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エンジニアなら知っておきたい
「仮想マシン」のしくみ
BPStudy #38 (2010/10/29 EBISU303)
ネットワークシステムサービス本部 ネットワーク運用・構築部
長谷川 猛 (hasegaw at sra.co.jp)
Twitter : @hasegaw
※本資料中の解説内容は、弊社としての
統一的な見解を示すものではありません。
8. 8
x86向けの仮想マシン技術
• 今日、対象とする「仮想マシン」
– x86ハードウェアの上で動くソフトウェア（ソリューション？）
– x86ハードウェアを再現する
– x86ハードウェア用のソフトウェア、OSが「そのまま」動く
– VMware, Hyper-V, Linux KVM, Xen各種, VirtualBox, QEMU, Parallels, …
• とりあえず思いつく「その他の仮想マシン」
– 言語VM
• Java, .NET Framework, YARV(Yet Another Ruby VM), …
– おもちゃのエミュレータ、古いコンピュータのエミュレータ
• MAME, NES, ANEX86/T98, PC98E, …
– 特定OSが提供するシステムコールのエミュレーション
• WINE (WINdows Emulator)
9. 9
仮想化技術から見たx86の歴史
Intel 80861978
vSphere 4.1, RHEV 2.2～2010
vSphere 4.0, Hyper-V 2.0, EL5(KVM)/RHEVオーバーヘッド削減の努力2009
Intel 803861985
|
Xen 2.02004
Hyper-V 1.0メモリ仮想化支援(EPT/NPT)2008
VMware設立1998
RHEL5 (Xen)IOMMU仮想化支援(VT-d)2007
VMware Server, Xen 3.0, KVM開発開始2006
Microsoft Virtual Server R2Intel VT(VT-x, VT-i)2005
x86ハードウェアの仮想化対応
仮想マシンの幕開け
Robert P. Goldberg - Survey of Virtual Machine Research
1975
Xen 1.0, XenSource設立2003
x86仮想化ソフトウェア年
SRA創立(1967)
SRA, VAX-11導入(1980)
10. 10
活性化してきたx86仮想化
• Xen Hypervisorがもたらしたもの
「Windowsが動く」オープンソースのハイパーバイザ
Intel VTを使った代表的な仮想マシン実装
専用カーネルを使う「準仮想化」による高いパフォーマンス
• ハードウェアによる仮想化支援機能の充実
VT-x, VT-I, AMD-V … CPUの仮想化
• さらなる仮想化支援機能の強化
VT-x, VT-I, AMD-V … さらなるパフォーマンス向上
VT-d, AMD IOMMU… 仮想マシンからのPCIデバイスアクセス
EPT/NPT … 仮想マシンのメモリアクセス高速化
「カーネルはX86用OSを使用し、I/O部分のみを準仮想化」する方向へ
12. 12
クラウドに求められる仮想マシンの特性
• クラウドコンピュータ – “規模”が実現するシステム運用
ファシリティ →ラック、データセンタ、コンテナ単位での導入
インシデント駆けつけ型保守 → 計画的保守へ
システム全体としての耐障害性、各ノードの柔軟な構成・運用が必要
• 物理マシンと比べ魅力的な“仮想マシン”の特性
導入後からの構成変更、レプリカの作成が容易
手元でなくとも“完全な管理”
サービス提供用OSの起動・停止が容易
（ソフトウェアで実現でき、専用ハードウェアなどが不要）
仮想化によるパフォーマンス低下
• 運用と性能のどちらを取るか？
13. 13
On-going なトピック
• “ゲストOS”としての各OSの仮想化サポート
– 仮想環境むけデバイスドライバの標準装備化
– 仮想環境における時間管理（Dynamic Tick、PV Timer）
• よりシームレスな統合管理
– ノード管理ツールの強化
– クラウドとしてのリソース管理ツール
VMwareを買うエンドユーザ、内製するサービスベンダ
• 性能が求められる環境に対応するハードウェア
– Device Passthrough
– SR-IOV
• より安価・高速・高信頼なストレージシステム
– 実は仮想マシンにとって一番大事
15. 15
qemu-kvmとQEMU
• QEMU … オープンソースのPCエミュレータ
– ソフトウェアによるCPUおよび関連チップを再現
• ソフトウェアCPU: x86 32bit/64bit, IA64, ARM, SPARC, PowerPC, MIPS
– Bochs由来のBIOSを搭載
– ユーザモードで動作するプログラム
• QEMUからforkした仮想マシンソフトウェア群
– VIrtualBox (Sunによる仮想マシンソフトウェア)
– Xenに含まれるqemu-dm(Xen HVM用ハードウェアエミュレータ)
– kqemu (カーネルモードで動作する、より高速なQEMU)
– qemu-kvm (CPU仮想化にKVMを使用するQEMU)
16. 16
(参考) QEMUを使ったVMM
現Oracle VM(ブランド名)
Sun xVM (ブランド名)
Bochs (2)
QEM U (2)
kQEMU
一部処理(CPU処理)
をkernel modeに持っ
ていって高速化した版
QEMU。KVM登場によ
りdiscon
各種CPUエミュレータ+デバイスエミュレー
タ。Bochsと比べ高速なのがウリ。デスク
トップ用、開発者用ともいえる
PC/AT互換機を再現できる、ほぼ最初の
CPUエミュレータ+デバイスエミュレータ。
KV M (1)
V irtualBox (2)
Sunが開発した
VMM+QEMUのハー
ドウェアエミュレータ
部分による仮想化ソ
フトウェア。とはいえ
H/Wエミュ部分に随
分Sunのコードが入っ
ているのが特徴的？
デスクトップ用
Xen 2.x (1)
PC/ATを再現するのではなく、OS側を
VMMにあわせる「準仮想化」を採用した
VM
Xen 3.0 (1)
Xenの上でPC/ATを
再現できるように
なった最初のバー
ジョン
qemu-dm
Xen用にforkされ改造
されたもの
BIOSコード流用
fork→merge→
discon
fork→merge
qemu-kvm
Linux上でIntel
VT(AMD-V)を利用
するためのカーネル
モジュール。CPU仮
想化、メモリ仮想化
の機能を提供。
QEMUのCPUエミュ
レータを使わずに
KVMを使う。KVMが
H/Wアクセスを検出
した際にqemu-kvm
がH/Wエミュレーショ
ンする仕組み
fork
Xen 4.0 (1)
Oracle V M
Server (1)
H/W emuコード
大量流用
xV M
Hypervisor (1)
×
× コンフリクト
SunがOpenSolaris用
にパッケージした
オープンソース版
Xen。Oracle VM
Serverとコンフリクト
するためdiscon.
