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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= VT-x Ausführungs- und Privilegienmodell =
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{{#drawio:vt-ring}}
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== Vorstellung der Hauptkomponenten der modernen Virtualisierungsarchitektur ==
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== Übersicht ==
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Intel VT-x führt zwei grundlegende Betriebsmodi ein:
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* '''VMX Root Mode''': Hier läuft der Hypervisor (auch Virtual Machine Monitor, VMM). Dieser Modus besitzt die höchste Kontrolle über die Hardware.
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* '''VMX Non-Root Mode''': Hier laufen die virtuellen Maschinen (VMs) mit ihren Gastbetriebssystemen.
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Ziel dieser Trennung ist es, Gastbetriebssysteme nahezu unverändert auszuführen, während der Hypervisor privilegierte Steuer- und Verwaltungsaufgaben übernimmt.
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== Architektur und Ablauf ==
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{{#drawio:Ausführungsebenen}}
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Dieses Bild zeigt die '''Gesamtabfolge der Ausführungsebenen und Übergänge''':
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* Unten befindet sich die CPU mit aktivierter VT-x Unterstützung.
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* Der Hypervisor (VMM) läuft im '''VMX Root Mode'''. Er hat vollständigen Zugriff auf alle Ressourcen.
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* Virtuelle Maschinen laufen im '''VMX Non-Root Mode'''. Jede VM enthält:
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** Ein Gastbetriebssystem (beispielsweise Windows oder Linux), das aus seiner Sicht im Ring 0 läuft.
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** Anwendungen, die innerhalb der VM im Ring 3 laufen.
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* Die Kommunikation zwischen VMs und dem Hypervisor erfolgt über:
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** '''VM Entry''': Wechsel von Hypervisor (VMX Root) in die VM (VMX Non-Root).
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** '''VM Exit''': Rücksprung von der VM in den Hypervisor, z.B. bei privilegierten Befehlen.
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Diese Darstellung zeigt die '''technische Ablaufarchitektur und den Wechsel zwischen den Modi'''.
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== Komponenten im VMX Root Mode (Details zur Architektur) ==
  
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=== VMX Root Operation (für den Hypervisor) ===
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=== VMCS (Virtual Machine Control Structure) ===
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* Spezielle Datenstruktur für jede VM, die ihren Zustand verwaltet.
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* Enthält:
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** Gastzustand (Register, Speicherverwaltung)
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** Hostzustand (für VM Exit)
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** Steuerinformationen (VM Exit Ursachen)
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* Aktiv genutzt bei jedem VM Entry und Exit.
  
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====Der Hypervisor läuft in diesem Modus====
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=== H/W VM Control Structure (VMCS) ===
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* Der Hypervisor ist eine spezielle Software-Schicht, die direkt auf der Hardware läuft.
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* Physischer Speicherbereich in der CPU für die VMCS.
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* In diesem Modus hat der Hypervisor die höchste Kontrollstufe über das System.
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* Ermöglicht schnellen Wechsel zwischen Hypervisor und VM.
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* Minimiert die Umschaltzeit zwischen Root und Non-Root Modus.
  
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==== Vollständiger Zugriff auf die Hardware====
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=== Memory and I/O Virtualization ===
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** Der Hypervisor kann alle Hardware-Komponenten direkt ansprechen und kontrollieren, z.B. CPU, Speicher, Netzwerkschnittstellen.
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* Bestandteil des Hypervisors im Root Mode.
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** Er verwaltet die Zuweisung dieser Ressourcen an die virtuellen Maschinen.
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* Aufgaben:
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** Speicherisolation zwischen VMs.
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** Adressübersetzung (Second Level Address Translation, z.B. EPT).
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** Emulation oder Weiterleitung von I/O-Zugriffen.
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* Schutz vor unerlaubtem Zugriff der VMs untereinander und auf den Hypervisor.
  
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====Ausführen privilegierter Befehle====
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== Schutzringe innerhalb der Modi ==
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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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{{#drawio:vt-ring}}
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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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Dieses Bild zeigt die '''Privilegienebenen innerhalb der beiden Modi''':
  
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==== Virtuelle Maschinen (VMs) laufen in diesem Modus====
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=== VMX Root Mode ===
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* Jede VM läuft in einer isolierten Umgebung im Non-Root-Modus.
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* Wird vom Hypervisor genutzt.
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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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* Innerhalb des Root Modes könnte der Hypervisor theoretisch die Ringe 0–3 verwenden, nutzt aber faktisch Ring 0.
  
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====Nahezu native Geschwindigkeit====
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=== VMX Non-Root Mode ===
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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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* Wird von den virtuellen Maschinen genutzt.
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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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* Gastbetriebssystem läuft im '''Ring 0''' innerhalb der VM.
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* Anwendungen laufen im '''Ring 3''' innerhalb der VM.
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* Kritische Operationen führen zu einem '''VM Exit'''.
  
