A finales de los años 1990, la virtualización x86 se logró mediante técnicas de software complejas, necesarias para compensar la falta de capacidades de virtualización asistida por hardware del procesador y, al mismo tiempo, lograr un rendimiento razonable. En 2005 y 2006, tanto Intel (VT-x) como AMD (AMD-V) introdujeron un soporte de virtualización de hardware limitado que permitió un software de virtualización más simple pero ofreció muy pocos beneficios de velocidad. [1] Los modelos de procesadores posteriores incorporaron un mayor soporte de hardware, que permitió mejoras sustanciales de velocidad.
Virtualización basada en software
La siguiente discusión se centra únicamente en la virtualización del modo protegido de la arquitectura x86 .
En el modo protegido, el núcleo del sistema operativo se ejecuta en un nivel de privilegios superior, como el anillo 0, y las aplicaciones en un nivel de privilegios inferior, como el anillo 3. [ cita requerida ] En la virtualización basada en software, un sistema operativo host tiene acceso directo al hardware, mientras que los sistemas operativos invitados tienen acceso limitado al hardware, al igual que cualquier otra aplicación del sistema operativo host. Un enfoque utilizado en la virtualización basada en software x86 para superar esta limitación se denomina desprivilegio de anillo , que implica ejecutar el sistema operativo invitado en un anillo superior (menos privilegiado) que 0. [2]
Tres técnicas hicieron posible la virtualización del modo protegido:
La traducción binaria se utiliza para reescribir ciertas instrucciones del anillo 0 en términos de instrucciones del anillo 3, como POPF , que de otro modo fallarían silenciosamente o se comportarían de manera diferente cuando se ejecutan por encima del anillo 0, [3] [4] : 3 haciendo imposible la virtualización clásica de atrapar y emular . [4] : 1 [5] Para mejorar el rendimiento, los bloques básicos traducidos deben almacenarse en caché de una manera coherente que detecte la aplicación de parches de código (usados en VxDs , por ejemplo), la reutilización de páginas por parte del sistema operativo invitado o incluso el código automodificable . [6]
Varias estructuras de datos clave utilizadas por un procesador necesitan ser ocultadas . Debido a que la mayoría de los sistemas operativos utilizan memoria virtual paginada , y otorgar al SO invitado acceso directo a la MMU significaría la pérdida de control por parte del administrador de virtualización , parte del trabajo de la MMU x86 necesita ser duplicado en software para el SO invitado utilizando una técnica conocida como tablas de páginas ocultas . [7] : 5 [4] : 2 Esto implica negar al SO invitado cualquier acceso a las entradas reales de la tabla de páginas atrapando los intentos de acceso y emulándolos en su lugar en el software. La arquitectura x86 utiliza estado oculto para almacenar descriptores de segmento en el procesador, por lo que una vez que los descriptores de segmento se han cargado en el procesador, la memoria desde la que se han cargado puede sobrescribirse y no hay forma de recuperar los descriptores del procesador. Por lo tanto, las tablas de descriptores ocultas deben usarse para rastrear los cambios realizados en las tablas de descriptores por el SO invitado. [5]
Emulación de dispositivo de E/S: los dispositivos no compatibles en el sistema operativo invitado deben ser emulados por un emulador de dispositivo que se ejecute en el sistema operativo host. [8]
Estas técnicas implican cierta sobrecarga de rendimiento debido a la falta de soporte de virtualización de MMU, en comparación con una máquina virtual que se ejecuta en una arquitectura virtualizable de forma nativa como IBM System/370 . [4] : 10 [9] : 17 y 21
En los mainframes tradicionales, el hipervisor clásico de tipo 1 era autónomo y no dependía de ningún sistema operativo ni ejecutaba aplicaciones de usuario por sí mismo. Por el contrario, los primeros productos de virtualización x86 estaban destinados a estaciones de trabajo y ejecutaban un sistema operativo invitado dentro de un sistema operativo host mediante la incorporación del hipervisor en un módulo de kernel que se ejecutaba bajo el sistema operativo host (hipervisor de tipo 2). [8]
