Virtualisierungstechnologien

Inhalt

Einsatz virtueller Systemumgebungen (System VMs) hat vor allem bei den Serversystemen in den letzten Jahren wieder zugenommen. Mit steigender Leistung der Prozessoren sind mittlerweile auch sehr kostengünstige Maschinen prinzipiell in der Lage, mehrere vollständige Betriebssysteminstanzen (Gastsysteme) als eine Form virtueller Maschinen (VMs) auf einem einzigen Rechner gleichzeitig zu betreiben. Aus Sicht der Benutzer, respektive auf Gastsystemen laufender Prozesse, ist dieser Umstand praktisch transparent.

Derzeit noch weiter verbreitet sind Process VMs. Neben allgegenwärtigen Verfahren wie präemptivem Multitasking spielen hier insbesondere High-Level-Language VMs wie Sun Java oder Microsoft .net eine Rolle, die mittels dynamischer Übersetzung portabilität über Plattformgrenzen hinweg sichern.

Ansätze und Varianten virtueller Plattformen sind praktisch so vielfältig die Systemschnitte in modernen Informationssystemen. Prinzipiell gibt es rein hard- und rein softwarebasierte, oder aber hybride Systeme, die beide Ansätze verbinden.

Die Seminarthemen decken einen möglichst breiten Anteil der wichtigsten Virtualisierungstechnologien ab:

Process VMs

• Real Machines: Multitasking und -programming
• Emulation
• Dynamische Übersetzung
• High-Level Language (HLL) VMs
• Binäre Optimierung

System VMs

• Same-ISA VM Monitore
• Paravirtualisierung
• Hypervisors: Partitionierung in Multiprozessorsystemen
• Whole-System-VMs: Emulatoren
• Hardware-Optimierung: Processor Codesign

Themen

Die folgende Themenliste ist bis auf weiteres im Aufbau befindlich. Teile werden noch überarbeitet. Weitere Themen werden bis zum Vorbesprechungstermin noch eingefügt. Wer eine bestimmte Software oder bestimmte Konzepte kennt oder vermisst, kann auch gerne Vorschläge an mich schicken. Die Reihenfolge entspricht noch nicht immer der zu erwartenden Reihenfolge der Vortragstermine.

Hintergrund

Allen Varianten ist gemein, daß Gastsysteme in voller Isolation ausgeführt werden. Weder auftretende Fehler noch erhöhter Resourcenbedarf im einen Gastsystem sollten die Funktion eines anderen beeinträchtigen. Der Gedanke eines Betriebsystems als Gastsystem auf einer virtuellen Abstraktionsschicht ist leicht vergleichbar mit dem Prozessmodell unter Betriebssytemen mit präemptivem Multitasking.

Tatsächlich ist bereits die Laufzeitumgebung eines Prozesses auf einer Workstation nichts anderes als eine virtuelle Maschine. Reine Process VMs, wie die Java VM oder der Microsoft .net zugrunde liegende intermediate layer ergänzen diesen Gedanken um plattformneutralen Bytecode als Befehlssatz. Mit durchgehender Objektorientierung bis in den Zwischencode bieten sie außerdem deutlich verbesserte Unterstützung für moderne Methoden der Softwaretechnik.

Durch Einsatz virtualisierter Plattformschnittstellen in Hardware, in ihrer binärform (ABIs), können damit über Jahrzehnte und eine entsprechende Anzahl von Prozessorgenerationen hinweg gepflegt werden, ohne Kompatibilität zu Vorversion einzubüßen und kostspielige und riskante Anpassungen an der Anwendung zu erfordern. Ein bekanntes Beispiel sind kostspielige Mainframe wie die IBM zSeries. Sie sind teuer, unterstützen aber dafür Teilung aller Hardwareresourcen, wie zum Beispiel auch von I/O Subsystemen, in virtuelle Partitionen. Die Vorteile sind hohe Skalierbarkeit, leichtere Konsolidierung von Einzelsystemen, geringe Wartungskosten und, bei entsprechend aufwändiger Systemarchitektur, eine erheblich höhere Ausfallsicherheit bei mit der Verfügbarkeit moderner Fertigungstechnologien trotzdem wachsender Performance.

