что такое intel ept

Виртуализация²

В предыдущей статье я рассказал об Intel VT-x и расширениях данной технологии для увеличения эффективности виртуализации. В этой статье я расскажу о том, что предлагается тем, кому готов сделать ещё один шаг: запускать ВМ внутри ВМ — вложенная виртуализация.

Источник изображения

Итак, ещё раз о том, чего хочется добиться и что стоит на пути к счастью.

Зачем

Теоретическая возможность виртуализации как имитации работы одного компьютера на другом была показана ещё отцами вычислительной техники. Достаточные условия для эффективной, т.е. быстрой виртуализации также были теоретически обоснованы. Практическая их реализация состояла в добавлении специальных режимов работы процессора. Монитор виртуальных машин (назовём его L0) может использовать их для минимизации накладных расходов по управлению гостевыми системами.
Однако, если посмотреть на свойства виртуального процессора, видимого внутри гостевой системы, то они будут отличаться от тех, что имел настоящий, физический: аппаратной поддержки виртуализации в нём не будет! И второй монитор (назовём его L1), запущенный на нём, будет вынужден программно моделировать всю ту функциональность, которую L0 имел напрямую из аппаратуры, значительно теряя при этом в производительности.

Nested virtualization

Итак, аппаратура не поддерживает напрямую L2, а все возможности по ускорению были использованы для обеспечения работы L1. Решение состоит в создании плоской структуры из гостей L1 и L2.

В этом случае на L0 возлагается задача управления гостями как L1, так и L2. Для последних приходится модифицировать контрольные структуры, управляющие переходами между режимами root и non-root, чтобы выход происходил именно в L0. Это не совсем соответствует представлениям L1 о том, что происходит в системе. С другой стороны, как будет показано уже в следующем параграфе статьи, L1 всё равно не имеет прямого контроля над переходами между режимами, и поэтому при правильной реализации плоской структуры никто из гостей не сможет заметить подмены.

Теневые структуры

Нет, это не что-то из области криминала и теории заговора. Прилагательное «теневой» (англ. shadow) для элементов архитектурного состояния постоянно используется во всевозможной литературе и документации по виртуализации. Идея тут в следующем. Обыкновенный GPR (англ. general purpose register) регистр, модифицируемый гостевым окружением, не может повлиять на корректность работы монитора. Поэтому все инструкции, которые работают только с GPR, могут исполняться гостем напрямую. Какое бы значение в нём не сохранилось бы после выхода из гостя, монитор при необходимости всегда может загрузить в регистр новое значение пост-фактум. С другой стороны, системный регистр CR0 определяет в том числе как будут отображаться виртуальные адреса для всех доступов в память. Если бы гость мог записывать в него произвольные значения, то монитор не смог бы работать нормально. По этой причине создаётся тень — копия критичного для работы регистра, хранимая в памяти. Все попытки доступа гостя к оригинальному ресурсу перехватываются монитором и эмулируются, используя значения из теневой копии.
Необходимость программного моделирования работы с теневыми структурами является одним из источников потери производительности работы гостя. Поэтому некоторые элементы архитектурного состояния получают аппаратную поддержку тени: в режиме non-root обращения к такому регистру сразу перенаправляются в его теневую копию.
В случае Intel VT-x [1] как минимум следующие структуры процессора получают тень: CR0, CR4, CR8/TPR (англ. task priority register), GSBASE.

Shadow VMCS

Итак, реализация теневой структуры для некоторого архитектурного состояния в L0 может быть чисто программная. Однако ценой этому будет необходимость постоянного перехвата обращений к нему. Так, в [2] упоминается, что один выход из «non-root» L2 в L1 на вызывает около 40-50 настоящих переходов из L1 в L0. Значительная часть этих переходов вызвана всего двумя инструкциями — VMREAD и VMWRITE [5].