Ha habido cierta controversia sobre si la arquitectura x86 sin asistencia de hardware es virtualizable como describen Popek y Goldberg . Los investigadores de VMware señalaron en un artículo de ASPLOS de 2006 que las técnicas anteriores hicieron que la plataforma x86 fuera virtualizable en el sentido de cumplir con los tres criterios de Popek y Goldberg, aunque no mediante la técnica clásica de atrapar y emular. [4] : 2–3
Otros sistemas, como Denali , L4 y Xen , tomaron una ruta diferente , conocida como paravirtualización , que implica trasladar los sistemas operativos para que se ejecuten en la máquina virtual resultante, que no implementa las partes del conjunto de instrucciones x86 real que son difíciles de virtualizar. La E/S paravirtualizada tiene importantes ventajas de rendimiento, como se demuestra en el documento original de SOSP '03 sobre Xen. [10]
La versión inicial de x86-64 ( AMD64 ) no permitía una virtualización completa solo por software debido a la falta de soporte de segmentación en modo largo , lo que hacía imposible la protección de la memoria del hipervisor, en particular, la protección del manejador de trampas que se ejecuta en el espacio de direcciones del núcleo invitado. [11] [12] : 11 y 20 Revisión D y posteriores Los procesadores AMD de 64 bits (como regla general, aquellos fabricados en 90 nm o menos) agregaron soporte básico para segmentación en modo largo, lo que hizo posible ejecutar invitados de 64 bits en hosts de 64 bits a través de traducción binaria. Intel no agregó soporte de segmentación a su implementación x86-64 ( Intel 64 ), lo que hizo imposible la virtualización solo por software de 64 bits en las CPU Intel, pero el soporte de Intel VT-x hace posible la virtualización asistida por hardware de 64 bits en la plataforma Intel. [13] [14] : 4
En algunas plataformas, es posible ejecutar un invitado de 64 bits en un sistema operativo host de 32 bits si el procesador subyacente es de 64 bits y admite las extensiones de virtualización necesarias.
Virtualización asistida por hardware
En 2005 y 2006, Intel y AMD (trabajando de forma independiente) crearon nuevas extensiones de procesador para la arquitectura x86. La primera generación de virtualización de hardware x86 abordó el problema de las instrucciones privilegiadas. El problema del bajo rendimiento de la memoria del sistema virtualizada se solucionó con la virtualización MMU que se agregó al chipset más tarde.
Unidad central de procesamiento
Modo virtual 8086
Como el Intel 80286 no podía ejecutar aplicaciones DOS simultáneas por sí solo en modo protegido, Intel introdujo el modo 8086 virtual en su chip 80386 , que ofrecía procesadores 8086 virtualizados en los chips 386 y posteriores. Sin embargo, el soporte de hardware para virtualizar el modo protegido en sí mismo estuvo disponible 20 años después. [15]
AMD desarrolló sus extensiones de virtualización de primera generación bajo el nombre clave "Pacifica", y las publicó inicialmente como AMD Secure Virtual Machine (SVM), [16] pero luego las comercializó bajo la marca comercial AMD Virtualization , abreviada AMD-V .
El 23 de mayo de 2006, AMD lanzó el Athlon 64 ( "Orleans" ), el Athlon 64 X2 ( "Windsor" ) y el Athlon 64 FX ( "Windsor" ) como los primeros procesadores AMD compatibles con esta tecnología.
La capacidad AMD-V también se incluye en la familia de procesadores Athlon 64 y Athlon 64 X2 con revisiones "F" o "G" en los procesadores de socket AM2 , Turion 64 X2 y Opteron de segunda generación [17] y de tercera generación, [18] Phenom y Phenom II . Los procesadores APU Fusion admiten AMD-V. Ningún procesador Socket 939 admite AMD-V. Los únicos procesadores Sempron que lo admiten son las APU y las CPU de escritorio Huron , Regor y Sargas .
Las CPU AMD Opteron a partir de la línea Family 0x10 Barcelona y las CPU Phenom II admiten una tecnología de virtualización de hardware de segunda generación llamada Rapid Virtualization Indexing (anteriormente conocida como Nested Page Tables durante su desarrollo), posteriormente adoptada por Intel como Extended Page Tables (EPT).
