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.

Grundlagen des VT-Modells

VMX Root-Modus (Hypervisor)

• Der Hypervisor läuft im VMX Root-Modus (auch „Ring -1“ genannt).
• Er hat die höchste Kontrollstufe und überwacht alle virtuellen Maschinen.
• Er besitzt exklusiven Zugriff auf CPU, Speicher und Geräte und teilt diese den virtuellen Maschinen zu.
• Privilegierte Operationen der Gastbetriebssysteme werden hierher weitergeleitet und ggf. emuliert.

VMX Non-Root-Modus (Virtuelle Maschinen)

• Gastbetriebssysteme laufen isoliert in virtuellen Maschinen im VMX Non-Root-Modus.
• Sie verhalten sich, als würden sie direkt auf der Hardware laufen (nahezu native Geschwindigkeit).
• Kritische Operationen (z.B. Zugriff auf Hardware) werden vom Hypervisor abgefangen und geprüft („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

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