Эти инструкции работают над структурой VMCS (англ. virtual machine control structure), контролирующей переходы между режимами виртуализации. Поскольку напрямую монитору L1 нельзя разрешать её изменять, монитор L0 создаёт теневую копию, а затем эмулирует работу с ней, перехватывая эти две инструкции. В результате время обработки каждого выхода из L2 возрастает значительно.
Поэтому в последующих версиях Intel VT-x VMCS обзавелась теневой копией — shadow VMCS. Эта структура хранится в памяти, имеет аналогичное обычной VMCS содержание и может быть прочитана/изменена с помощью инструкций VMREAD/VMWRITE, в том числе из режима non-root без генерации VM-exit. В результате значительная часть переходов L1 → L0 устраняется. Однако, shadow VMCS не может быть использована для входа/выхода в non-root и root режимы — для этого всё так же используется оригинальная VMCS, управляемая L0.

Shadow EPT

Отмечу, что Intel EPT (англ. Extended Page Table), упомянутая в первой части — это также техника аппаратного ускорения работы с другой теневой структурой, используемой для трансляции адресов. Вместо того, чтобы следить за всем деревом таблиц трансляций гостя (начиная со значения привилегированного регистра CR3) и перехватывать попытки его чтения/модификации, для него создаётся своя собственная «песочница». Настоящие физические адреса получаются после трансляции гостевых физических адресов, что также делается аппаратурой.

В случае вложенной виртуализации, как и в случае с VMCS, мы приходим к той же самой проблеме: теперь уровней трансляции стало три (L2 → L1, L1 → L0 и L0 → физический адрес), но аппаратура поддерживает только два. Это означает, что один из уровней трансляции придётся моделировать программно.

Если моделировать L2 → L1, то, как и следовало ожидать, это приведёт к существенному замедлению работы. Эффект будет даже более значительный, чем в случае одного уровня: каждое исключение #PF (англ. page fault) и запись CR3 внутри L2 будет приводить к выходу в L0, а не в L1. Однако, если заметить [6], что гостевые окружения L1 создаются гораздо реже, чем процессы в L2, то можно сделать программной (т.е. медленной) именно трансляцию L1 → L0, а для L2 → L1 задействовать освободившийся аппаратный (быстрый) EPT. Это напоминает мне идею из области компиляторных оптимизаций: следует оптимизировать самый вложенный цикл кода. В случае виртуализации — это самый вложенный гость.

Виртуализация³: что дальше?

Давайте немного пофантазируем о том, что может быть в будущем. Далее в этой секции идут мои собственные (и не очень) идеи о том, как нам обустроить виртуализацию будущего. Они могут оказаться полностью несостоятельными, невозможными или нецелесообразными.

А в будущем создателям мониторов ВМ захочется нырнуть ещё глубже — довести рекурсивную виртуализацию до третьего, четвёртого и более глубоких уровней вложенности. Описанные выше приёмы поддержки двух уровней вложенности становятся очень непривлекательными. Я не очень уверен, что те же самые трюки удастся повторить для эффективной виртуализации даже третьего уровня. Вся беда в том, что режим гостя не поддерживает повторного входа в самого себя.
История вычислительной техники напоминает о похожих проблемах и подсказывает решение. Ранний Fortran не поддерживал рекурсивный вызов процедур, потому что состояние локальных переменных (activation record) хранилось в статически выделяемой памяти. Повторный вызов уже исполняющейся процедуры затёр бы эту область, отрезав исполнению выход из процедуры. Решение, реализованное в современных языках программирования, состояло в поддержке стека из записей, хранящих данные вызванных процедур, а также адреса возврата.
Похожую ситуацию мы видим для VMCS — для этой структуры используется абсолютный адрес, данные в ней принадлежат монитору L0. Гость не может использовать эту же VMCS, иначе он рисковал бы затереть состояние хозяина. Если бы у нас был стек или скорее даже двусвязнный список VMCS, каждая последующая запись в котором принадлежала бы текущему монитору (а также всем вышестоящим над ним), то не приходилось бы прибегать к описанным выше ухищрениям по передаче L2 под командование L0. Выход из гостя передавал бы управление его монитору с одновременным переключением на предыдущую VMCS, а вход в режим гостя активировал бы следующую по списку.

