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- 2. スライドの内容 仮想化を効率よく行うためのハードウェア機構 - ハードウェア操作命令の検出 - ハードウェア状態の復元・退避 - メモリの仮想化 - I/Oの仮想化 仮想化技術の応用 - ライブマイグレーション
- 4. 特権違反例外処理 1. ゲストOSがハードウェアにアク セスする命令を実行しようとする 1. ゲストOSはユーザ状態での実行 なので特権違反となり例外が発生 する 1. VMMの例外処理部に命令実行が 移る
- 6. 仮想マシン制御情報の管理 1. (VMM)が仮想マシンへの切り替え命令を実 行 2. ハードウェアがVMMの状態を制御情報の 中のVMMエリアに退避?? 3. (VMM)が仮想マシンの以前の状態を制御情 報の仮想マシンエリアから取り出す 4. (VMM)が実プロセッサのレジスタに(仮想 マシンの以前の状態)を復元する 5. (VMM)が仮想マシンの実行を再開する
- 7. メモリの仮想化
- 8. メモリの仮想化 1. 仮想化を行う場合のメモリアクセス a. 問題点 b. 解決策 i. シャドウページテーブル ii. 仮想TLB方式 2. 二重のアドレス変換を自動化するハードウェア機構
- 9. 仮想化を行う場合のメモリアクセス 1. ゲストOSがアプリケーション論理アドレスを仮 想物理アドレスに変換する 1. VMMが仮想物理アドレスを物理アドレスに変換 する 1. 1,2の変換結果(論理アドレスと物理アドレスの ペア)をTLBに書き込む
- 12. 解決策(2)仮想TLB方式 1. シャドウページテーブルとTLBを空にして おく 2. アプリケーションがメモリをアクセスする とページフォールト例外が発生する 3. VMMに制御が移る 4. VMMはゲストOSのページテーブルとVMM のページテーブルを見て論理アドレスを物 理アドレスに変換する 5. VMMはその結果をシャドウページテーブ ルに書き込む
- 14. I/Oの仮想化
- 16. (1)正統的なI/O仮想化(プロセッサの仮想化と同様の手法) 1. ゲストOSはデバイスドライバを持っている 1. ゲストトOSがI/Oコントローラーを操作する命令を 実行しようとする 1. ゲストOSはユーザ状態での実行なので特権違反と なり例外が発生する 1. VMMが入出力装置を代行する 1. VMMが入出力装置のエミュレーションを行う
- 17. (1)正統的なI/O仮想化の問題点 1. デバイスドライバを騙すほど正確なエミュレータを作るのが難しい 2. VMMにデバイスドライバを揃えるのは大変 3. ハードウェア操作にVMMが介在するため性能も低い
- 18. (2)パススルー方式
- 21. (3)準仮想化方式 1. ゲストOSを一部書き換える必要がある 1. VMMがI/O専用のゲストOSを作成する 1. ゲストOSからI/O専用のゲストOSに対 して抽象度の高い命令(ディスクのデー タブロックのR/WやLANのパケットの 送受etc)を送る 1. I/O専用のゲストOSがI/Oコントローラ のレジスタ操作レベルに変換して入出 力装置を操作する
- 22. 性能
- 23. 仮想化技術の応用
- 24. ライブマイグレーション
Editor's Notes
- 仮想化を効率よく行うためには、各種のハードウェア機構が必要
- 仮想化のためには、ゲストOSがハードウェアを操作しようとしていることを検出する必要がある。それを実現するのが特権違反例外処理
- VMMはゲストOSが与えられたプロセッサ時間を使い切ったり、入出力などの待ち時間の長い処理を開始したときに別の仮想マシンに切り替えを行う。 VMMは、ユーザ状態で操作できるレジスタ・特権状態で操作できるレジスタの情報をまとめて「仮想マシン制御情報」として管理している。 ()の中があってるか確認する。
- 仮想化を行う場合、メモリアクセスの際に二重にアドレスを変換する必要がある。
- x86のような、ハードウェアが自動的にページテーブルを読んで変換結果をTLBに書き込む「ハードウェアテーブルウォーク機構」を持っているプロセッサの場合、ゲストOSのページテーブルが変わるたびに間違ったTLBに書き換えられてしまう
- 先のスライドの問題の解決策として、VMMの中で論理アドレスと物理アドレスの正しい対応情報を持つ必要がある。それがシャドウページテーブル。ゲストOSのページテーブルが切り替わるたびにシャドウテーブルを作り直す必要があるため、仮想化の大きなオーバーヘッドになっている。
- この方式では、新しいページがアクセスされたタイミングでシャドウページテーブルに登録していけば良いので、一個前のスライドの方法より手間がかなり減少する。
- シャドウページテーブルの管理は仮想化の大きなオーバーヘッドになっていた。そこで、仮想化をサポートするプロセッサは二重のアドレス変換のオーバーヘッドを低減する機構を持つようになった。IntelのEPTやAMDのNPTがそう。これらの機構では、ハードウェアが二重のページテーブルウォークを自動的にやってくれる。 正直説明の詳細はよくわからなかったが、25回メモリアクセスが必要になるけどVMMが二重のアドレス変換のために手間を掛ける必要がなくなるため、仮想化のオーバーヘッドが大きく減るそうです。
- I/Oの仮想化においては、『いろいろな事情』があってプロセッサの仮想化と同じような方法ではうまくいかないケースがあるらしいため、大別すると3種類の仮想化方式が使われている。
- 一つ目の方式はプロセッサの仮想化と同様に、デバイスドライバを持つゲストOSのハードウェアアクセスを特権違反例外で検出し、VMMが矛盾のない動作を行う、というもの
- 二つ目の方式はパススルー方式。ゲストOSのデバイスドライバが直接入出力装置を操作する。第一の方式に比べて、VMMが介在しないのでオーバーヘッドが小さいという特徴がある。
- 入出力装置がデバイスドライバが指定した仮想物理アドレスを物理アドレスに変換してDMA転送してくれる。 PCIバスのI/Oコントローラの部分で入出力装置の仮想化を行う規格であるSR-IOVに準拠したディスクコントローラやLAVアダプタを使用すれば、パススルー方式でも実入出力装置を共用できるようになる
- 二つ目の方式は準仮想化方式 データセンター(Amazon EC2とか)で使われているらしい(というかそこでしか使われていない？)
- 方式ごとの性能を比較すると、パススルー方式と準仮想化方式は仮想化を行わない場合とほとんど遜色ない性能を実現している
- 今までの部分は、一つのプロセッサを複数の仮想マシンに見せる技術 この技術を応用すると、1台のサーバで動作中のアプリケーションを別のサーバに移動して動作を継続させることができる。 それによって、負荷分散をしたり、アプリケーション全体のアクセスが少ないときには少数のサーバに処理を集中させてコストを節約することもできる。