Wat is paravirtualisatie?

Paravirtualisatie is een virtualisatietechniek waarbij het gastbesturingssysteem wordt aangepast, zodat het rechtstreeks met de hypervisor communiceert voor betere prestaties.

Wat is paravirtualisatie?

Paravirtualisatie is een virtualisatiemethode waarbij de gast- besturingssysteem zich bewust zijn van de aanwezigheid van een hypervisor, waardoor deze efficiënter kan communiceren en samenwerken met de onderliggende virtualisatielaag. In plaats van emuleren hardware componenten volledig uit te voeren, zoals bij volledige virtualisatie gebeurt, biedt paravirtualisatie een interface waarmee het gastbesturingssysteem hypercalls rechtstreeks naar de hypervisor voor bevoorrechte operaties.

Dit vermindert de overhead die gepaard gaat met emulatie en kan resulteren in betere prestaties, met name voor taken die vaak interactie met hardware of systeembronnen vereisen. Omdat het gastbesturingssysteem echter expliciet moet worden aangepast voor paravirtualisatie, vereist deze aanpak toegang tot en aanpassing van de broncode van het besturingssysteem, waardoor het minder tijdrovend is. flexmogelijk dan hardware-ondersteund virtualisatie werkwijzen.

Belangrijkste kenmerken van paravirtualisatie

Hieronder worden de belangrijkste kenmerken van paravirtualisatie gedetailleerd uitgelegd:

• Hypervisor-bewustzijn. Het gastbesturingssysteem wordt aangepast om de hypervisor te herkennen en er rechtstreeks mee te communiceren. Deze samenwerking stelt het gastbesturingssysteem in staat bepaalde stappen van hardware-emulatie te omzeilen, wat de efficiëntie verbetert.
• Hypercalls in plaats van vallen. In plaats van te vertrouwen op CPU Traps voor het afhandelen van geprivilegieerde bewerkingen (zoals bij volledige virtualisatie), paravirtualiseerde systemen gebruiken hypercalls (expliciete aanroepen van het gastbesturingssysteem naar de hypervisor) om services aan te vragen. Dit vermindert de overhead en verbetert de prestaties.
• Verminderde emulatie-overhead. Omdat de hypervisor niet voor elke hardware volledig hoeft te simuleren VMParavirtualisatie minimaliseert de behoefte aan resource-intensieve hardware-emulatie. Dit leidt tot snellere uitvoering en lager CPU-gebruik.
• Aangepaste kernelvereisten. Paravirtualisatie vereist een aangepaste pit in het gastbesturingssysteem om hypercalls te ondersteunen en samen te werken met de hypervisor. Dit beperkt de compatibiliteit tot open source of aanpasbare besturingssystemen waarbij kernelaanpassing mogelijk is.
• Verbeterde prestaties bij I/O-bewerkingen. I/O-gebonden bewerkingen, die doorgaans frequente toegang tot systeembronnen vereisen, profiteren aanzienlijk van paravirtualisatie vanwege de directere communicatie tussen de gast en de hypervisor.
• Efficiënt CPU- en geheugengebruik. Paravirtualisatie voorkomt onnodige hardware-emulatie en onderschepping van systeemoproepen en zorgt zo voor een efficiënter gebruik van de CPU en geheugenbronnen van de host. Dit is gunstig in omgevingen met veel virtuele machines.
• Nauwere integratie tussen gast en gastheer. De nauwe koppeling tussen het gastbesturingssysteem en de hypervisor zorgt voor een betere coördinatie, wat voordelig kan zijn in gecontroleerde omgevingen zoals data centers waar de consistentie van het besturingssysteem beheersbaar is.

Hoe werkt paravirtualisatie?

Paravirtualisatie werkt door het gastbesturingssysteem zodanig aan te passen dat het de hypervisor herkent en er rechtstreeks mee kan communiceren, in plaats van te proberen te functioneren alsof het op fysieke hardware draait. Wanneer het gastbesturingssysteem bevoorrechte bewerkingen moet uitvoeren, zoals geheugenbeheer, toegang tot I/O-apparaten of het uitvoeren van bepaalde CPU-instructies, probeert het deze acties niet rechtstreeks uit te voeren. In plaats daarvan worden hypercalls naar de hypervisor verzonden.