Вторая особенность, ограничивающая производительность вложенной виртуализации — это нерациональная обработка синхронных исключений [7]. При возникновении исключительной ситуации внутри вложенного гостя LN управление всегда передаётся в L0, даже если единственная его задача после этого — это «спустить» обработку ситуации в ближайший к LN монитор L(N-1). Спуск сопровождается лавиной переключений состояний всех промежуточных мониторов.

Для эффективной рекурсивной виртуализации в архитектуре необходим механизм, позволяющий менять направление обработки некоторых исключительных событий: вместо фиксированного порядка L0 → L(N-1) синхронные прерывания могут быть направлены L(N-1) → L0. Вмешательство внешних мониторов требуется только если более вложенные не могут обработать ситуацию.

Вместо заключения

Тема оптимизаций в виртуализации (да и вообще любых оптимизаций) неисчерпаема — всегда найдётся ещё один последний рубеж на пути к достижению максимальной скорости. В своих трёх заметках я рассказал лишь о некоторых расширениях Intel VT-x и приёмах вложенной виртуализации и полностью проигнорировал остальные. К счастью, исследователи, работающие над открытыми и коммерческими решениями виртуализации, довольно охотно публикуют результаты своей работы. Материалы ежегодной конференции проекта KVM, а также whitepaper’ы компании Vmware — хороший источник информации о последних достижениях. Например, вопрос уменьшения числа VM-exit, вызванных асинхронными прерываниями от устройств, подробно разбирается в [8].

Источник

Технологии аппаратной виртуализации

Бурное развитие рынка технологий виртуализации за последние несколько лет произошло во многом благодаря увеличению мощностей аппаратного обеспечения, позволившего создавать по-настоящему эффективные платформы виртуализации, как для серверных систем, так и для настольных компьютеров. Технологии виртуализации позволяют запускать на одном физическом компьютере (хосте) несколько виртуальных экземпляров операционных систем (гостевых ОС) в целях обеспечения их независимости от аппаратной платформы и сосредоточения нескольких виртуальных машин на одной физической. Виртуализация предоставляет множество преимуществ, как для инфраструктуры предприятий, так и для конечных пользователей. За счет виртуализации обеспечивается существенная экономия на аппаратном обеспечении, обслуживании, повышается гибкость ИТ-инфраструктуры, упрощается процедура резервного копирования и восстановления после сбоев. Виртуальные машины, являясь независимыми от конкретного оборудования единицами, могут распространяться в качестве предустановленных шаблонов, которые могут быть запущены на любой аппаратной платформе поддерживаемой архитектуры.

До недавнего времени усилия в области виртуализации операционных систем были сосредоточены в основном в области программных разработок. В 1998 году компания VMware впервые серьезно обозначила перспективы развития виртуальных систем, запатентовав программные техники виртуализации. Благодаря усилиям VMware, а также других производителей виртуальных платформ, и возрастающим темпам совершенствования компьютерной техники, корпоративные и домашние пользователи увидели преимущества и перспективы новой технологии, а рынок средств виртуализации начал расти стремительными темпами. Безусловно, такие крупные компании, как Intel и AMD, контролирующие большую часть рынка процессоров, не могли оставить эту перспективную технологию без внимания. Компания Intel первая увидела в новой технологии источник получения технологического превосходства над конкурентами и начала работу над усовершенствованием x86 архитектуры процессоров в целях поддержки платформ виртуализации. Вслед за Intel компания AMD также присоединилась к разработкам в отношении поддержки аппаратной виртуализации в процессорах, чтобы не потерять позиции на рынке. В данный момент обе компании предлагают модели процессоров, обладающих расширенным набором инструкций и позволяющих напрямую использовать ресурсы аппаратуры в виртуальных машинах.