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==== Abfangen und Emulieren privilegierter Befehle====
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Diese Darstellung zeigt die Trennung der Privilegienstufen zwischen Hypervisor und Gastbetriebssystemen.
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* Wenn eine VM einen privilegierten Befehl ausführt, wird dieser Befehl vom Hypervisor abgefangen (Trap).
 
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* 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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== Visualisierung der Funktionsweise ==
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= Funktionsweise verständlich erklärt =
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Stelle dir einen Rechner vor, auf dem mehrere Betriebssysteme gleichzeitig laufen:
  
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Stellen Sie sich einen modernen Computer vor, der mehrere Betriebssysteme gleichzeitig ausführt.
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== Hypervisor ==
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* Zentrale Steuerinstanz, die alle Ressourcen kontrolliert.
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* Zuweisung von CPU, Speicher und Geräten an VMs.
  
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====Hypervisor (im Root-Modus)====
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== Virtuelle Maschinen ==
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* Er ist der „Manager“ des Systems, der darüber entscheidet, wie die Hardware-Ressourcen aufgeteilt werden.
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* Laufen isoliert wie eigenständige physische Rechner.
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* Er hat die volle Kontrolle und kann alles ändern und verwalten.
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* Führen Gastbetriebssysteme und Anwendungen aus.
 +
* Zugriff auf kritische Ressourcen wird vom Hypervisor gesteuert.
  
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====Virtuelle Maschinen (im Non-Root-Modus)====
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= Softwarebasierte Virtualisierung (klassische Methode) =
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* Jede VM ist wie ein eigenständiger Computer, der auf der vom Hypervisor zugewiesenen Hardware läuft.
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* Keine spezielle Prozessorunterstützung.
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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.
+
* Hypervisor kontrolliert Hardwarezugriff direkt.
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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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* Gastbetriebssysteme laufen deprivilegiert.
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* Höherer Overhead durch häufiges Abfangen von Befehlen.
  
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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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= Modernes Privilegienmodell (VT-x/AMD-V) =
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== Historisches Modell (Protected Mode) ==
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* Vier Schutzringe (Ring 0–3).
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* Betriebssystem läuft auf Ring 0.
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* Anwendungen laufen auf Ring 3.
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* Ringe 1 und 2 wurden selten genutzt.
  
−
=Softwarebasierte Virtualisierung=
+
== Aktuelles VT-x/AMD-V-Modell ==
−
*Es darf nur dem Hypervisor direkter Zugriff auf die Prozessor-Hardware gewährt werden
+
* Zwei Betriebsmodi durch Prozessorerweiterungen:
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*Gastsysteme wie alle anderen Applikationen dürfen nur eingeschränkte Zugriffsrechte auf die Hardware haben.
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** '''VMX Root Mode''' („Ring -1“): Hypervisor mit voller Kontrolle.
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*Gastsysteme dürfen keine Speicherbereiche sehen bzw. ändern können, die der Hypervisor zur Verwaltung benötigt.
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** '''VMX Non-Root Mode''' („virtueller Ring 0“): Gastbetriebssystem eingeschränkt.
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* Anwendungen innerhalb der VM bleiben in Ring 3.
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* Deutlich geringerer Overhead und höhere Effizienz.
  
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=Protected Mode=
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= Hardwareerweiterungen =
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*Es gibt vier verschiedene als Ringe bezeichnete Schutzebenen bzw. Befugnisstufen
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== Intel VT-x ==
−
*Ablaufenden Codesegmenten wird unterschiedliche Rechte gewährt.
+
* Codename „Vanderpool“.
−
*Im Protected Mode läuft der Betriebssystem-Kernel in einem höher privilegierten Modus, der als Ring 0 bezeichnet wird
+
* Einführung des VMX Root/Non-Root Modes.
−
*Applikationen in einem weniger privilegierten Modus, in der Regel entweder Ring 1 oder Ring 3.
+
* Unterstützung von „Trap-and-Emulate“ für privilegierte Befehle.
−
*Hypervisor bzw. das Hostbetriebssystem werden aufgrund ihrer privilegierten Stellung bei der Ressourcenverwaltung mit Ring-0-Berechtigung ausgeführt.
 
−
*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.
 
−
* 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.
 
  
−
==AMD-Virtualisierung (AMD-V)==
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== AMD-V ==
−
* Codename „Pacifica“, bietet Hardwareunterstützung für die Virtualisierung auf AMD-Prozessoren.
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* Codename „Pacifica“.
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* Unterstützung für Ring Aliasing und Ring Deprivilegierung.
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* Vergleichbare Technik zu VT-x.
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* Unterstützung für Ring Aliasing und effizientere Virtualisierung.
  