Dazwischen liegen sogenannte codesigned VMs. Das sind Prozessoren, deren Schnittstelle nicht als Zielplattform für die Anwendungsentwicklung mit Hilfe eines Compilers entworfen wurde, sondern lediglich Basis einer vollständig oder teilweise virtualisierten ISA ist. Deren Umsetzung kann im Extremfall vollständig in Software implementiert werden. Ein prominentes Beispiel für eine reine Software-ISA sind die Crusoe- und Efficeon-Prozessorfamilien von Transmeta, auf denen ein sogenannter Code-Morphing Layer x86-Instruktionen zur Laufzeit auf einen VLIW-orientierten Befehlssatz übersetzt.

Im Kontrast zu den hardwarebasierten Lösungen stehen zunächst reine Software-Monitore, die schon auf Commodity-Hardware wie IA32- oder AMD-Prozessoren brauchbare Ergebnisse liefern. Die Mehrheit davon sind sogenannte System-VMs, d.h. vollständige Betriebsysteme in Kombination mit der darauf aufbauenden Benutzersoftware. Reine Plattformemulationen, z.B. Bochs oder VirtualPC von Connectix (mittlerweile Microsoft) emulieren im Bedarfsfall gleich den gesamten Befehlssatz, allerdings bei entsprechendem Resourcenbedarf.

Deutlich effizientere System VMs emulieren lediglich privilegierte Operationen und erlauben damit bereits den Betrieb weitgehend unmodifizierter Systemsoftware. Sie setzen im Gegensatz zur Emulation allerdings zunächst voraus, daß der eingesetzte Code auf der zugrunde liegenden Hardwarearchitektur lauffähig ist. Gastsystemen werden dabei keine, oder nur unkritische privilegierte Operationen zugestanden – die Vergabe der Betriebsmittel erfolgt in erster Linie durch das VM-System und erst in zweiter Instanz durch das Gastsystem.

Paravirtuelle System-VMs wie a Xen abstrahieren alle Hardwareschnittstellen in Software und werden damit effizienter, setzen aber eine Portierung des Betriebssystems voraus. Der Ansatz funktioniert auch für hosted System-VMs: User Mode Linux (UML) ist eine Portierung des Linux Kernels auf sich selbst, d.h. ein Linux-Kernel wiederum auf dem Linux-ABI. Der UML-Kern läuft damit als regulärer Benutzerprozeß auf dem Host-Betriebsystem.

Alternative, aber auch deutlich komplexere Methoden erlauben den Betrieb von zunächst unmodifiziertem Code. Sie erschließen damit einen breiteren Anwendungsbereich, allerdings auch bei entsprechendem Aufwand: Bekannte Virtualisierungspakete wie VMWare modifizieren dynamisch Teile des Gastsystems um die damit einhergehenden Perfomancenachteile zu minimieren.

Während deren Transparenz auf Prozessoren, die ursprünglich für den klassischen Desktop- und Workstationbestrieb entwickelt wurden, z.B. der x86-Architektur, Grenzen gesetzt sind, hat Intel hat im Rahmen seiner Vanderpool-Initiative bereits entsprechende Spezifikationen für die IA32-Architektur vorgestellt. Aktuelle Prozessorgeneration bieten damit breitere Virtualisierungsunterstützung in Prozessor- und Systemarchitektur. AMD entwickelt derzeit unter der Bezeichnung Pacifica eine vergleichbare Technik.

Anforderungen

Literatur

James E. Smith and Ravi Nair, Virtual Machines: Versatile Platforms for Systems and Processes, Morgan Kaufmann Publishers, San Francisco, CA, USA, 2005, ISBN 1-55860-910-5

More to come...