Развитие аппаратных техник виртуализации

Виртуализация представляет собой эмуляцию нескольких виртуальных процессоров для каждой из гостевых операционных систем. При этом технология виртуального SMP позволяет представлять несколько виртуальных процессоров в гостевой ОС при наличии технологии HyperThreading или нескольких ядер в физическом процессоре.

Преимущества аппаратной виртуализации над программной

Как работает аппаратная виртуализация

Необходимость поддержки аппаратной виртуализации заставила производителей процессоров несколько изменить их архитектуру за счет введения дополнительных инструкций для предоставления прямого доступа к ресурсам процессора из гостевых систем. Этот набор дополнительных инструкций носит название Virtual Machine Extensions (VMX). VMX предоставляет следующие инструкции: VMPTRLD, VMPTRST, VMCLEAR, VMREAD, VMREAD, VMWRITE, VMCALL, VMLAUNCH, VMRESUME, VMXON и VMXOFF.

Процессор с поддержкой виртуализации может работать в двух режимах root operation и non-root operation. В режиме root operation работает специальное программное обеспечение, являющееся «легковесной» прослойкой между гостевыми операционными системами и оборудованием — монитор виртуальных машин (Virtual Machine Monitor, VMM), носящий также название гипервизор (hypervisor). Слово «гипервизор» появилось интересным образом: когда-то очень давно, операционная система носила название «supervisor», а программное обеспечение, находящееся «под супервизором», получило название «гипервизор».

Чтобы перевести процессор в режим виртуализации, платформа виртуализации должна вызвать инструкцию VMXON и передать управление гипервизору, который запускает виртуальную гостевую систему инструкцией VMLAUNCH и VMRESUME (точки входа в виртуальную машину). Virtual Machine Monitor может выйти из режима виртуализации процессора, вызвав инструкцию VMXOFF.

Каждая из гостевых операционных систем запускается и работает независимо от других и является изолированной с точки зрения аппаратных ресурсов и безопасности.

Отличие аппаратной виртуализации от программной

Классическая архитектура программной виртуализации подразумевает наличие хостовой операционной системы, поверх которой запускается платформа виртуализации, эмулирующая работу аппаратных компонентов и управляющая аппаратными ресурсами в отношении гостевой операционной системы. Реализация такой платформы достаточно сложна и трудоемка, присутствуют потери производительности, в связи с тем, что виртуализация производится поверх хостовой системы. Безопасность виртуальных машин также находится под угрозой, поскольку получение контроля на хостовой операционной системой автоматически означает получение контроля над всеми гостевыми системами.

В отличие от программной техники, с помощью аппаратной виртуализации возможно получение изолированных гостевых систем, управляемых гипервизором напрямую. Такой подход может обеспечить простоту реализации платформы виртуализации и увеличить надежность платформы с несколькими одновременно запущенными гостевыми системами, при этом нет потерь производительности на обслуживание хостовой системы. Такая модель позволит приблизить производительность гостевых систем к реальным и сократить затраты производительности на поддержание хостовой платформы.

Недостатки аппаратной виртуализации

Стоит также отметить, что аппаратная виртуализация потенциально несет в себе не только положительные моменты. Возможность управления гостевыми системами посредством гипервизора и простота написания платформы виртуализации с использованием аппаратных техник дают возможность разрабатывать вредоносное программное обеспечение, которое после получения контроля на хостовой операционной системой, виртуализует ее и осуществляет все действия за ее пределами.

Наглядно эта процедура выглядит так:

Однако, не стоит преувеличивать опасность. Разработать вредоносную программу, использующую технологии виртуализации все равно гораздо сложнее, нежели, пользуясь «традиционными» средствами, эксплуатирующими различные уязвимости в операционных системах. При этом главное допущение, которое делается теми, кто утверждает, что такое вредоносное ПО сложнее в обнаружении и более того, может не использовать «дырки» в ОС, действуя исключительно «в рамках правил», состоит в том, что якобы виртуализованная операционная система не в состоянии обнаружить, что она запущена на виртуальной машине, что есть исходно неверная посылка. Соответственно, антивирусное обеспечение имеет все возможности обнаружить факт заражения. А, следовательно, пропадает и смысл разрабатывать столь ресурсоемкий и сложный троян, учитывая наличие куда более простых способов вторжения.