Oracleがオープン
ソース版Xenをベー
スに開発。
独自のWindows用ド
ライバ、管理ツール、
Oracle製品サポート
などの特徴を持つ
fork fork
17. 17
KVMが必要とするハードウェアスペック
• 最低要求事項
– CPU
• x86_64 or IA64 (64bit ほぼ必須)
• 仮想化支援技術必須 (Intel VT or AMD-V)
– マザーボード、チップセット
• BIOSレベルで仮想化支援技術が有効であること
– メモリ
• ホストOS使用分: 512MB以上
• ゲストOS使用分: 512MB以上
– その他Linuxカーネルの動作要件を満たすこと
• 推奨スペック
– Intel EPT (Extended Page Tables)/AMD NPT(Nested Page Tables)
18. 18
Red HatのKVMによりサポートされるゲストOS
• virtioドライバが提供されておりパフォーマンスが期待できるもの
– EL3.9 (32bit, 64bit), EL4.7(32bit, 64bit), EL5.3 (32bit, 64bit)
– Windows Server 2003 (32bit, 64bit)
– Windows Server 2008 (32bit, 64bit)
– Windows XP (32bit) – Network driver only
– 2000=NG Vista, 7=?
• RHEL5により公式サポートされるもの
– EL3(32bit), EL4(32bit or 64bit), EL5(32bit or 64bit)
– Windows Server 2003 (32bit, 64bit)
– Windows Server 2008 (32bit, 64bit)
– Windows XP (32bit)
※公式なサポート状況はRed Hatにご確認ください
19. 19
XenとKVMのざっくりした比較
• ハイパーバイザー(VMM)の機能
– Xen: Hypervisorと管理OSの独立性が高い
• 管理OSへの攻撃が難しい?
• XSM (Xen Security Modules) – LSM (Linux Security Module) のXenバージョン
– Linux: Hypervisorと管理OSが融合している
• 比較的コンテキストスイッチが少なく高速
• SELinuxを利用したMAC
• ゲストのサポート状況、サポート方法
– Xen: Linux, NetBSD/FreeBSD, OpenSolaris, Windows
• Xen用カーネルを作成するアプローチ、PVドライバのみ移植するアプローチ
– KVM: Linux, Windows
• virtioドライバを移植するアプローチ
21. 21
x86のプロテクトモード基礎知識
• IAのリングプロテクション基礎知識
– リアルモード(16bit)
• 16ビットまでのデータ操作・メモリ操作
– プロテクトモード(32/64bit)
• 32/64ビットの操作、ページ単位のメモリ管理
• プロテクション リング
– X86 CPUに実装された権限機能
– Ring 0: 特権モード
– Ring 1～2: 使わないのが通例
– Ring 3: ユーザモード
Applications – Ring 3
Operating System Services – Ring 1, 2
Operating System – Ring 0
x86 Protection Rings
NTOSKRNL
linux-kernel
Apache
calc.exe
22. 22
QEMUによるVMの動作原理
• QEMU の基本動作
– VM上のコードを実行する前に、コードを確認する
• CPU上で直接実行できない命令（例：仮想メモリの設定、権限管理）
対応するルーチンを実行
• 通常の命令（例：仮想メモリに対する操作、演算など）
直接実行
– VM上のコードが実行された時にCPUで例外を捕捉する
• VMの権限で直接実行できない命令（例：I/Oポート操作）
デバイスエミュレータで原因を解析、エミュレーションしVM実行を
継続
• ゲストに未割り当てのページアクセス
メモリを割り当て、VM実行を継続
23. 23
Intel VT, AMD-Vの基礎知識
• 仮想マシン実行用モードの追加
メモリ上の仮想マシン情報を基に、VMを実行する
必要に応じて制御をゲストから奪い、VMM(仮想マシンモニタ)へ戻す
linux-kernel
kvm
Guest kernel
VMX Root VMX nonroot
仮想マシンへの突入
VMLAUNCH/VMRESUME (Intel)
VMRUN (AMD)
仮想マシンからの復帰
特権命令、I/O操作等→VMEXIT
VMCS
VMCB(AMD)
VMCS
VMCB(AMD)
VMCS
VMCB(AMD)
Apache
calc.exe
qemu-kvm
25. 25
qemu-kvmにおける制限事項
• 仮想化支援技術が必須
– Intel VT(VT-x) もしくは AMD-V
従来x86 CPUの特権モードに加え「VMX root」「VMX nonroot」を提供
VM専用空間(VMX nonroot)でVM上の命令を実行
非互換命令などにあたったら、VMM側(VMX root)に制御を戻す
• 仮想化支援技術にともなうゲストの制限
– CPU
• qemu-kvmは、基本的に実CPU上でVMを直接実行する
• 実CPUが実行可能なコード（OS, アプリケーション）のみ実行可能
• 実際に搭載したCPUができない事はVM内でも「できない」
（エラーをトラップしエミュレーションすることは技術的には可能）
26. 26
KVM kernel moduleが提供する
インターフェイス
• /dev/kvm … 特殊なデバイス
– ioctl()で操作する
– 主な機能
• 新しいVMの作成
• VMへのメモリ割り当てリクエスト
• vCPUのレジスタの読み書き
• vCPUへの割り込み挿入
• vCPUの実行開始
• I/Oハンドラの登録
• qemu-kvmが/dev/kvmを通してVMを制御する
27. 27
qemu-kvmからのKVMモジュール操作
599 int kvm_run(CPUState *env)
600 {
601 int r;
602 kvm_context_t kvm = &env->kvm_state->kvm_context;
603 struct kvm_run *run = env->kvm_run;
604 int fd = env->kvm_fd;
605
606 again:
………
610 }
626 r = ioctl(fd, KVM_RUN, 0);
645 if (1) {
646 switch (run->exit_reason) {
647 case KVM_EXIT_UNKNOWN:
650 case KVM_EXIT_FAIL_ENTRY:
653 case KVM_EXIT_EXCEPTION:
660 case KVM_EXIT_IO:
661 r = kvm_handle_io(run->io.port,
