2017-12-04 BitVisor Summit 6 「BitVisorの現状と今後」
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2017-12-04 BitVisor Summit 6 「BitVisorの現状と今後」
- 2. 開催趣旨 BitVisor Summit は、BitVisor に興味を持つ幅広い層の方々に交 流や情報交換の場を提供することを目的としています。 BitVisor は純国産の仮想マシンモニタですが、BitVisor のように 日本国内において研究開発されており、なおかつ高い完成度を持 つ低レイヤのシステムソフトウェアはそれほど多くはないのではない かと思われます。 本 Summit では、BitVisor に関する最新の技術的な情報の交換 の場を提供するほか，仮想化技術やOSカーネルなど、高度な基盤 システムソフトウェア全般に興味を持った研究者・開発者・ユーザが 交流する稀少な機会として有益な場となることを期待しています． 2
- 3. プログラム • オープニング BitVisorの現状と今後 • 招待講演（1件） BitVisorをベースとしたカーネル解析プラットフォーム • 一般セッション（7件） BitVisor 2017年の主な変更点 Implementation and Status of 'mruby in BitVisor‘ BitVisorに「移植」する BPFを利用したBitVisor内部でのパケットフィルタリング 大学の教育研究用端末上でのベアメタルハイパバイザの運用 Unsafe Nested Virtualization on Intel CPU Introducing NVMe driver for BitVisor 3
- 5. 参加登録者 0 5 10 15 20 25 30 35 40 1 2 3 4 5 6 参加登録者数の推移 5
- 6. BitVisorとは • 仮想化ソフトウェアの一種 仮想マシンモニタ ＝ Virtual Machine Monitor (VMM) ハイパーバイザ ＝ Hypervisor (Type I VMM) o ホストOSに頼らずハードウェア上で直接動作 OSとハードウェアの間で動作する 仮想マシン ＝ Virtual Machine (VM) を作り出す Single-VM仮想化 ある時点で動作するOSは一つだけ 6 ハードウェア VMM VM OS A Single-VM Lightweight Hypervisor
- 7. Single-VMの利点 • VMMを小さく出来る セキュリティ Trusted Computing Base (TCB)のサイズ削減 o 一般にプログラムは小さいほど安全とされている オーバーヘッド 仮想化に伴うコストを削減できる • 仮想化の利点も活用できる セキュリティ ゲストOSより高い特権レベルで動作する 互換性 ゲストOSを修正せずに機能追加を行える 7 ハードウェア VMM VM OS × ハードウェア VMM VM OS I/F 互換 VMM
- 8. VMM BitVisor の基本アーキテクチャ 準パススルー型（↔準仮想化） [Shinagawa et al. VEE ‘09] 8 ＯＳ デバイスドライバ DiskVGAHID USB NIC 保護ドメイン 拡張機能１ 拡張機能２Disk USB NIC ハード ウェア 完全パススルー 準パススルー コア機能 CPU仮想化 メモリ仮想化 カーネル
- 9. BitVisor の歴史 • 2006年：研究開発開始 • 2008年 3月：BitVisor 0.2公開 • 2009年 3月：BitVisor 1.0公開 VMMコア、ディスク・ネットワーク暗号化、ICカードによる鍵管理 • 2010年 6月：BitVisor 1.1公開 保護ドメイン機能、AHCI対応、Realtek NIC対応、... • 2011年10月：BitVisor 1.2公開 Suspend/Resume対応、ATA Piggyback、TCB BIOS対応、... • 2012年 9月：BitVisor 1.3公開 バックグラウンド暗号化、EPT/NPT、ADvisor機能、… • 2014年 5月：BitVisor 1.4公開 UEFI（Mac）サポート 9
- 10. 10 BitVisor 2.0
- 11. BitVisor 2.0 の特徴 • PCIデバイスドライバーの改良 config.vmm.driver.pci での柔軟な指定 • ネットワーク機能の改良 netapi の導入 • UEFI対応の改良 • 新規ドライバー Broadcom NetXtreme GbE, xHCI driver, 10GbE X540 for tty • パフォーマンスとメモリ使用量の改善 新しい Thread • バグfixと機能改善 (Unsafe) Nested Virtualization (AMD), TCP/IP 11
- 12. BitVisor の最近の動向 • 東京大学での運用実績 vThrii として安定稼働中 iMac 向けプロビジョニングシステム • 品川研究室での活動 査読付き論文2件 現在進行系の研究2件 12
- 13. 東京大学での運用実績 13
- 16. イメージの切り戻し • 夜間におこなった配信内容を元に戻す vThrii に標準搭載された機能 配信したイメージに異常があった場合のバックアップ • macOSが起動時に固まる事象が発生 ログインウィンドウの画像ファイルをNFS上に配置したため ⇒vThrii の機能が有効に機能した事象 16
- 18. vThrii自体のアップデート • vThrii が起動時に固まる事象が発生 macOSセキュリティアップデート2016-003の適用に伴う macOSでVT-d のアドレス変換が有効になった • vThrii のアップデートで対応 1.3 ⇒ 1.6.1 Macの起動スクリプトで vThrii のファイルを差し替え 18
- 19. パーティションサイズの変更 • 3つの領域から構成されている Windows領域、macOS領域、TMP領域 TMP領域はフリーズ機能に使う ディスクへの書き込みを別領域に書いて再起動時に破棄 • Windows の空き領域が1GB程度になった SSD全体の容量が250GBくらいしかない • パーティションサイズの再構成をおこなった 19 80 120 49.5 変更前 macOS Windows TMP 85 135 30 変更後 macOS Windows TMP