El indicador de CPU para AMD-V es "svm". Esto se puede comprobar en los derivados de BSD mediante dmesg o sysctl y en Linux mediante . [19] Las instrucciones en AMD-V incluyen VMRUN, VMLOAD, VMSAVE, CLGI, VMMCALL, INVLPGA, SKINIT y STGI./proc/cpuinfo
Con algunas placas base , los usuarios deben habilitar la función AMD SVM en la configuración del BIOS antes de que las aplicaciones puedan utilizarla. [20]
Anteriormente denominada "Vanderpool", VT-x representa la tecnología de Intel para la virtualización en la plataforma x86. El 13 de noviembre de 2005, Intel lanzó dos modelos de Pentium 4 (modelo 662 y 672) como los primeros procesadores Intel compatibles con VT-x. El indicador de CPU para la capacidad de VT-x es "vmx"; en Linux, esto se puede comprobar mediante /proc/cpuinfo, o en macOS mediante sysctl machdep.cpu.features. [19]
"VMX" significa Extensiones de Máquina Virtual, que agrega 13 nuevas instrucciones: VMPTRLD, VMPTRST, VMCLEAR, VMREAD, VMWRITE, VMCALL, VMLAUNCH, VMRESUME, VMXOFF, VMXON, INVEPT, INVVPID y VMFUNC. [21] Estas instrucciones permiten ingresar y salir de un modo de ejecución virtual donde el sistema operativo invitado se percibe a sí mismo como ejecutándose con privilegios completos (anillo 0), pero el sistema operativo host permanece protegido.
A partir de 2015 [actualizar], casi todos los procesadores Intel más nuevos para servidores, computadoras de escritorio y dispositivos móviles admiten VT-x, con algunos de los procesadores Intel Atom como la principal excepción. [22] Con algunas placas base , los usuarios deben habilitar la función VT-x de Intel en la configuración del BIOS antes de que las aplicaciones puedan utilizarla. [23]
Intel comenzó a incluir Extended Page Tables (EPT), [24] una tecnología para la virtualización de tablas de páginas, [25] desde la arquitectura Nehalem , [26] [27] lanzada en 2008. En 2010, Westmere agregó soporte para iniciar el procesador lógico directamente en modo real , una característica llamada "huésped sin restricciones", que requiere EPT para funcionar. [28] [29]
Desde la microarquitectura Haswell (anunciada en 2013), Intel comenzó a incluir el shadowing de VMCS como una tecnología que acelera la virtualización anidada de las VMM. [30]
La estructura de control de máquina virtual (VMCS) es una estructura de datos en memoria que existe exactamente una vez por VM, mientras que es administrada por la VMM. Con cada cambio del contexto de ejecución entre diferentes VM, el VMCS se restaura para la VM actual, definiendo el estado del procesador virtual de la VM. [31] Tan pronto como se utilizan más de una VMM o VMM anidadas, aparece un problema de una manera similar a la que requirió que se inventara la administración de la tabla de páginas shadow, como se describió anteriormente. En tales casos, es necesario hacer shadowing de VMCS varias veces (en caso de anidamiento) e implementarlo parcialmente en el software en caso de que el procesador no tenga soporte de hardware. Para hacer que el manejo de shadow VMCS sea más eficiente, Intel implementó soporte de hardware para el shadowing de VMCS. [32]
Virtualización de interrupciones (AMD AVIC e Intel APICv)
En 2012, AMD anunció su Controlador de Interrupciones Virtuales Avanzado ( AVIC ) que apunta a la reducción de la sobrecarga de interrupciones en entornos de virtualización. [35] Esta tecnología, como se anunció, no es compatible con x2APIC . [36]
En 2016, AVIC está disponible en los modelos de la familia AMD 15h, procesadores 6Xh (Carrizo) y más nuevos. [37]
También en 2012, Intel anunció una tecnología similar para la virtualización de interrupciones y APIC , que no tenía una marca en el momento de su anuncio. [38]
Más tarde, se denominó virtualización APIC ( APICv ) [39]
y se comercializó en la serie Ivy Bridge EP de CPU Intel, que se vende como Xeon E5-26xx v2 (lanzada a fines de 2013) y como Xeon E5-46xx v2 (lanzada a principios de 2014). [40]
Unidad de procesamiento gráfico
La virtualización de gráficos no forma parte de la arquitectura x86. La tecnología de virtualización de gráficos (GVT) de Intel proporciona virtualización de gráficos como parte de las arquitecturas gráficas de generación más recientes. Aunque las APU de AMD implementan el conjunto de instrucciones x86-64 , implementan las propias arquitecturas gráficas de AMD ( TeraScale , GCN y RDNA ) que no admiten la virtualización de gráficos. [ cita requerida ] Larrabee fue la única microarquitectura gráfica basada en x86, pero probablemente no incluía soporte para la virtualización de gráficos.