662 (uint8_t *)run + run->io.data_offset,
663 run->io.direction,
664 run->io.size,
665 run->io.count);
666 r = 0;
667 break;
668 case KVM_EXIT_DEBUG:
………
694 default:
701 }
702 }
kvm-main.c
1370 static long kvm_vcpu_ioctl(struct file *filp,
1371 unsigned int ioctl, unsigned long arg)
1372 {
1373 struct kvm_vcpu *vcpu = filp->private_data;
1374 void __user *argp = (void __user *)arg;
1375 int r;
1376 struct kvm_fpu *fpu = NULL;
1377 struct kvm_sregs *kvm_sregs = NULL;
1378
1379 if (vcpu->kvm->mm != current->mm)
1380 return -EIO;
1381 switch (ioctl) {
1382 case KVM_RUN:
1383 r = -EINVAL;
1384 if (arg)
1385 goto out;
1386 r = kvm_arch_vcpu_ioctl_run(vcpu, vcpu->run);
1387 break;
1388 case KVM_GET_REGS: {
….
1404 break;
1405 }
VMを実行後何がおき
たかを確認し、対処
仮想化支援機能を使
用してVMを実行する
28. 28
CPU仮想化のまとめ
CPUの仮想化支援機能
Intel VT-x/VT-I
AMD-V
x86のリングプロテクションに加え、さらにVMMをサポートするための
命令セットが追加されている
KVMカーネルモジュール
CPUの仮想化支援機能を使用して、おもに以下の処理を行う
• VM起動
• VM停止
• ハードウェアI/Oが発生したときのディスパッチ
• メモリの管理
制御はioctl()を使って行う
30. 30
メモリ管理
• 実機環境（ベアメタル + OS）では
– OSが物理メモリすべてを認識し、管理する
– OSは、物理メモリの一部をカーネル用とし、各プロセスの要
求に応じてメモリを割り当てる
• 仮想化環境では
– VMMがVM物理メモリすべてを認識し、管理する
– VMMがVMに対して指定容量のメモリを割り当てる
– VMは割り当てられたメモリが物理メモリ全体と信じて動作す
る
– ゲストOSは、VMに割り当てられたメモリからカーネル用、各
プロセス用のメモリ空間を確保する
32. 32
メモリ管理、ちょっと寄り道(2/2)
procedure CR3Read(var p : Pointer);
asm
mov p, cr3
end;
// エディットボックスEdit1の内容が変更されたら、その内容を
// 文字列バッファbuffにコピーする。
procedure TForm1.Edit1Change(Sender: TObject);
begin
StrPCopy(@buff, Edit1.Text);
end;
// Button1がクリックされたら、文字列バッファがどこにあるか
// アドレスを表示し、また、バッファ上の文字列を表示する。
procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
var
s: String;
begin
s := format('バッファは0x%pにあります。', [ @buff ]);
memo1.lines.add(s);
s := format('このアドレスには文字列 %s が記録されています。',
[ PChar(@buff) ] );
memo1.lines.add(s);
end;
// Button2がクリックされたら CR3 を読み取り、表示する。
// ※特権命令があるため、実際には成功しない
procedure TForm1.Button2Click(Sender: TObject);
var
p: Pointer;
s: String;
begin
CR3Read(p);
s := format('このプロセスのCR3は %p を指しています。',
[ p ] );
memo1.lines.add(s);
end;
サンプル ダウンロード先
http://bit.ly/aPn3zm
33. 33
x86におけるメモリ管理の基本 #1
メモリアクセス
要求 CR3
Page Directory
Page Directory
Page Table
Page Table
Page Table
Page Table
Page Table
Page Table
10bits(2^10=1024)分のテーブル
PDE(32bits) × 1024 = 4KB (1page)
10bits(2^10=1024)分のテーブル
PTE(32bites) = 4KB (1page)
Page
プロセスが実際にアクセスすべき
メモリ空間(12bits) 2^12=4KB
10+10+12=32bitのメモリ空間を2段のぺージテーブルで表現
(64bit環境では4段のページテーブルで48bitアドレス空間を表現) Linux (or other OS) Kernel
process
PTPD PTPD PT PT
Page Page Page Page
process
PTPD PTPD PT PT
Page Page Page Page
process
PTPD PT PT PT
Page Page Page Page
qemu-kvm
PTPD PTPD PT PT
Page Page Page Page
CR3 IP …
CR3 IP …
CR3 IP …
CR3 IP …process 4
プロセステーブル
process 1
process 2
process 3
そのプロセスの仮想メモリ空間と
物理メモリ空間の対応を定義する
Page Directoryのポインタ、他
36. 36
KVM, QEMUにおける
VMへの仮想物理メモリ割当 #1
• VMのメモリ空間はqemu-
kvm(or QEMU)のデータ領域
として確保される
– 他の一般なプロセスと同じ扱い
• Linuxカーネルから見ればただ
のユーザスペースのデータ領
域に過ぎない
Linux Kernel
qemu-kvm (or QEMU)
VM Image
process
process
process
物理メモリ
37. 37
KVM, QEMUにおける
VMへの仮想物理メモリ割当 #2
514 void *kvm_create_phys_mem(kvm_context_t kvm, unsigned long phys_start,
515 unsigned long len, int log, int writable)
516 {
517 int r;
518 int prot = PROT_READ;
519 void *ptr;