Технологии виртуализации компаний Intel и AMD

Компании Intel и AMD, являясь ведущими производителями процессоров для серверных и настольных платформ, разработали техники аппаратной виртуализации для их использования в платформах виртуализации. Эти техники не обладают прямой совместимостью, но выполняют в основном схожие функции. Обе они предполагают наличие гипервизора, управляющего не модифицированными гостевыми системами, и имеют возможности для разработки платформ виртуализации без необходимости эмуляции аппаратуры. В процессорах обеих компаний, поддерживающих виртуализацию, введены дополнительные инструкции для их вызова гипервизором в целях управления виртуальными системами. В данный момент группа, занимающаяся исследованием возможностей аппаратных техник виртуализации, включает в себя компании AMD, Intel, Dell, Fujitsu Siemens, Hewlett-Packard, IBM, Sun Microsystems и VMware.

Виртуализация Intel

Компания Intel официально объявила о запуске технологии виртуализации в начале 2005 года на конференции Intel Developer Forum Spring 2005. Новая технология получила кодовое название Vanderpool и официальное Intel Virtualization Technology (сокращенно Intel VT). Технология Intel VT содержит в себе некоторое множество техник различного класса, имеющих номера версий VT-x, где x — литер, указывающий на подвид аппаратной техники. Была заявлена поддержка новой технологии в процессорах Pentium 4, Pentium D, Xeon, Core Duo и Core 2 Duo. Intel также опубликовала спецификации на Intel VT для Itanium-based процессоров, где технология виртуализации фигурировала под кодовым именем «Silvervale» и версией VT-i. Однако, начиная с 2005 года, новые модели процессоров Itanium не поддерживают x86 инструкции аппаратно, и x86-виртуализация может быть использована на архитектуре IA-64 только с помощью эмуляции.

Для включения технологии Intel VT в компьютерные системы, компания Intel сотрудничала с производителями материнских плат, BIOS и периферийного оборудования, чтобы обеспечить совместимость Intel VT с существующими системами. Во многих компьютерных системах технология аппаратной виртуализации может быть выключена в BIOS. Спецификации на Intel VT говорят, что для поддержки этой технологии не достаточно одного лишь поддерживающего ее процессора, необходимо также наличие соответствующих чипсетов материнской платы, BIOS и программного обеспечения, использующего Intel VT. Список поддерживающих Intel VT процессоров приведен далее:

Процессоры для настольных платформ:

Процессоры для ноутбуков:

Процессоры для серверных платформ:

Компания Intel планирует также развивать технологию под названием Virtualization for Directed I/O к Intel VT, имеющую версию VT-d. На данный момент известно, что это существенные изменения в архитектуре ввода-вывода, которые позволят улучшить защищенность, робастность и производительность виртуальных платформ, использующих аппаратные техники виртуализации.

Виртуализация AMD

Компания AMD, так же, как и компания Intel, не так давно взялась за доработку архитектуры процессоров с целью поддержки виртуализации. В мае 2005 года компания AMD объявила о начале внедрения поддержки виртуализации в процессоры. Официальное название, которое получила новая технология — AMD Virtualization (сокращенно AMD-V), а ее внутреннее кодовое имя — AMD Pacifica. Технология AMD-V является логическим продолжением технологии Direct Connect для процессоров AMD64, направленной на повышение производительности компьютерных систем за счет тесной прямой интеграции процессора с другими компонентами аппаратного обеспечения.

В списке далее приведены процессоры, поддерживающие функции аппаратной виртуализации AMD-V. Поддержка этих функций должна работать во всех процессорах серии AMD-V для настольных компьютеров под Socket AM2, начиная со степпинга F. Необходимо также отметить, что процессоры Sempron не поддерживают аппаратную виртуализацию.

