X86-Virtualisierung

Was ist x86-Virtualisierung?

• hardware- und softwarebasierte Mechanismen zur Unterstützung der Virtualisierung für Prozessoren, die auf der x86-Architektur basieren.
• Unter Verwendung eines Hypervisors kann man mehrere Betriebssysteme parallel auf einem x86-Prozessor auszuführen
• Man kann die Ressourcen isoliert und effizient zwischen den parallel ausgeführten Betriebssystemen aufteilen.
• Die (Gast-)Betriebssysteme sollten keinen Unterschied zwischen virtualisiertem und den Betrieb direkt auf der Hardware erkennen können.

Ring Model

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Softwarebasierte Virtualisierung

• Es darf nur dem Hypervisor direkter Zugriff auf die Prozessor-Hardware gewährt werden
• Gastsysteme wie alle anderen Applikationen dürfen nur eingeschränkte Zugriffsrechte auf die Hardware haben.
• Gastsysteme dürfen keine Speicherbereiche sehen bzw. ändern können, die der Hypervisor zur Verwaltung benötigt.

Protected Mode

• Es gibt vier verschiedene als Ringe bezeichnete Schutzebenen bzw. Befugnisstufen
• Ablaufenden Codesegmenten wird unterschiedliche Rechte gewährt.
• Im Protected Mode läuft der Betriebssystem-Kernel in einem höher privilegierten Modus, der als Ring 0 bezeichnet wird
• Applikationen in einem weniger privilegierten Modus, in der Regel entweder Ring 1 oder Ring 3.
• 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.

Deprivilegierung Da Betriebssysteme für die x86-Architektur (die als Gastsystem keinen Unterschied zwischen virtualisiertem Betrieb und Betrieb direkt auf der Hardware sehen dürfen) so implementiert sind, dass sie von der Ring-0-Berechtigung ausgehen und auch nur dann korrekt funktionieren, muss die Virtualisierungslösung zwei Features implementieren, nämlich Ring-Deprivilegierung und Ring Aliasing:

Die Ring-Deprivilegierung sorgt dafür, dass das Gastsystem alle Befehle so ausführen kann, als hätte es Ring-0-Berechtigungen auf der Hardware, obwohl es durch die Virtualisierung weniger privilegierte Berechtigungen hat. Das Ring Aliasing sorgt dafür, dass das Gastsystem, wenn es eine Aktion ausführt, immer die Antwort erhält, die es erhalten würde, wenn der Befehl mit Ring-0-Berechtigungen ausgeführt worden wäre. Beispielsweise existiert ein Befehl zur Abfrage des Privilegierungslevels, der mit allen Berechtigungsleveln aufgerufen werden darf. Würde ein Gastsystem diesen Befehl ohne Ring Aliasing aufrufen, würde es Ring 1 oder 3 als Antwort erhalten, mit Ring Aliasing erhält es Ring 0.[2]