De hypervisor, ook wel bekend als de virtuele machine monitor (VMM), biedt een reeks goed gedefinieerde interfaces die het gastbesturingssysteem kan gebruiken om services aan te vragen. Omdat de hypervisor is ontworpen om de toegang tot hardwarebronnen over meerdere virtuele machines te beheren, kan deze deze hypercalls efficiënt verwerken en de stabiliteit en isolatie van het systeem handhaven.

Door traps en hardware-emulatie te vervangen door expliciete hypercalls, vermindert paravirtualisatie de prestatievermindering die gewoonlijk met virtualisatie gepaard gaat. Dit vereist echter toegang tot en wijzigingen in de kernel van het gastbesturingssysteem, wat betekent dat propriëtaire systemen die geen kernelmodificatie toestaan, niet kunnen worden gebruikt in een paravirtualiseerde omgeving. Paravirtualisatie wordt daarom het meest aangetroffen in omgevingen die open-sourcebesturingssystemen gebruiken, zoals aangepaste versies van Linux of BSD.

Waarvoor is paravirtualisatie ideaal?

Paravirtualisatie is ideaal voor omgevingen waar prestaties en efficiëntie cruciaal zijn en waar controle bestaat over de gastbesturingssystemen. Het is met name geschikt voor:

• Data centers en server consolidering vooral bij gebruik van open-source besturingssystemen die aangepast kunnen worden voor optimale hypervisorinteractie.
• High-performance computing (HPC) waarbij het minimaliseren van de virtualisatieoverhead essentieel is voor het maximaliseren van de rekencapaciteit.
• Ontwikkeling en omgevingen testen waar aangepaste kernels kunnen worden geïmplementeerd om systemen te testen onder bijna-native omstandigheden.
• I/O-intensief toepassingen zoals netwerkdiensten en opslagsystemen, die profiteren van de verminderde latency en verbeterde doorvoer van geparavirtualiseerde drivers.
• Homogene virtuele omgevingen waarbij hetzelfde besturingssysteem wordt geïmplementeerd op meerdere virtuele machines en kan worden geoptimaliseerd voor de gebruikte hypervisor.

Voorbeelden van paravirtualisatie

Hier zijn enkele voorbeelden van paravirtualisatie in de praktijk.

1. Xen Hypervisor met geparavirtualiseerde Linux

Xen ondersteunt zowel paravirtualisatie als hardware-ondersteunde virtualisatie. In de paravirtualisatiemodus worden gastbesturingssystemen zoals aangepaste Linux-kernels (bijvoorbeeld Debian of CentOS met Xen-specifieke patches) gebruiken hypercalls om rechtstreeks met de Xen-hypervisor te communiceren voor taken als geheugenbeheer en I/O-bewerkingen.

2. VMware Paravirtual SCSI (PVSCSI) en netwerk (VMXNET3) drivers

Hoewel VMware doorgaans hardware-ondersteunde virtualisatie gebruikt, biedt het geparavirtualiseerde drivers (bijvoorbeeld PVSCSI en VMXNET3) voor gastbesturingssystemen. Deze drivers maken efficiëntere schijf- en netwerk-I/O mogelijk dan traditionele geëmuleerde apparaten, waardoor de overhead wordt verlaagd, zelfs in volledig gevirtualiseerde omgevingen.

3. KVM met VirtIO

Bij KVM-gebaseerde virtualisatie (Kernel-based Virtual Machine) biedt VirtIO een geparavirtualiseerde interface voor apparaten zoals netwerkkaarten en blokopslag. Wanneer gastbesturingssystemen VirtIO-drivers gebruiken, omzeilen ze generieke emulatielagen, wat de prestaties aanzienlijk verbetert.