Процессоры для настольных платформ:

Для ноутбуков поддерживаются процессоры с брендом Turion 64 X2:

Для серверных платформ поддерживаются следующие процессоры Opteron:

Программное обеспечение, поддерживающее аппаратную виртуализацию

На данный момент, абсолютное большинство вендоров программных платформ виртуализации заявило о поддержке технологий аппаратной виртуализации Intel и AMD. Виртуальные машины на этих платформах могут быть запущены при поддержке аппаратной виртуализации. Кроме того, во многих операционных системах, в дистрибутив которых включены программные платформы паравиртуализации, такие как Xen или Virtual Iron, аппаратная виртуализация позволит запускать неизмененные гостевые операционные системы. Так как паравиртуализация является одним из видов виртуализации, требующих модификации гостевой операционной системы, реализация в платформах паравиртуализации поддержки аппаратной виртуализации является для этих платформ весьма приемлемым решением, с точки зрения возможности запуска не модифицированных версий гостевых систем. В приведенной далее таблице перечислены основные популярные платформы виртуализации и программное обеспечение, поддерживающие технологии аппаратной виртуализации:

Аппаратная виртуализация сегодня

Компания VMware, входящая в исследовательскую группу аппаратных техник виртуализации, в конце 2006 года провела исследование в отношении собственной программной виртуализации в сравнении с аппаратными технологиями виртуализации компании Intel. В документе «A Comparison of Software and Hardware Techniques for x86 Virtualization» были зафиксированы результаты этого исследования (на процессоре 3.8 GHz Intel Pentium 4 672 с отключенной технологией Hyper-Threading). Один из экспериментов проводился с помощью систем тестов SPECint2000 и SPECjbb2005, являющихся стандартом де-факто для оценки производительности компьютерных систем. В качестве гостевой системы использовалась ОС Red Hat Enterprise Linux 3, управляемая программным и аппаратным гипервизором. Ожидалось, что аппаратная виртуализация даст коэффициент производительности около ста процентов в отношении нативного запуска операционной системы. Однако результаты оказались весьма неожиданными: в то время как программный гипервизор без использования аппаратных техник виртуализации давал 4 процента потерь производительности в отношении нативного запуска, аппаратный гипервизор, в целом, терял 5 процентов производительности. Результаты этого теста приведены на рисунке далее:

Выводы

Поддержка технологий аппаратной виртуализации в процессорах открывает широкие перспективы по использованию виртуальных машин в качестве надежных, защищенных и гибких инструментов для повышения эффективности виртуальных инфраструктур. Наличие поддержки аппаратных техник виртуализации в процессорах не только серверных, но и настольных систем, говорит о серьезности намерений производителей процессоров в отношении всех сегментов рынка пользователей компьютерных систем. Использование аппаратной виртуализации в перспективе должно уменьшить потери производительности при запуске нескольких виртуальных машин на одном физическом сервере. Безусловно, аппаратная виртуализация повысит защищенность виртуальных систем в корпоративных средах. Сейчас простота разработки платформ виртуализации с использованием аппаратных техник привела к появлению новых игроков на рынке средств виртуализации. Вендоры систем паравиртуализации широко применяют аппаратную виртуализацию для запуска не модифицированных гостевых систем. Дополнительным преимуществом аппаратных техник виртуализации является возможность запуска 64-битных гостевых систем на 32-битных версиях платформ виртуализации (например, VMware ESX Server).

Не стоит воспринимать результаты производительности, как единственно верные. Объективная оценка производительности различных аппаратных и программных платформ для виртуализации является нетривиальной задачей, упомянутая рабочая группа в составе SPEC работает над созданием набора стандартных методов для оценки таких систем. На сегодня можно отметить, что средства виртуализации от AMD являются технически более совершенными, нежели реализованные Intel. Многое зависит и от используемого ПО, к примеру, в отличие от VMWare, есть значительно более «отзывчивые» к аппаратной поддержке среды, например, Xen 3.0.

Источник