520 struct kvm_userspace_memory_region memory = {
521 .memory_size = len,
522 .guest_phys_addr = phys_start,
523 .flags = log ? KVM_MEM_LOG_DIRTY_PAGES : 0,
524 };
525
526 if (writable)
527 prot |= PROT_WRITE;
528
530 ptr = mmap(NULL, len, prot, MAP_ANONYMOUS | MAP_SHARED, -1, 0);
535 if (ptr == MAP_FAILED) {
536 fprintf(stderr, "%s: %s", __func__, strerror(errno));
537 return 0;
538 }
539
540 memset(ptr, 0, len);
541
542 memory.userspace_addr = (unsigned long)ptr;
543 memory.slot = get_free_slot(kvm);
549 r = ioctl(kvm->vm_fd, KVM_SET_USER_MEMORY_REGION, &memory);
550 if (r == -1) {
551 fprintf(stderr, "%s: %s", __func__, strerror(errno));
552 return 0;
553 }
554 register_slot(memory.slot, memory.guest_phys_addr, memory.memory_size,
555 memory.userspace_addr, memory.flags);
556
557 return ptr;
558 }
プロセス内に仮想マシン用
のメモリ領域を確保
VMのメモリ空間に、確保し
たメモリ領域を割り当て
38. 38
VM上のページング① - ソフトウェア処理
Shadow Page Table (SPT) #1
OS Kernel
Process 1
Process 2
Process 3
Process 4
ゲストOSの
メモリ空間
物理メモリ
PTPD PTPD PT PT
PTPD PTPD PT PT
VM上の は、ゲストOSが管理するページテーブル
である。
ゲストOSはVMに割り当てられたメモリ空間を物理メモリ空間全体と
信じてページテーブルを作成する。
PTPD PTPD PT PT
VM上のコードを実行する際、CPUはVMのメモリ空間で動作しなけれ
ばいけない。この際に参照すべきページテーブルは何か？
VM上のゲストOSが管理する をCPUが参照すると
、物理メモリ空間が見えてしまい、本来ゲストOSが意図したページへ
アクセスされない。
PTPD PTPD PT PT
この問題を解決するため、仮想化ソフトウェアはシャドウページテー
ブル を作成する。これは、VM上の仮想メモリ空間
を物理ページにマッピングする内容となるため、CR3レジスタに
を設定することでCPUがVMのアドレス空間を解決可能となる。
PDVMへの割当ページ情報
PTPD PTPD PT PT
また、VM上のコード実行時、ページ読み書きの際に
のAccess bit, Dirty bitがアップデートされる。これらは
へ、逆に同期する必要がある。
PTPD PTPD PT PT PTPD PTPD PT PTVMへの割当ページ情報＝ ＋
PTPD PTPD PT PT
PTPD PTPD PT PT
PD
sync
sync
①
②
③
④
⑤
39. 39
VM上のページング① - ソフトウェア処理
Shadow Page Table (SPT) #2
• VVMが、VM内で使われるページテーブルを基に Guest Virtual →
Machine-Physicalのページ追跡に使用するページテーブルを作成
1. VM上からハイパーコールが実行される
2. VMMがvCR3を読み取りVMに制御を戻す
1. VMが管理するvCR3を読み取ろうとする
2. VMX non-rootからVMEXITする
3. VMMがVMEXITの原因を確認し、vCR3を読み取りを再現して再度
VMENTERする
CR3参照
Intel VT / AMD-Vなしの場合Intel VT / AMD-V ありの場合
1. VM上からハイパーコールが実行される
2. VMMがvCR3を書き込んだことにする
3. Shadow Page Table を更新する
4. VMMがVMに制御を戻す
1. VMMが命令をスキャンし、CR3読み書き等の命令を洗い出す
2. 見つかった命令群をハイパーコールに書き換え
1. VMがメモリにアクセスする(この際、実CR3=SPT)
2. CPUがSPTを使用してゲストの仮想アドレスをホストの物理アドレス空間に解決
通常ページへの読み書き
1. VMがメモリにアクセスする(この際、実CR3=SPT)
2. VMからSPT(VMMのメモリ空間)に書き込めないためページフォルトを引き起こす
3. VMMがVM中のページテーブルを更新
4. VMMがvCR3の示すページテーブルにあわせてSPTを更新
ページテーブル書込
1. VMがメモリにアクセスする(この際、実CR3=SPT)
2. VMからSPT(VMMのメモリ空間)を読めずページフォルトを引き起こす
3. VMMが、必要に応じてSPT上のAccess bit, Dirty bitをVM上のページテーブルへ転記
4. VMMが、VMのvCR3が示すページテーブルを返す
ページテーブル参照
1. VMがvCR3を書き込もうとする
2. VMX non-rootからVMEXITする
3. VMMがVMEXITの原因を確認し、vCR3を書き込みを再現する
4. VMMがShadow Page Table を更新する
5. VMMが再度VMENTERし、VMに制御を戻す
CR3書込
(前処理不要)（命令実行前）
実際の操作VM内の操作
40. 40
Linux + KVMLinux + KVMqemu-kvmqemu-kvm
VM’s Page Table Shadow Page Table
VM上のページング① - ソフトウェア処理
Shadow Page Table (SPT) #3
VM内の4段ページテーブル
(64bitの場合、32bitの場合は2段)
CR3
Page
Page
Page
PML4
PDPT
PD
PT
CR3
例外による操作検出
内容の同期
PML4
PDPT
PD
PT
VM内で見える
CR3
VM内で実際に
CPUが使っている
CR3
TLB参照
TLB更新
メモリアクセス
要求
41. 41
VM上のページング① - ソフトウェア処理
Shadow Page Table (SPT) #4
SPTの問題点
• 必要メモリ量 (VM上のPT, VMM上の割当テーブル、さらにSPT)
• VMMコードのプロファイリングを行うと、約75%がSPT関連処理
It is estimated that for certain workloads shadow paging can account for up to 75% of
overall hypervisor overhead.