4. Oracle VM (gebaseerd op Xen)

Oracle VM maakt gebruik van de paravirtualisatiefuncties van Xen om aangepaste Linux-distributies efficiënt te draaien. Oracle biedt zijn eigen Linux-kernel met ingebouwde ondersteuning voor Xen, wat optimale interactie met de hypervisor mogelijk maakt.

De voor- en nadelen van paravirtualisatie

Het begrijpen van de voor- en nadelen van paravirtualisatie is essentieel om de geschiktheid ervan in verschillende virtualisatiescenario's te evalueren. Hoewel paravirtualisatie betere prestaties en efficiëntie biedt dan volledige virtualisatie, brengt het ook nadelen met zich mee op het gebied van compatibiliteit en complexiteit.

Wat zijn de voordelen van paravirtualisatie?

Dit zijn de belangrijkste voordelen van paravirtualisatie:

• Verbeterde prestatie. Paravirtualisatie vermindert de overhead die gepaard gaat met hardware-emulatie door het gastbesturingssysteem rechtstreeks met de hypervisor te laten communiceren via hypercalls. Dit leidt tot snellere uitvoering, met name voor I/O-bewerkingen en geprivilegieerde instructies.
• Beter gebruik van hulpbronnen. Omdat de hypervisor niet voor elke gast hardware hoeft te simuleren, worden systeembronnen zoals CPU en geheugen efficiënter gebruikt, wat een hogere dichtheid van virtuele machines op de host mogelijk maakt.
• Lagere latentie voor systeemoproepen. Hypercalls bieden een directer en geoptimaliseerd pad voor bewerkingen op systeemniveau, wat resulteert in een lagere latentie vergeleken met trapping- en emulatiemechanismen die worden gebruikt bij volledige virtualisatie.
• Grotere transparantie in de interactie tussen VM en hypervisor. Omdat het gastbesturingssysteem op de hoogte is van de hypervisor, kan het worden geoptimaliseerd om ermee samen te werken. Dit zorgt voor een betere controle en mogelijk beter voorspelbare prestaties.
• Eenvoudiger hypervisorontwerp. Door een deel van de verantwoordelijkheid te verschuiven naar het gastbesturingssysteem, kan de hypervisor met minder complexiteit worden ontworpen, zodat er meer nadruk ligt op coördinatie en toewijzing van bronnen in plaats van op volledige hardwaresimulatie.

Wat zijn de nadelen van paravirtualisatie?

Dit zijn de belangrijkste nadelen van paravirtualisatie:

• Vereist aanpassing van gastbesturingssysteem. Paravirtualisatie vereist wijzigingen in de kernel van het gastbesturingssysteem om hypercall-ondersteuning mogelijk te maken. Dit maakt het incompatibel met propriëtaire systemen zoals standaardversies van Windows of andere closed-source besturingssystemen.
• Beperkte OS-ondersteuning. Omdat alleen bepaalde besturingssystemen kunnen worden aangepast of alleen beschikbaar zijn in geparavirtualiseerde versies, is het aantal ondersteunde gastbesturingssystemen beperkter vergeleken met volledige virtualisatie.
• Toenemende complexiteit in onderhoud. Het onderhouden en bijwerken van aangepaste of gepatchte kernels voor paravirtualisatie kan administratieve overhead met zich meebrengen, vooral in grote of diverse omgevingen.
• Minder draagbaar. Paravirtualiseerde systemen zijn nauw verbonden met de hypervisorinterface. Het migreren van deze systemen naar andere hypervisors kan aanvullende kernelwijzigingen of herconfiguratie vereisen.
• Beveiligingsoverwegingen. Omdat het gastbesturingssysteem rechtstreeks met de hypervisor communiceert via hypercalls, kwetsbaarheid in de hypercallinterface of onjuiste isolatie kunnen de hypervisor potentieel blootstellen aan risico's. Dergelijke problemen kunnen echter worden beperkt door een goed ontwerp.

Wat is paravirtualisatie versus virtualisatie?

Hieronder vindt u een vergelijking tussen paravirtualisatie en volledige virtualisatie, weergegeven in een tabel: