Les 11: systeemarchitectuur virtuele machines

Transcriptie

1 Les 11: systeemarchitectuur virtuele machines Geavanceerde computerarchitectuur Lieven Eeckhout Academiejaar Universiteit Gent

2 Virtuele machines Motivatie Interfaces Virtualisatie: inleiding Types VMs Proces VMs Systeem VMs Taxonomie 2

3 Motivatie Abstractieniveaus (interfaces) vereenvoudigen het ontwerp van complexe systemen B.v. ISA, bestandsysteem, interface naar besturingssysteem, enz. Maakt ook mogelijk om zonder problemen een bepaald onderdeel van systeem te vervangen Maar ook nadelen: overdraagbaarheid (portability) 3

4 Interfaces 1 3 gebruikerstoepassing 2 bibliotheken 3 besturingssysteem software drivers geheugenmanager scheduler ISA uitvoeringshardware bus adresvertaling 12 hardware controllers controllers I/O en netwerk hoofdgeheugen 4

5 Belangrijke interfaces Instructieset-architectuur (ISA) Interface 7: user ISA Interface 8: user ISA + system ISA Application binary interface (ABI) Interface 7: user ISA Interface 3: system call interface Application program interface (API) Interfaces 2 en 7 Typisch op niveau van hoog-niveau programmeertaal via bibliotheken API oproep vertalen naar system calls (op ABI-niveau) 5

6 Wat is een machine? Afhankelijk van perspectief Voor een gebruikersproces Gebruikershardware + besturingssysteem is de machine ABI is de interface Voor een besturingssysteem Hardware is de machine ISA is de interface 6

7 Virtuele machine Is een combinatie van echte hardware en virtualisatiesoftware Voert software op dezelfde manier uit als de machine waarvoor de software ontwikkeld werd Het doel is (meestal) niet gelijkaardige prestatie maar wel overdraagbaarheid 7

8 Virtualisatie Is oplossing voor probleem van overdraagbaarheid Een systeem wordt gevirtualiseerd indien zijn interface afgebeeld wordt op de interface van een echt systeem Isomorfisme Een gebruiker van het virtueel systeem beseft niet of hij een virtueel systeem ter beschikking heeft of een echt systeem Vele verschillende vormen van virtualisatie 8

9 Proces VM gebruikersproces gebruikersproces virtualisatiesoftware OS virtuele machine hardware Virtualisatiesoftware op ABI niveau Emuleert user ISA en OS system calls 9

10 Systeem VM gebruikersproces gebruikersproces OS OS virtualisatiesoftware hardware virtuele machine Virtualisatiesoftware op ISA niveau Ondersteunt OS en zijn gebruikersprocessen 10

11 Systeem VM (bis) gebruikersproces OS virtualisatiesoftware ISA X ISA Y hardware X en Y kunnen verschillend zijn Virtualisatiesoftware = virtual machine monitor (VMM) 11

12 Systeem VMs: toepassingen gebruikersproces ISA Y VMM beheert de hardware resources OS ISA Y virtualisatiesoftware gebruikersproces ISA X gebruikersproces ISA Y OS ISA Y hardware ISA X OS ISA X emulatie van ISA Y naar ISA X virtualisatiesoftware VMM hardware ISA X 12

13 Virtuele machines Motivatie Interfaces Virtualisatie: inleiding Types VMs Proces VMs: isomorfisme op ABI-niveau Systeem VMs: isomorfisme op ISA-niveau Taxonomie 13

14 Proces VMs: voorbeeld 1 Besturingssysteem Combinatie van user ISA en OS system calls is een virtuele machine voor applicatie Laat meerdere gebruikers toe Iedere gebruiker heeft illusie een volledige machine voor zich alleen te hebben Via time-sharing Multi-programmering 14

15 Proces VMs: voorbeeld 2 Emulatoren Applicaties gecompileerd voor bron-isa X uitvoeren op hardware met doel-isa Y IA-32 Windows NT app Windows NT OS Alpha ISA hardware Voorbeelden: Digital FX!32 systeem Aries PA-RISC apps op IA-64 Intel IA-32 EL Execution Layer IA-32 apps op IA-64 15