Conjunto de chips
La virtualización de la memoria y de E/S la realiza el chipset . [41] Normalmente, estas funciones deben estar habilitadas por el BIOS, que debe poder soportarlas y también estar configurado para usarlas.
Virtualización de MMU de E/S (AMD-Vi e Intel VT-d)
Una unidad de gestión de memoria de entrada/salida (IOMMU) permite que las máquinas virtuales invitadas utilicen directamente dispositivos periféricos , como Ethernet, tarjetas gráficas aceleradas y controladores de disco duro, a través de DMA y reasignación de interrupciones . Esto a veces se denomina transferencia PCI . [42]
Un IOMMU también permite que los sistemas operativos eliminen los buffers de rebote necesarios para comunicarse con dispositivos periféricos cuyos espacios de direcciones de memoria son más pequeños que el espacio de direcciones de memoria del sistema operativo, mediante el uso de la traducción de direcciones de memoria. Al mismo tiempo, un IOMMU también permite que los sistemas operativos y los hipervisores eviten que hardware defectuoso o malicioso comprometa la seguridad de la memoria .
Tanto AMD como Intel han publicado sus especificaciones IOMMU:
Tecnología de virtualización de E/S de AMD, "AMD-Vi", originalmente llamada "IOMMU" [43]
"Tecnología de virtualización para E/S dirigida" (VT-d) de Intel, [44] incluida en la mayoría de los procesadores Intel de gama alta (pero no en todos) más nuevos desde la arquitectura Core 2. [45]
Además del soporte de la CPU, tanto el chipset de la placa base como el firmware del sistema ( BIOS o UEFI ) deben ser totalmente compatibles con la funcionalidad de virtualización de E/S de IOMMU para que sea utilizable. Solo los dispositivos PCI o PCI Express que admiten el restablecimiento del nivel de función (FLR) se pueden virtualizar de esta manera, ya que es necesario para reasignar varias funciones del dispositivo entre máquinas virtuales. [46] [47] Si un dispositivo que se va a asignar no admite interrupciones señalizadas por mensaje (MSI), no debe compartir líneas de interrupción con otros dispositivos para que la asignación sea posible. [48]
Todos los dispositivos PCI convencionales enrutados detrás de un puente PCI/ PCI-X a PCI Express se pueden asignar a una máquina virtual invitada solo todos a la vez; los dispositivos PCI Express no tienen esa restricción.
Virtualización de red (VT-c)
“Tecnología de virtualización para conectividad” (VT-c) de Intel. [49]
Virtualización de E/S de raíz única PCI-SIG (SR-IOV)
La virtualización de E/S de raíz única PCI-SIG (SR-IOV) proporciona un conjunto de métodos de virtualización de E/S generales (no específicos de x86) basados en hardware nativo PCI Express (PCIe), según lo estandarizado por PCI-SIG: [50]
Los servicios de traducción de direcciones (ATS) admiten IOV nativo en PCI Express a través de la traducción de direcciones. Se requiere compatibilidad con nuevas transacciones para configurar dichas traducciones.
La IOV de raíz única (SR-IOV o SRIOV) admite la IOV nativa en topologías PCI Express complejas de raíz única existentes. Requiere compatibilidad con nuevas capacidades de dispositivos para configurar múltiples espacios de configuración virtualizados. [51]
IOV multiraíz (MR-IOV) admite IOV nativo en nuevas topologías (por ejemplo, servidores blade) basándose en SR-IOV para proporcionar múltiples complejos raíz que comparten una jerarquía PCI Express común.
En SR-IOV, el más común de estos, un VMM host configura dispositivos compatibles para crear y asignar "sombras" virtuales de sus espacios de configuración para que los invitados de la máquina virtual puedan configurar y acceder directamente a dichos recursos de dispositivos "sombra". [52] Con SR-IOV habilitado, las interfaces de red virtualizadas son directamente accesibles para los invitados, [53]
evitando la participación del VMM y dando como resultado un alto rendimiento general; [51] por ejemplo, SR-IOV logra más del 95% del ancho de banda de red de metal desnudo en el centro de datos virtualizado de la NASA [54] y en la nube pública de Amazon . [55] [56]
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Enlaces externos
Todo lo que necesita saber sobre la tecnología de virtualización de Intel Archivado en ghostarchive.org el 10 de mayo de 2022
Curso especial en la Universidad de San Francisco sobre Intel EM64T y extensiones VT (2007)
Clase de 2 días de código abierto y acceso abierto sobre cómo escribir un VMM VT-x