- 20. 品川研究室での活動 20
- 21. BitVisor関連の研究活動 • 査読付き論文２本 ベアメタルクラウドにおけるハードウェア保護 IEEE CloudCom 2017 ハイパーバイザによるハードウェア抽象層 ACM SAC 2018 • 現在進行系の研究2件 軽量な仮想マシンモニタの若化 ベアメタルクラウドにおけるライブマイグレーション ハイパーバイザ内でのBPFによるパケットフィルタ 21
- 22. BMCArmor: A Hardware Protection Scheme for Bare- metal Clouds Takaaki Fukai, Satoru Takekoshi, Kohei Azuma, Takahiro Shinagawa and Kazuhiko Kato. In Proc. 9th IEEE International Conference on Cloud Computing Technology and Science (CloudCom 2017), Dec. 2017 22
- 24. BitVisor オペレーティングシステム BitVisorによるハードウェアの保護 • BitVisor で特定の書き込みアクセスを止める 通常動作には支障がない • その他のアクセスは全てパススルー オーバーヘッドを最小限に抑えてベアメタル性能を出す 24 ❌ ベアメタルインスタンス
- 25. Unified Hardware Abstraction Layer with Device Masquerade Iori Yoneji, Takaaki Fukai, Takahiro Shinagawa and Kazuhiko Kato. In Proc. 33rd ACM/SIGAPP Symposium On Applied Computing (ACM SAC 2018), Apr 2018. 25
- 26. 多様なハードウェアへの対応 • デバイスごとにデバイスドライバが必要 種類が多くなる • OSごとにデバイスドライバが必要 重複が多くなる 26 OS physical netphysical disk Driver1 Driver3 Driver2 Driver4 Library OS Driver1 Driver3 Driver2 Driver4 New OS Driver1 Driver3 Driver2 Driver4
- 27. BitVisorによるハードウェア抽象化 • virtio で統一したインタフェースを提供する OSごとに異なるデバイスドライバを持たなくても良くなる • Device Masquerade による軽量I/F変換 仮想化のオーバーヘッドを低減する 27 OS physical netphysical disk Driver1 Driver2 Library OS Driver1 Driver2 New OS Driver1 Driver2 BitVisor virtio-disk virtio-net Hardware Abstraction Layer (HAL)
- 30. VMMの若化 • Nested virtualization を活用 VMMを一時的に2つ動作させる • 通常利用時のオーバーヘッドをゼロに Nested de-virtualization / re-virtualization 30 VMM VM VM VMM TinyVisor VMM
- 33. OSのライブマイグレーション • BitVisorでハードウェア状態を移送する 様々なテクニックを駆使して状態を取得・設定する • あとはVMと同様に移送する CPU、メモリの状態 33 BitVisor BitVisor OS
- 35. BitVisor論文（VEE ‘09）の参照数 0 50 100 150 200 250 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 Citation Count Citation Count 35 EuroSys ‘10 IEEE S&P 2010 SOSP ‘11 EuroSys ‘10 SOSP ‘11 NDSS ‘11 IEEE S&P ‘12 IEEE S&P ‘13 約199件
- 36. BitVisorの今後の課題 • 機能向上 デバイス対応 USB 3.0（xHCI），NIC（Marvell, Broadcom），無線LAN, RAIDカード, ... マシン・OS対応 EFI（Mac対応）, Nested Virtualization, MMConfig, ... 開発者向け対応 依存関係対応Config, API整理，ドキュメンテーション オーバヘッド削減 EPT, スレッド, Preemption Timer • 商業化 セキュアVM, ネットワークブート，… 36
- 37. まとめ • BitVisor とは 準パススルー型単一VM軽量ハイパーバイザ • 東京大学での運用実績 vThrii Seamless Provisioning が稼働中 イメージ切り戻し、全台再インストール、vThriiアップデート、パーティション再構成 • 品川研究室での活動 IEEE CloudCom 2017、ACM SAC 2018に採択 VMMの若化、ライブマイグレーション、BPF VEE 2009 論文が199件参照 • 今後の課題 オープンソースコミュニティの活性化 対応デバイスの更なる増加 更なる商業化 37
- 38. BitVisor の宣伝 • BitVisor に関する情報 ホームページ https://www.bitvisor.org/ メーリングリスト bitvisor-user@bitvisor.org, bitvisor-user-en@bitvisor.org bitvisor-devel@bitvisor.org, bitvisor-devel-en@bitvisor.org ソースコード https://bitbucket.org/bitvisor/bitvisor https://sourceforge.net/projects/bitvisor/ • vThrii Seamless Provisioningに関する情報 株式会社イーゲル https://www.igel.co.jp/solution/ 38