- AMD-V™ Nested Paging, ©2008 Advanced Micro Devices, Inc.
KVMはShadow Page Tableのパフォーマンスが高くない
• 新CPUのVM用ページング支援機能を利用するのが前提
• SPTのサポートはあくまで互換性目的
• SPTの性能はXen > KVM
42. 42
VM上のページング② - ハードウェア処理
Extended Page Tables(EPT)/AMD Nested Page Tables(NPT) #1
• 物理（ベアメタル）環境
– Memory Management Unit (MMU) – ハードウェア実装
– CR3レジスタで指定されたページテーブルに従ってCPUが仮想メモリ機能を提供
• これまでの仮想化環境
– VMMが、VM向けのページテーブルをソフトウェア的に再現
– VMMが、ゲストOSのページテーブルをベースに
VM内仮想アドレス→物理アドレレスのテーブルを作成、管理
(Shadow Page Table)
• EPT/NPT有効時の仮想化環境
– VMの物理アドレス(Guest-Physical)を実際の物理アドレス(Machine-Physical)に
変換する機能を提供
– VMMは必要なページテーブル情報をメモリ上に作成、CPUに設定する
– ゲスト実行時のページテーブル参照をCPUが自動処理
– パフォーマンスの大幅向上。KVMの場合約30%
43. 43
Linux + KVMLinux + KVMqemu-kvmqemu-kvm
VM’s Page Table Shadow Page Table
VM内の4段ページテーブル
(64bitの場合、32bitの場合は2段)
メモリアクセス
要求
CR3
Page
Page
Page
PML4
PDPT
PD
PT
CR3
例外による操作検出
内容の同期
Extended Page Table
PML4
PDPT
PD
PT
PML4
PDPT
PD
PT
VM上のページング② - ハードウェア処理
Extended Page Tables(EPT)/AMD Nested Page Tables(NPT) #2
VM実行時実際に
CPUが使っている
CR3
VMMが作成した、
VMへのメモリ割当を
示すテーブル
VM内で見える
CR3
46. 46
• I/Oポート
– プロセッサから外部に接続するためのデジタルインターフェイス
– ON(1) もしくは OFF(0) を通信する
– 1アドレス 8ビット×64K、アクセス単位が基本8ビットなので非常に低速
【使途】キーボードの押下状況確認、ディスクコントローラの状態設定、通知など
• ダイレクトメモリアクセス(Direct Memory Access)
– DMAコントローラがデバイス上のメモリ-メインメモリ間のデータ転送を行う
【使途】VGA, Sound, Disk Controller, Ethernet Controller など大量コピー
• メモリマップドI/O (Memory Mapped I/O)
– プロセッサの物理メモリ空間に、デバイス上のメモリ空間をマッピングする
– ソフトウェアからデバイス上のメモリ空間に直接アクセスできる
【使途】VGA, Sound, Disk Controller, Ethernet Controller など大量コピー
• 割り込み(Interrupt)
– デバイスからCPUへイベントを通知するための信号
【使途】タイマーの通知、キーボードの状態変化通知、データ転送完了通知(DMA, MMIO)など
x86で使用される主なデバイスI/O方式
47. 47
Serial
Port
Serial
Port
Parallel
Port
Parallel
Port
PIIX3 PCI IDEPIIX3 PCI IDE
PIIX3 PCI USBPIIX3 PCI USB
PCI SlotPCI Slot
PCI SlotPCI Slot
LSI Logic
LSI53c895a
LSI Logic
LSI53c895a
System MemorySystem Memory
Bochs
Flash BIOS
Bochs
Flash BIOS
Real Time
Clock
Real Time
Clock
Cirrus Logic
CL-GD5446
Cirrus Logic
CL-GD5446
Realtek
RTL8029
Realtek
RTL8029
Ensoniq
ES1370
Ensoniq
ES1370
ISA
Bus
ISA
Bus
ISA
I/O Interface
ISA
I/O Interface
FloppyFloppy
PC SpeakerPC Speaker
PCI
Bus
PCI
Bus
Intel 82371 PIIX3
(South-bridge)
Intel 82371 PIIX3
(South-bridge)
CPUCPU
VGAVGA
EthernetEthernet
SpeakerSpeaker
SCSI HDDSCSI HDD
IDE HDDIDE HDD
CD-ROMCD-ROM
USBUSB
KeyboardKeyboard
MouseMouse
PS/2PS/2
QEMUによる
x86ハードウェアエミュレーション
出典: KVM徹底入門 (2010年 翔泳社)
Intel 82441FX
(North-bridge)
Intel 82441FX
(North-bridge)
48. 48
KVMによる
x86ハードウェアエミュレーション
• QEMU由来のデバイスエミュレータを使用
– Xen, VirtualBox等オープンソースの仮想
マシンはほとんどQEMU由来のエミュレ
ータを使用している
• 仮想デバイスの処理の流れ
– VM内でハードウェアアクセスが発生！
– CPUがゲストOSからホストOSへ制御を返
す
– KVMが例外をトラップし、QEMUのイベン
トハンドラに制御を移す（返す）
– QEMUのイベントハンドラがトラップの原
因を確認し、適宜必要な処理を行う
仮想デバイスに対するI/O なら
デバイスエミュレータを実行
– QEMUがKVMに、KVMがVMに制御を戻
す
– VMはハードウェアアクセスが成功したと
信じて実行を続ける
LinuxカーネルLinuxカーネル
KVM
カーネルモジュール
KVM
カーネルモジュール
qemu-kvmqemu-kvm
VM Image
Event Handler,
Device Emulator
ハードウェアハードウェア
デバイスドライバ
デバイスドライバ
①
②
③
③’
49. 49
733 static int kvm_handle_io(uint16_t port, void *data, int direction, int size,
734 uint32_t count)
735 {
736 int i;
737 uint8_t *ptr = data;
738
739 for (i = 0; i < count; i++) {
740 if (direction == KVM_EXIT_IO_IN) {
741 switch (size) {
742 case 1:
743 stb_p(ptr, cpu_inb(port));
744 break;
745 case 2:
746 stw_p(ptr, cpu_inw(port));
747 break;
748 case 4:
749 stl_p(ptr, cpu_inl(port));
750 break;
751 }
752 } else {
753 switch (size) {
754 case 1:
755 cpu_outb(port, ldub_p(ptr));
756 break;
757 case 2:
758 cpu_outw(port, lduw_p(ptr));
759 break;
760 case 4:
761 cpu_outl(port, ldl_p(ptr));
762 break;
763 }
764 }
765
766 ptr += size;
767 }
768
769 return 1;
770 }
KVMによる
x86 H/Wエミュレーション (ソース追跡編 #1)
599 int kvm_run(CPUState *env)
600 {
601 int r;
602 kvm_context_t kvm = &env->kvm_state->kvm_context;
603 struct kvm_run *run = env->kvm_run;
604 int fd = env->kvm_fd;
605
606 again:
………
610 }
626 r = ioctl(fd, KVM_RUN, 0);
645 if (1) {
646 switch (run->exit_reason) {
647 case KVM_EXIT_UNKNOWN:
650 case KVM_EXIT_FAIL_ENTRY:
653 case KVM_EXIT_EXCEPTION:
660 case KVM_EXIT_IO:
661 r = kvm_handle_io(run->io.port,
662 (uint8_t *)run + run->io.data_offset,
663 run->io.direction,
664 run->io.size,
665 run->io.count);
666 r = 0;
667 break;
668 case KVM_EXIT_DEBUG:
………
694 default:
701 }
702 }
703 more:
704 if (!r) {
705 goto again;
706 }
707 return r;
708 }
qemu-kvm.c
kvm_run関数 (VM実行部分)
VM実行
kvm-all.c
kvm_handle_io関数 (I/Oイベントハンドラ)
読み取り????
I/Oポートへの
書き込み
ioport.c
201 void cpu_outw(pio_addr_t addr, uint16_t val)
202 {
203 LOG_IOPORT("outw: %04"FMT_pioaddr" %04"PRIx16"n", addr, val);
204 ioport_write(1, addr, val);
205 }
ioport.c
70 static void ioport_write(int index, uint32_t address, uint32_t data)
71 {
72 static IOPortWriteFunc * const default_func[3] = {
73 default_ioport_writeb,
74 default_ioport_writew,
75 default_ioport_writel
76 };
77 IOPortWriteFunc *func = ioport_write_table[index][address];
78 if (!func)
79 func = default_func[index];
80 func(ioport_opaque[address], address, data);
81 }
I/O発生 → QEMUの
イベントハンドラへ
I/Oポートに対応する
イベントハンドラへ
50. 50
フロッピーディスクコントローラをQEMUに登録
1955 static int isabus_fdc_init1(ISADevice *dev)
1956 {
1957 fdctrl_isabus_t *isa = DO_UPCAST(fdctrl_isabus_t, busdev, dev);
1958 fdctrl_t *fdctrl = &isa->state;
1959 int iobase = 0x3f0;
1960 int isairq = 6;
1961 int dma_chann = 2;
1962 int ret;
1963
1964 register_ioport_read(iobase + 0x01, 5, 1,
1965 &fdctrl_read_port, fdctrl);
1966 register_ioport_read(iobase + 0x07, 1, 1,
1967 &fdctrl_read_port, fdctrl);
1968 register_ioport_write(iobase + 0x01, 5, 1,
1969 &fdctrl_write_port, fdctrl);
1970 register_ioport_write(iobase + 0x07, 1, 1,
1971 &fdctrl_write_port, fdctrl);
1972 isa_init_irq(&isa->busdev, &fdctrl->irq, isairq);
1973 fdctrl->dma_chann = dma_chann;
1974
1975 ret = fdctrl_init_common(fdctrl, iobase);
1976
1977 return ret;
1978 }
QEMUからの通知を受け取るイベントハンドラ
589 static uint32_t fdctrl_read_port (void *opaque, uint32_t reg)
590 {
591 return fdctrl_read(opaque, reg & 7);
592 }
593
594 static void fdctrl_write_port (void *opaque, uint32_t reg, uint32_t value)
595 {
596 fdctrl_write(opaque, reg & 7, value);
597 }
598
599 static uint32_t fdctrl_read_mem (void *opaque, target_phys_addr_t reg)
600 {
601 return fdctrl_read(opaque, (uint32_t)reg);
602 }
603
604 static void fdctrl_write_mem (void *opaque,
605 target_phys_addr_t reg, uint32_t value)
606 {
607 fdctrl_write(opaque, (uint32_t)reg, value);
608 }
KVMによる
x86 H/Wエミュレーション (ソース追跡編 #２)
529 static uint32_t fdctrl_read (void *opaque, uint32_t reg)
530 {
531 fdctrl_t *fdctrl = opaque;
532 uint32_t retval;
533
534 switch (reg) {
535 case FD_REG_SRA:
536 retval = fdctrl_read_statusA(fdctrl);
537 break;
538 case FD_REG_SRB:
539 retval = fdctrl_read_statusB(fdctrl);
540 break;
541 case FD_REG_DOR:
542 retval = fdctrl_read_dor(fdctrl);
543 break;
…
556 default:
557 retval = (uint32_t)(-1);
558 break;
559 }
561
562 return retval;
563 }
レジスタの読み取りエミュレーション
847 /* Status B register : 0x01 (read-only) */
848 static uint32_t fdctrl_read_statusB (fdctrl_t *fdctrl)
849 {
850 uint32_t retval = fdctrl->srb;
854 return retval;
855 }
I/Oポートアクセス
qemu-0.12.5/hw/fdc.c (仮想フロッピーディスクコントローラ)
QEMU I/Oポートテーブル
52. 52
QEMUの仮想デバイスを選択する(2/3)
• どれぐらい効率が違うものか？
58.3Mbps 対 394Mbps (6.75倍)
C:¥>iperf -c 192.168.44.25 -w 4M
------------------------------------------------------------
Client connecting to 192.168.44.25, TCP port 5001
TCP window size: 4.00 MByte
------------------------------------------------------------
[1912] local 192.168.44.77 port 3334 connected
with 192.168.44.25 port 5001
[ ID] Interval Transfer Bandwidth
[1912] 0.0-10.1 sec 474 MBytes 394 Mbits/sec
C:¥>iperf -c 192.168.44.25 -w 4M
------------------------------------------------------------
Client connecting to 192.168.44.25, TCP port 5001
TCP window size: 4.00 MByte
------------------------------------------------------------
[1912] local 192.168.44.77 port 3334 connected
with 192.168.44.25 port 5001
[ ID] Interval Transfer Bandwidth
[1912] 0.0-10.1 sec 474 MBytes 394 Mbits/sec
e1000C:¥>iperf -c 192.168.44.75 -w 4M
------------------------------------------------------------
Client connecting to 192.168.44.75, TCP port 5001
TCP window size: 4.00 MByte
------------------------------------------------------------
[1912] local 192.168.44.77 port 3318 connected
with 192.168.44.75 port 5001
[ ID] Interval Transfer Bandwidth
[1912] 0.0-10.5 sec 73.1 MBytes 58.3 Mbits/sec
C:¥>iperf -c 192.168.44.75 -w 4M
------------------------------------------------------------
Client connecting to 192.168.44.75, TCP port 5001
TCP window size: 4.00 MByte
------------------------------------------------------------
[1912] local 192.168.44.77 port 3318 connected
with 192.168.44.75 port 5001
[ ID] Interval Transfer Bandwidth
[1912] 0.0-10.5 sec 73.1 MBytes 58.3 Mbits/sec
rtl8193
評価環境
Machine: Intel DQ45CB + Core2 Quad Q8400 (2.6GHz)
Host: Debian GNU/Linux (Lenny) + xen-unstable (Aug. 2010)
Guest: Windows xp SP3, 1 vCPU
56. 56
virtioの概要
• virtioとは
– PCIデバイスを模倣した仮想的
なデバイスを提供する
– virtioは「インターフェイス」を定
義する。H/Wエミュレータ、ゲス
トOSに非依存
– 各デバイスは１つ１つが独立し
動作
• virtio Block x2→ PCIデバイス x2
• 例外あり（ドライバ実装に依存）
– 非常に高速
• 仮想PCIデバイスの格好をして
いるが、実際は準仮想化的な
動作をするため非常に高速
H/WエミュレータH/Wエミュレータ
仮想マシン仮想マシン
ハードウェアハードウェア
PCI Bus
PCI Bus
virtio
Ballon
virtio
Ballon
virtio
Block
virtio
Block
virtio
Block
virtio
Block
virtio
Net
virtio
Net
virtio
Ballon
virtio
Ballon
virtio
Block
virtio
Block
virtio
Block
virtio
Block
virtio
Net
virtio
Net
58. 58
virtioのリングバッファ構造
• リングバッファ
– ホスト－ゲスト間のデータ交換
を行う
– デバイスあたり1つ以上使用
– リングの構成（数・長さ）はバッ
クエンドドライバが指定
• virtio共通の初期化処理
（フロントエンド視点）
– バックエンドドライバをプローブ
– ゲストのメモリ空間にバッファを
確保
– ホスト側にバッファ位置を通知
H/WエミュレータH/Wエミュレータ
仮想マシン仮想マシン
ハードウェアハードウェア
PCI Bus
PCI Bus
virtio
Ballon
virtio
Ballon
virtio
Block
virtio
Block
virtio
Block
virtio
Block
virtio
Net
virtio
Net
virtio
Balloon
virtio
Balloon
virtio
Block
virtio
Block
virtio
Block
virtio
Block
virtio
Net
virtio
Net
59. 59
virtioのリングバッファ利用例(virtio net)
• キュー 0
– 受信パケット用キュー
• キュー 1
– 送信パケット用キュー
• キュー 2
– ドライバ制御情報
H/WエミュレータH/Wエミュレータ
仮想マシン仮想マシン
ハードウェアハードウェア
PCI Bus
PCI Bus
virtio-net デバイスドライバ
virtio-net デバイスドライバ
virtio-net PCIデバイス
virtio-net PCIデバイス
Queue 0 Queue 1 Queue 2
受信
パケット
送信
パケット
ドライバ
制御情報
60. 60
ゲスト側ゲスト側
virtioのリングバッファ構造(1/2)
• キューの位置を示す2つのポインタ
– ホストが最後に読み取った位置
(vring.used.idx)
– データが入っている終端位置
(vring.avail.idx)
– 互いに絶対追い抜いてはいけない
– Lock-Free
• Guestがキューにデータを追加する
– キューにデータを書き込む;
– vring.avail.idx += num_bufs;
• Hostがキューからデータを読む
– while (vring.used.idx <
vring.avail.idx) {
キュー上のデータを処理;
vring.used.idx++;
}
vring.avail.idx
vring.used.idx
データ受信側データ受信側
• Guestがキューからデータを読む
– while (last_used_idx <
vring.used.idx) {
キュー上のデータを処理;
last_used_idx ++;
}
• リングの仕組みは共有コード上に実装
– 各ドライバごとの実装は不要
61. 61
virtioのリングバッファ構造(2/2)
• 従来モード
– リング上にバッファのアドレス情報をおく
– 1メモリ断片／1エントリ
• indirectモード
– リング上にindirectテーブルのアドレス
情報をおき、実際のバッファを間接参照
– 1以上のメモリ断片／1エントリ
• virtio-netの例
– RX/TXのデータ構造の例
• TX(RX)パケット情報の構造体 × 1
• Ethernetフレーム × 1
– リングの構造： 256エントリ/ring
• 従来モード: 256 ÷ 2 = 128
• indirectモード: 256 ÷ 1 = 256
indirectモードのほうが多数パケットを
キューできる
従来モード（過去バージョンのvirtio互換)
indirectモード（現行virtioでサポートされる）
干し柿の写真
62. 62
virtioのリングバッファ更新通知
• Guest → Host
– 通知用I/Oポートにデータを書き込
む
– H/WエミュレータのI/Oポートハンド
ラをキックする
• Host → Guest
– 仮想ハードウェアがIRQ割り込みを
起こす
– ゲストの割り込みハンドラをキック
する
• キックの抑制
– リング ディスクプリタ上にフラグを設
定した場合、相手に通知されない
– VRING_USED_F_NO_NOTIFY
(G→H I/Oポートキックの抑制)
– VRING_AVAIL_NO_INTERRUPT
(H→G IRQ割り込みの抑制)
H/Wエミュレータ (Host)H/Wエミュレータ (Host)
仮想マシン ( Guest)仮想マシン ( Guest)
ハードウェアハードウェア
PCI Bus
PCI Bus
virtio フロントエンド デバイスドライバ
virtio フロントエンド デバイスドライバ
virtio バックエンド PCIデバイスvirtio バックエンド PCIデバイス
IRQ割り込み
でキック
I/Oポートを
通してキック
63. 63
virtio-blkが遅い? - 原因を考えてみる
現状のvirtio-blkの実装は…
– リングはひとつだけ使用
– I/O要求、I/O結果の繰り返し
SCSI, SATAのNCQ相当が効かない？
– リングは“順番に処理”が原則
– Host OS, Driver, Driveのレベルで
I/O要求の並べ替えが行われない
virtio-blkはI/Oの乱発が苦手？
– マルチスレッドI/Oもきっと苦手
性能より実装容易化を重視した？
今後、マルチキューサポートで改善？ H/WエミュレータH/Wエミュレータ
仮想マシン仮想マシン
PCI Bus
PCI Bus
virtio-blk デバイスドライバ
virtio-blk デバイスドライバ
virtio-blk PCIデバイスvirtio-blk PCIデバイス
Queue 0
I/O
要求
I/O
結果
64. 64
virtio関連ソースコードとライセンス形態
• ホスト側（バックエンド側）
– QEMUソースコードを参照
– Git
• ゲスト側（フロントエンド側）
– Linuxソースコードを参照
– ファンクションドライバ
drivers/net/virtio-net.c
drivers/block/virtio-blk.c ほか
– 共有ソースコード
drivers/virtio/
virtio_pci.c （仮想PCIデバイス）
virtio_ring.c （リングバッファ）
コードのライセンス形態
アルゴリズム
（関数定義、マクロ）
アルゴリズム
（関数定義、マクロ）
データ構造、定数
（構造体など）
データ構造、定数
（構造体など）
BSDL
GPL
65. 65
FreeBSD用virtioドライバ
$ ifconfig vn0
vn0: flags=8843<UP,BROADCAST,RUNNING,SIMPLEX,MULTICAST> metric 0 mtu 1500
ether 52:54:00:1f:61:0e
inet 192.168.90.1 netmask 0xffffff00 broadcast 255.255.255.0
$
[root@proliant2 ~]# ifconfig vnet2
vnet2 Link encap:Ethernet HWaddr FE:54:00:1F:61:0E
inet6 addr: fe80::fc54:ff:fe1f:610e/64 Scope:Link
UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1
RX packets:2828598448 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:1424299907 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:500
RX bytes:4267254392920 (3.8 TiB) TX bytes:93999838700 (87.5 GiB)
Guset OS (FreeBSD) から見ると
Host OS (Linux, Fedora 14) から見ると
66. 66
FreeBSD用virtioドライバ
モチベーション
• virtioを理解するために開発中
Why on FreeBSD?
• FreeBSDなら実用価値もある？
– さくらのVPS
• BSDL
現段階の実装状況
• リングバッファ（主要機能のみ）
• virtio-net
virtio-net for FreeBSD
テスト状況
• 2TiB TX, 1TiB RX以上の負荷試験
• 32bit OS未確認(AMD64にて開発)
パフォーマンス
• 1vCPU VM: TX 110Mbps
• 2vCPUs VM: TX 40Mbps
• 1vCPU VM+HW Emulation
TX 100MBps
69. 69
外部リソース集 (1/2)
• KVM - Kernel Based Virtual Machine
http://www.linux-kvm.org/page/
• QEMU
http://wiki.qemu.org/
• virtio
http://www.linux-kvm.org/page/virtio
• AMD-V™ Nested Paging
http://developer.amd.com/assets/NPT-WP-1%201-final-TM.pdf
• Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual
Volume 3A, 3B
