X86-Virtualisierung

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.

VT-x Ausführungs- und Privilegienmodell

Übersicht

Intel VT-x führt zwei grundlegende Betriebsmodi ein:

• VMX Root Mode: Hier läuft der Hypervisor (auch Virtual Machine Monitor, VMM). Dieser Modus besitzt die höchste Kontrolle über die Hardware.
• VMX Non-Root Mode: Hier laufen die virtuellen Maschinen (VMs) mit ihren Gastbetriebssystemen.

Ziel dieser Trennung ist es, Gastbetriebssysteme nahezu unverändert auszuführen, während der Hypervisor privilegierte Steuer- und Verwaltungsaufgaben übernimmt.

Architektur und Ablauf

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Dieses Bild zeigt die **Gesamtabfolge der Ausführungsebenen und Übergänge**:

• Unten befindet sich die CPU mit aktivierter VT-x Unterstützung.
• Der Hypervisor (VMM) läuft im VMX Root Mode. Er hat vollständigen Zugriff auf alle Ressourcen.
• Virtuelle Maschinen laufen im VMX Non-Root Mode. Jede VM enthält:
  • Ein Gastbetriebssystem (beispielsweise Windows oder Linux), das aus seiner Sicht im Ring 0 läuft.
  • Anwendungen, die innerhalb der VM im Ring 3 laufen.
• Die Kommunikation zwischen VMs und dem Hypervisor erfolgt über:
  • VM Entry: Wechsel von Hypervisor (VMX Root) in die VM (VMX Non-Root).
  • VM Exit: Rücksprung von der VM in den Hypervisor, z.B. bei privilegierten Befehlen.

Diese Darstellung zeigt die **technische Ablaufarchitektur und den Wechsel zwischen den Modi**.

Schutzringe innerhalb der Modi

Dieses Bild zeigt die **Privilegienebenen innerhalb der beiden Modi**:

VMX Root Mode

• Wird ausschließlich vom Hypervisor genutzt.
• Innerhalb dieses Modus könnte der Hypervisor prinzipiell die Schutzringe 0–3 verwenden, in der Praxis nutzt er jedoch Ring 0 für höchste Rechte.

VMX Non-Root Mode

• Wird von den virtuellen Maschinen genutzt.
• Innerhalb einer VM:
  • Das Gastbetriebssystem läuft im Ring 0 der VM.
  • Anwendungen laufen im Ring 3 der VM.
• Obwohl das Gastbetriebssystem glaubt, auf echter Hardware mit Ring-0-Rechten zu laufen, wird es durch die Virtualisierung eingeschränkt. Privilegierte Befehle führen zu einem VM Exit.

Diese Darstellung zeigt die **Privilegierung innerhalb der jeweiligen Betriebsmodi** und macht deutlich, dass der Gastkernel zwar im Ring 0 läuft, aber nicht auf der gleichen Ebene wie der Hypervisor im VMX Root Mode.

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

• Einführung in KVM (tuxthink)
• Arch Linux KVM Wiki