Generell wird zwischen zwei verschiedenen Möglichkeiten der Virtualisierung unterschieden, wie es erstmals Popek und Goldberg 1974 aufgezeigt haben. Die erste Möglichkeit der Virtualisierung ist der Hypervisor 1. Der Typ-1-Hypervisor ist das einzige Programm, welches mit den höchsten Privilegien läuft, und entspricht damit nach technischen Aspekten dem Betriebssystem. Ähnlich den Prozessen, die auf einen normalen Betriebssystem laufen, unterstützt dieser mehrere Kopien der realen Hardware, sogenannte virtuelle Maschinen.
Der Typ-2-Hypervisor, manchmal auch gehosteter Hypervisor genannt, arbeitet gegenüber dem Typ-1-Hypervisor auf eine andere Art und Weise. Ähnlich einem gewöhnlichen Prozess belegt und ordnet dieser Ressourcen zeitlich zu, wie ein Benutzerprogramm das beispielsweise auf Windows oder Linux basiert. Weiterhin simuliert der Typ-2-Hypervisor, ein vollständiger Rechner mit einer CPU und diversen Geräten zu sein. Dennoch müssen sowohl der eine als auch der andere Hypervisortyp den Befehlssatz der Maschine auf sichere Art ausführen. So ist es beispielsweise möglich, dass das Betriebssystem, welches oberhalb des Hypverisors läuft, seine eigenen Seitentabellen verändern oder sogar durcheinanderbringen kann, allerdings nicht die Tabellen von anderen. Bei beiden Hypervisoren wird das Betriebssystem, das oberhalb von diesen läuft, Gast-Betriebssystem genannt. Beim Typ-2-Hypervisor ist zwischen ihm und der Hardware das Gastgeber-Betriebssystem. Die VMware Workstation war der erste Typ-2-Hypvervisor auf dem x86-Markt.
Inhaltsverzeichnis
1 Virtualisierung Allgemein
1.1 Typ-1 und Typ-2-Hypervisioren
1.2 Virtualisierung der x86-Architektur
1.3 Virtualisierung auf Prozessorebene
1.4 Speichervirtualisierung
1.5 Ein- / Ausgabevirtualisierung
2 Virtualisierung mit VMware
2.1 Allgemein
2.2 Verschachtelte Virtualisierung – Windows 10
Zielsetzung und Themen
Die Arbeit untersucht die technischen Grundlagen der Virtualisierung, insbesondere die Unterschiede zwischen Typ-1- und Typ-2-Hypervisoren sowie die Herausforderungen bei der Virtualisierung der x86-Architektur. Dabei wird analysiert, wie moderne Systeme wie VMware diese komplexen Aufgaben durch Techniken wie Binärübersetzung, Schattenseitentabellen und den sogenannten "World Switch" bewältigen.
- Grundlegende Konzepte und Typen von Hypervisoren
- Herausforderungen bei der Virtualisierung der x86-Architektur
- Methoden der Prozessor- und Speichervirtualisierung
- Technische Architektur des VMware VMM (Virtual Machine Monitor)
- Verschachtelte Virtualisierung (Nested Virtualization)
Auszug aus dem Buch
1.1 Typ-1 und Typ-2-Hypervisioren
Generell wird zwischen zwei verschiedenen Möglichkeiten der Virtualisierung unterschieden, wie es erstmals Popek und Goldberg 1974 aufgezeigt haben. Die erste Möglichkeit der Virtualisierung ist der Hypervisor 1 (siehe Abbildung 1, links). Der Typ-1-Hypervisor ist das einzige Programm, welches mit den höchsten Privilegien läuft, und entspricht damit nach technischen Aspekten dem Betriebssystem. Ähnlich den Prozessen, die auf einen normalen Betriebssystem laufen, unterstützt dieser mehrere Kopien der realen Hardware, sogenannte virtuelle Maschinen.