16 Emulatoren Interpretatie Instructie in bron-isa ophalen, decoderen en emuleren Snelle opstart maar traag in regime Binaire vertaling Blokken van bron-isa instructies worden eenmalig vertaald naar doel-isa instructies en bijgehouden in een (software) code cache Vervolgens worden vertaalde doel-isa instructies uitgevoerd Trage opstart maar snel in regime Beide kunnen gecombineerd worden Enkel binaire vertaling voor frequent uitgevoerde stukken code, en emulatie anders 16

17 Proces VMs: voorbeeld 3 Binaire optimalisator Bron-ISA = doel-isa Optimalisatie van binair programma Profilering tijdens uitvoering Dynamische optimalisatie van frequent uitgevoerde stukken code Vertaalde code wordt bijgehouden in een (software) code cache Zinvol indien originele code niet geoptimaliseerd is Komt zeer vaak voor in de praktijk Voorbeeld: Dynamo van HP 17

18 Proces VMs: voorbeeld 4 VMs op niveau van programmeertaal High-level language VMs (HLL VMs) Overdraagbaarheid van code van gebruikersapplicaties Gebruiker vertaalt HLL code naar V-ISA (virtuele ISA) Virtuele ISA wordt dan dynamisch vertaald naar doel-isa door een VM 18

19 HLL omgevingen conventioneel systeem HLL VM gebaseerd systeem HLL programma HLL programma intermediaire code doel-isa programma in binaire vorm doel-isa programma in geheugen compiler frontend compiler backend loader distributie compiler overdraagbare code in virtuele ISA (V-ISA) VM loader V-ISA programma in VM geheugen doel-isa programma in geheugen distributie VM interpretatiecompiler-optimalisatie 19

20 HLL VMs Software is makkelijker te distribueren Eenmaal een VM beschikbaar is voor ieder platform Voorbeelden Sun Microsystems Java VM Microsoft Common Language Infrastructure (CLI) gebruikt in.net raamwerk V-ISA bestaat uit bytecodes Interface met OS gebeurt via standaard bibliotheken 20

21 Virtuele machines Motivatie Interfaces Virtualisatie: inleiding Types VMs Proces VMs Systeem VMs Taxonomie 21

22 Systeem VMs: motivatie In jaren 60 en 70 Eén enkel hardware platform moet meerdere OS omgevingen tegelijkertijd kunnen ondersteunen Reden: kostprijs van een mainframe computersysteem Zijn tegenwoordig opnieuw in opmars De server farms van nu zijn de mainframes van vroeger Reden: beveiliging wegens geïsoleerde OS omgevingen 22

23 Systeem VMs (1) Klassieke benadering: Virtual Machine Monitor VMM heeft hoogste privilege VMM beheert de hardware Windows apps Windows Linux apps Linux VMM IA-32 hardware 23

24 Systeem VMs (2) Virtualisatie-software bovenop bestaand OS = Hosted VM Windows apps Windows VMware Linux apps Linux IA-32 hardware 24

25 Geheel-systeem VM Verschil met hosted VM is dat de ISAs verschillend zijn Windows apps Windows Virtual PC Mac OS apps Mac OS PowerPC hardware 25

26 Co-designed VMs Conventionele VMs Standaard ISA is de interface Doel is overdraagbaarheid Co-designed VMs Innovatieve ISA als interface Kan volledig nieuw zijn, of gebaseerd op bestaande ISA met extra instructies Doel is betere prestatie, vermogen-efficiëntie, etc. Er zijn geen applicaties in de doel-isa VM software is als het ware deel van de hardware 26

27 Co-designed VMs De co-designed VM in geheugengebied dat niet zichtbaar is voor applicatie en OS B.v. Transmeta Crusoe IA-32 ISA naar VLIW ISA Doel is vermogen-efficiëntie IA-32 applicatie IA-32 OS Code Morphing VLIW ISA hardware 27

28 VM Taxonomie VM Proces VM Systeem VM Zelfde ISA Verschillende ISA Zelfde ISA Verschillende ISA Multiprogramming OS Zelfde-ISA binaire optimalisatie Dynamo Dynamische vertaling Intel IA-32 EL HLL VM JVM en CLI Klassieke systeem VM IBM VM/370 Hosted VM VMware Geheel-systeem VM Virtual PC Co-designed VM Transmeta Crusoë 28

29 Veelzijdigheid van VMs Java applicatie Java VM Linux IA-32 VMware Windows IA-32 Code Morphing Crusoë VLIW 29