aktuelles VT-x/AMD-V-Modell

  • Spezielle Prozessorerweiterungen bieten zwei neue Betriebsmodi:
    • VMX Root-Modus („Ring -1“): Der Hypervisor besitzt absolute Kontrolle über Hardware.
    • VMX Non-Root-Modus („virtueller Ring 0“): Gastbetriebssystem läuft scheinbar auf höchster Ebene, tatsächlich jedoch eingeschränkt.
  • Anwendungen innerhalb der VM weiterhin auf Ring 3.
  • Weniger Emulation nötig, deutlich höhere Leistung als rein softwarebasierte Methoden.

Hardwareerweiterungen

Intel VT-x

  • Codename „Vanderpool“.
  • Hardware-unterstütztes „Trap-and-Emulate“-Verfahren.
  • Beschleunigung der Virtualisierung durch direkte Prozessorunterstützung.

AMD-V

  • Codename „Pacifica“.
  • Hardwarebasierte Unterstützung für effiziente Virtualisierung.
  • Vergleichbare Funktionsweise zu VT-x.

Praxis-Beispiele

  • KVM (Kernel-based Virtual Machine, Linux)
  • VMware vSphere (ESXi)
  • Microsoft Hyper-V
  • Citrix XenServer

Weiterführende Informationen

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