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= Praxis-Beispiele =
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* [[KVM]] (Kernel-based Virtual Machine, Linux)
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* VMware vSphere (ESXi)
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* Microsoft Hyper-V
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* Citrix XenServer
  
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=Links=
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= Weiterführende Informationen =
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*https://tuxthink.blogspot.com/2011/12/kvm-introduction.html
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* [https://tuxthink.blogspot.com/2011/12/kvm-introduction.html Einführung in KVM (tuxthink)]
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* [https://wiki.archlinux.org/title/KVM Arch Linux KVM Wiki]
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==Präsentation==
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*https://hedgedoc.xinux.net/p/sC9T6-hrS#/
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[[Kategorie:Virtualisierung]]

Aktuelle Version vom 5. Mai 2025, 05:13 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.

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

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.

Komponenten im VMX Root Mode (Details zur Architektur)

VMCS (Virtual Machine Control Structure)

  • Spezielle Datenstruktur für jede VM, die ihren Zustand verwaltet.
  • Enthält:
    • Gastzustand (Register, Speicherverwaltung)
    • Hostzustand (für VM Exit)
    • Steuerinformationen (VM Exit Ursachen)
  • Aktiv genutzt bei jedem VM Entry und Exit.

H/W VM Control Structure (VMCS)

  • Physischer Speicherbereich in der CPU für die VMCS.
  • Ermöglicht schnellen Wechsel zwischen Hypervisor und VM.
  • Minimiert die Umschaltzeit zwischen Root und Non-Root Modus.

Memory and I/O Virtualization

  • Bestandteil des Hypervisors im Root Mode.
  • Aufgaben:
    • Speicherisolation zwischen VMs.
    • Adressübersetzung (Second Level Address Translation, z.B. EPT).
    • Emulation oder Weiterleitung von I/O-Zugriffen.
  • Schutz vor unerlaubtem Zugriff der VMs untereinander und auf den Hypervisor.

Schutzringe innerhalb der Modi

Dieses Bild zeigt die Privilegienebenen innerhalb der beiden Modi:

VMX Root Mode

  • Wird vom Hypervisor genutzt.
  • Innerhalb des Root Modes könnte der Hypervisor theoretisch die Ringe 0–3 verwenden, nutzt aber faktisch Ring 0.

VMX Non-Root Mode

  • Wird von den virtuellen Maschinen genutzt.
  • Gastbetriebssystem läuft im Ring 0 innerhalb der VM.
  • Anwendungen laufen im Ring 3 innerhalb der VM.
  • Kritische Operationen führen zu einem VM Exit.

Diese Darstellung zeigt die Trennung der Privilegienstufen zwischen Hypervisor und Gastbetriebssystemen.

Funktionsweise verständlich erklärt

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

Hypervisor

  • Zentrale Steuerinstanz, die alle Ressourcen kontrolliert.
  • Zuweisung von CPU, Speicher und Geräten an VMs.

Virtuelle Maschinen

  • Laufen isoliert wie eigenständige physische Rechner.
  • Führen Gastbetriebssysteme und Anwendungen aus.
  • Zugriff auf kritische Ressourcen wird vom Hypervisor gesteuert.

Softwarebasierte Virtualisierung (klassische Methode)

  • Keine spezielle Prozessorunterstützung.
  • Hypervisor kontrolliert Hardwarezugriff direkt.
  • Gastbetriebssysteme laufen deprivilegiert.
  • Höherer Overhead durch häufiges Abfangen von Befehlen.

Modernes Privilegienmodell (VT-x/AMD-V)

Historisches Modell (Protected Mode)

  • Vier Schutzringe (Ring 0–3).
  • Betriebssystem läuft auf Ring 0.
  • Anwendungen laufen auf Ring 3.
  • Ringe 1 und 2 wurden selten genutzt.

Aktuelles VT-x/AMD-V-Modell

  • Zwei Betriebsmodi durch Prozessorerweiterungen:
    • VMX Root Mode („Ring -1“): Hypervisor mit voller Kontrolle.
    • VMX Non-Root Mode („virtueller Ring 0“): Gastbetriebssystem eingeschränkt.
  • Anwendungen innerhalb der VM bleiben in Ring 3.
  • Deutlich geringerer Overhead und höhere Effizienz.

Hardwareerweiterungen

Intel VT-x

  • Codename „Vanderpool“.
  • Einführung des VMX Root/Non-Root Modes.
  • Unterstützung von „Trap-and-Emulate“ für privilegierte Befehle.

AMD-V

  • Codename „Pacifica“.
  • Vergleichbare Technik zu VT-x.
  • Unterstützung für Ring Aliasing und effizientere Virtualisierung.

Praxis-Beispiele

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

Weiterführende Informationen

Präsentation

Abgerufen von „http://wiki.ixheim.de/index.php?title=X86-Virtualisierung&oldid=62432“