Der Typ-2-Hypervisor, manchmal auch gehostetet Hypervisor genannt, arbeitet gegenüber dem Typ-1-Hypervisor auf eine andere Art und Weise. Ähnlich einem gewöhnlichen Prozess belegt und ordnet dieser Ressourcen zeitlich zu, wie ein Benutzerprogramm das beispielsweise auf Windows oder Linux basiert. Weiterhin simuliert der Typ-2-Hypervisor, ein vollständiger Rechner mit einer CPU und diversen Geräten zu sein. Dennoch müssen sowohl der eine als auch der andere Hypervisortyp den Befehlssatz der Maschine auf sichere Art ausführen. So ist es beispielweise möglich, dass das Betriebssystem, welches oberhalb des Hypverisors läuft, seine eigenen Seitentabellen verändern oder sogar durcheinanderbringen kann, allerdings nicht die Tabellen von anderen. Bei beiden Hypervisoren wird das Betriebssystem, das oberhalb von diesen läuft, Gast-Betriebssystem genannt (siehe Abbildung 1). Beim Typ-2-Hypervisor ist zwischen ihm und der Hardware das Gastgeber-Betriebssystem. Die VMware Workstation war der erste Typ-2-Hypvervisor auf dem x86-Markt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Virtualisierung Allgemein: Dieses Kapitel erläutert die theoretischen Grundlagen der Virtualisierung, inklusive der Abgrenzung von Hypervisortypen sowie der technischen Komplexität der Virtualisierung von CPU, Speicher und Ein-/Ausgabeschnittstellen.
2 Virtualisierung mit VMware: Hier wird die praktische Implementierung der Virtualisierung durch VMware beleuchtet, insbesondere der Aufbau des VMM sowie die Funktionsweise der verschachtelten Virtualisierung unter Windows 10.
Schlüsselwörter
Virtualisierung, Hypervisor, x86-Architektur, VMware, VMM, Binärübersetzung, Schattenseitentabellen, World Switch, Speichervirtualisierung, Nested Virtualization, Prozessorvirtualisierung, Gast-Betriebssystem, Host-Betriebssystem, Speicherverwaltung, Hardware-Emulation
Häufig gestellte Fragen
Was ist das grundlegende Thema der Arbeit?
Die Arbeit behandelt die technischen Aspekte und Herausforderungen der Hardware-Virtualisierung in modernen IT-Systemen.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die Schwerpunkte liegen auf Hypervisor-Architekturen, der x86-Virtualisierung, der Speicherverwaltung und der spezifischen Lösung durch VMware.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es, die Funktionsweise von Virtualisierungsschichten zu verstehen, die sicherstellen, dass mehrere Betriebssysteme isoliert und effizient auf derselben Hardware laufen können.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer fundierten Literaturanalyse und einer technischen Analyse von Rechnerarchitekturen und Virtualisierungsverfahren.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil werden die technischen Mechanismen wie MMU-Virtualisierung, die Binärübersetzung bei VMware und das Konzept des "World Switch" zur Kontexttrennung detailliert beschrieben.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren das Werk?
Die zentralen Begriffe sind Virtualisierung, Hypervisor, x86-Architektur, VMware und Speicherverwaltung.
Was unterscheidet den World Switch von einem normalen Kontextwechsel?
Im Gegensatz zu einem normalen Kontextwechsel, bei dem nur Benutzerdaten gewechselt werden, erfordert der World Switch einen vollständigen Wechsel der Systemkontexte, inklusive privilegierter Register und Adressräume.
Was bedeutet der Begriff "Nested Virtualization"?
Dies bezeichnet die Möglichkeit, innerhalb einer bereits virtualisierten Umgebung eine weitere, verschachtelte virtuelle Maschine auszuführen, was besonders für Test- und Laborumgebungen relevant ist.
- Arbeit zitieren
- David Dederer (Autor:in), 2017, Virtualisierung von Betriebssystemen (z.B. VMWare) unter Windows 10, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/373646
