वर्चुअल वर्ल्ड इंटेल। अभ्यास

इस लेख में मैं इंटेल VMX हार्डवेयर वर्चुअलाइजेशन तकनीक पर आधारित एक साधारण हाइपरवाइजर बनाने के व्यावहारिक पहलुओं पर विचार करना चाहता हूं।

हार्डवेयर वर्चुअलाइजेशन सिस्टम प्रोग्रामिंग का एक बल्कि संकीर्ण रूप से विशिष्ट क्षेत्र है और रूस में एक बड़ा समुदाय नहीं है, निश्चित रूप से। मुझे उम्मीद है कि लेख की सामग्री उन लोगों की मदद करेगी जो हार्डवेयर वर्चुअलाइजेशन और इसे प्रदान करने वाली संभावनाओं की खोज करना चाहते हैं। जैसा कि शुरुआत में कहा गया था, मैं सिद्धांत में गोता लगाए बिना सिर्फ व्यावहारिक पहलू पर विचार करना चाहता हूं, इसलिए यह माना जाता है कि पाठक x86-64 वास्तुकला से परिचित है और कम से कम VMX तंत्र का एक सामान्य विचार है। लेख के लिए सूत्र ।

चलो हाइपरविजर के लिए लक्ष्य निर्धारित करने के साथ शुरू करें

1. अतिथि OS लोड करने से पहले चल रहा है
2. एक तार्किक प्रोसेसर और 4 जीबी अतिथि भौतिक मेमोरी के लिए समर्थन
3. यह सुनिश्चित करना कि अतिथि OS भौतिक मेमोरी क्षेत्र में अनुमानित उपकरणों के साथ ठीक से काम करता है
4. VMexits प्रसंस्करण
5. पहले कमांड से अतिथि ओएस को आभासी वातावरण में चलना चाहिए।
6. COM पोर्ट के माध्यम से डिबगिंग जानकारी आउटपुट (सार्वभौमिक विधि, लागू करने के लिए आसान)

अतिथि OS के रूप में, मैंने विंडोज 7 x32 चुना, जिसमें निम्नलिखित प्रतिबंध लगाए गए थे:

• केवल एक सीपीयू कोर शामिल है
• पीएई विकल्प अक्षम है जो 4 जीबी से अधिक की भौतिक मेमोरी की मात्रा का उपयोग करने के लिए 32-बिट ओएस की अनुमति देता है
• विरासत मोड में BIOS, UEFI अक्षम

बूटलोडर का विवरण

हाइपरवाइजर के लिए जब पीसी शुरू होता है, तो मैंने सबसे आसान तरीका चुना, अर्थात्, मैंने डिस्क के एमबीआर सेक्टर में अपने बूटलोडर को लिखा, जिस पर अतिथि ओएस स्थापित है। डिस्क पर कहीं न कहीं हाइपरविजर कोड रखना भी आवश्यक था। मेरे मामले में, मूल एमबीआर 2048 सेक्टर से शुरू होने वाले बूटलोडर को पढ़ता है, जो कि (2047 * 512) के लिए लिखने के लिए सशर्त रूप से मुक्त क्षेत्र देता है। यह एक हाइपरविजर के सभी घटकों को समायोजित करने के लिए पर्याप्त से अधिक है।

नीचे डिस्क पर हाइपरविजर का लेआउट है, सभी मान सेक्टरों में सेट किए गए हैं।



डाउनलोड की प्रक्रिया इस प्रकार है:

1. loader.mbr डिस्क से लोडर कोड loader.main पढ़ता है और उस पर नियंत्रण स्थानांतरित करता है।
2. loader.main लॉन्ग मोड पर स्विच करता है, और फिर लोड किए गए लोडर की तालिका को पढ़ता है। उपयुक्त तत्व, जिसके आधार पर हाइपरविजर घटकों को मेमोरी में लोड किया जाता है।
3. बूटलोडर द्वारा 0x100000000 पते पर भौतिक मेमोरी में काम करने के बाद एक हाइपरविजर कोड होता है, इस पते को चुना गया था ताकि 0 से 0xFFFFFFFF तक की सीमा का उपयोग अतिथि भौतिक मेमोरी में डायरेक्ट मैपिंग के लिए किया जा सके।
4. भौतिक पते पर मूल विंडोज मब बूट 0x7C00।

मैं इस तथ्य पर ध्यान आकर्षित करना चाहता हूं कि लॉन्ग मोड पर स्विच करने के बाद बूटलोडर शारीरिक डिस्क के साथ काम करने के लिए BIOS सेवाओं का उपयोग नहीं कर सकता है, इसलिए मैंने डिस्क को पढ़ने के लिए "एडवांस होस्ट कंट्रोलर इंटरफेस" का उपयोग किया।

जिसके बारे में अधिक विवरण यहां पाया जा सकता है ।

हाइपरवाइज़र की नौकरी का विवरण

हाइपरवाइज़र द्वारा नियंत्रण प्राप्त करने के बाद, इसका पहला कार्य उस वातावरण को आरम्भ करना है जिसमें उसे काम करना है, ऐसा करने के लिए, कार्यों को क्रमिक रूप से कहा जाता है:

• InitLongModeGdt () - 4 विवरणकों की एक तालिका बनाता है और लोड करता है: NULL, CS64, DS64, TSS64
• InitLongModeIdt (isr_vector) - एक आम हैंडलर द्वारा पहले 32 रुकावट वाले वैक्टर को शुरू किया जाता है, या इसके स्टब को
  
• InitLongModeTSS () - कार्य स्थिति खंड को इनिशियलाइज़ करता है
• InitLongModePages () - पेजिंग की शुरूआत :
  
  [0x00000000 - 0xFFFFFFFF] - पृष्ठ आकार 2MB, कैश अक्षम;
  [0x100000000 - 0x13FFFFFFF] - पृष्ठ आकार 2 एमबी, कैश बैक, ग्लोबल पेज;
  [0x140000000 - एन] - उपस्थित नहीं;
• InitControlAndSegmenRegs () - पुनः लोड खंड रजिस्टर

अगला, आपको यह सुनिश्चित करने की आवश्यकता है कि प्रोसेसर VMX का समर्थन करता है, सत्यापन CheckVMXConditions () फ़ंक्शन द्वारा किया जाता है:

• CPUID.1: ECX.VMX [बिट 5] को 1 पर सेट किया जाना चाहिए
• MSR रजिस्टर में IA32_FEATURE_CONTROL बिट 2 सेट होना चाहिए - SMX ऑपरेशन के बाहर VMXON को सक्षम बनाता है और बिट 0 - लॉक (बोच में डीबगिंग के दौरान प्रासंगिक)

यदि सब कुछ क्रम में है और हाइपरविजर एक प्रोसेसर पर चलता है जो हार्डवेयर वर्चुअलाइजेशन का समर्थन करता है, तो वीएमएक्स के प्रारंभिक आरंभीकरण पर जाएं, InitVMX () फ़ंक्शन देखें:

• 4096 बाइट्स आकार में स्मृति क्षेत्र VMXON और VMCS (वर्चुअल-मशीन नियंत्रण डेटा संरचनाएं) बनाए। MSR IA32_VMX_BASIC से लिया गया VMCS संशोधन पहचानकर्ता प्रत्येक क्षेत्र के पहले 31 बिट्स में दर्ज किया गया है।
• यह जाँच की जाती है कि सिस्टम में CR0 और CR4 को पंजीकृत करता है, सभी बिट्स VMX की आवश्यकताओं के अनुसार सेट किए जाते हैं।
• तार्किक प्रोसेसर को VMXON कमांड (एक तर्क के रूप में VMXON क्षेत्र का भौतिक पता) द्वारा vmx रूट मोड में डाला जाता है।
• VMCLEAR (VMCS) कमांड VMCS की लॉन्च स्थिति को साफ़ करने के लिए सेट करता है, और आदेश VMCS के कार्यान्वयन-विशिष्ट मान सेट करता है।
• VMPTRLD (VMCS) कमांड वर्तमान VMCS पते को तर्क-वितर्क के रूप में दिए गए वर्तमान VMCS पते को लोड करता है।

अतिथि OS का निष्पादन 0x7C00 पते से वास्तविक मोड में शुरू होगा, जिस पर हम याद करते हैं, लोडर। लोडर लोड करने वाले स्थानों को win7.mbr। एक आभासी वातावरण को फिर से बनाने के लिए जिसमें mbr आमतौर पर निष्पादित होता है, InitGuestRegisterState () फ़ंक्शन को कहा जाता है, जो vmx गैर-रूट रजिस्टरों को निम्नानुसार सेट करता है:

CR0 = 0x10 CR3 = 0 CR4 = 0 DR7 = 0 RSP = 0xFFD6 RIP = 0x7C00 RFLAGS = 0x82 ES.base = 0 CS.base = 0 SS.base = 0 DS.base = 0 FS.base = 0 GS.base = 0 LDTR.base = 0 TR.base = 0 ES.limit = 0xFFFFFFFF CS.limit = 0xFFFF SS.limit = 0xFFFF DS.limit = 0xFFFFFFFF FS.limit = 0xFFFF GS.limit = 0xFFFF LDTR.limit = 0xFFFF TR.limit = 0xFFFF ES.access rights = 0xF093 CS.access rights = 0x93 SS.access rights = 0x93 DS.access rights = 0xF093 FS.access rights = 0x93 GS.access rights = 0x93 LDTR.access rights = 0x82 TR.access rights = 0x8B ES.selector = 0 CS.selector = 0 SS.selector = 0 DS.selector = 0 FS.selector = 0 GS.selector = 0 LDTR.selector = 0 TR.selector = 0 GDTR.base = 0 IDTR.base = 0 GDTR.limit = 0 IDTR.limit = 0x3FF 

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि खंड डीएस और ईएस के लिए डिस्क्रिप्टर कैश का सीमा क्षेत्र 0xFFFFFFFF है। यह अवास्तविक मोड का उपयोग करने का एक उदाहरण है - एक x86 प्रोसेसर सुविधा जो आपको वास्तविक मोड में खंडों की सीमा को बायपास करने की अनुमति देती है। आप इसके बारे में और अधिक यहाँ पढ़ सकते हैं।

Vmx नहीं-रूट मोड में, अतिथि OS एक ऐसी स्थिति का सामना कर सकता है जहां vmx रूट मोड में होस्ट पर नियंत्रण वापस करना आवश्यक है। इस स्थिति में, वीएम एक्जिट होता है, जिसके दौरान vmx नॉन-रूट की वर्तमान स्थिति बच जाती है और vmx-root लोड हो जाता है। Vmx- रूट का प्रारंभ InitHostStateArea () फ़ंक्शन द्वारा किया जाता है, जो रजिस्टरों के निम्नलिखित मान को निर्धारित करता है:

 CR0 = 0x80000039 CR3 = PML4_addr CR4 = 0x420A1 RSP =     STACK64 RIP =   VMEXIT_handler ES.selector = 0x10 CS.selector = 0x08 SS.selector = 0x10 DS.selector = 0x10 FS.selector = 0x10 GS.selector = 0x10 TR.selector = 0x18 TR.base =  TSS GDTR.base =  GDT64 IDTR.base =  IDTR 

अगला, अतिथि भौतिक पता स्थान का निर्माण किया जाता है (InitEPT () फ़ंक्शन)। हाइपरविजर बनाते समय यह सबसे महत्वपूर्ण क्षणों में से एक है, क्योंकि किसी भी मेमोरी लोकेशन पर गलत तरीके से सेट किया गया आकार या प्रकार उन त्रुटियों को जन्म दे सकता है जो तुरंत खुद को प्रकट नहीं कर सकते हैं, लेकिन उच्च संभावना के साथ अतिथि ओएस के अप्रत्याशित ब्रेक या फ्रीज हो जाएंगे। सामान्य तौर पर, यहां थोड़ा सुखद है और स्मृति को ट्यून करने के लिए पर्याप्त ध्यान देना बेहतर है।

निम्न चित्र अतिथि भौतिक पता स्थान मॉडल दिखाता है:



तो हम यहाँ क्या देख रहे हैं:

• [0 - 0xFFFFFFFF] अतिथि पता स्थान की पूरी श्रृंखला। डिफ़ॉल्ट प्रकार: वापस लिखें
• [0xA0000 - 0xBFFFFF] - वीडियो राम। प्रकार: उपलब्ध नहीं है
• [0xBA647000 - 0xFFFFFFFF] - उपकरण राम। प्रकार: उपलब्ध नहीं है
• [0x0000000 - 0xCFFFFFFF] - वीडियो राम। प्रकार: संयोजन लिखें
• [0xD0000000 - 0xD1FFFFFF] - वीडियो राम प्रकार: संयोजन लिखें
• [0xFA000000 - 0xFAFFFFFF] - वीडियो रैम। प्रकार: संयोजन लिखें

मैंने RAMMap उपयोगिता (भौतिक रेंज टैब) से ऐसे क्षेत्र बनाने के लिए जानकारी ली। मैंने विंडोज डिवाइस मैनेजर के डेटा का भी उपयोग किया। बेशक, एक और पीसी पर, पता पर्वतमाला अलग होने की संभावना है। अतिथि मेमोरी प्रकार के लिए, मेरे कार्यान्वयन में, प्रकार केवल ईपीटी तालिकाओं में निर्दिष्ट मूल्य से निर्धारित होता है। यह सरल है, लेकिन पूरी तरह से सही नहीं है, और सामान्य रूप से मेमोरी का प्रकार जो अतिथि ओएस अपने पेज में स्थापित करना चाहता है, को ध्यान में रखा जाना चाहिए।

अतिथि पता स्थान का निर्माण पूरा होने के बाद, आप VM निष्पादन नियंत्रण क्षेत्र सेटिंग्स (InitExecutionControlFields () फ़ंक्शन) पर आगे बढ़ सकते हैं। यह विकल्पों का एक बहुत बड़ा समूह है जो आपको vmx नॉट-रूट मोड में अतिथि OS की परिचालन स्थितियों को सेट करने की अनुमति देता है। उदाहरण के लिए, आप इनपुट / आउटपुट पोर्ट पर कॉल ट्रैक कर सकते हैं या MSR रजिस्टरों में परिवर्तन देख सकते हैं। लेकिन हमारे मामले में, मैं CR0 रजिस्टर में कुछ बिट्स की सेटिंग को नियंत्रित करने की क्षमता का उपयोग करता हूं। तथ्य यह है कि 30 (सीडी) और 29 (एनडब्ल्यू) बिट्स vmx गैर-रूट और vmx रूट मोड दोनों के लिए सामान्य हैं, और यदि अतिथि OS इन बिट्स को 1 पर सेट करता है, तो यह प्रदर्शन को नकारात्मक रूप से प्रभावित करेगा।

हाइपरविजर को कॉन्फ़िगर करने की प्रक्रिया लगभग पूरी हो गई है, यह केवल गेस्ट मोड vmx नॉन-रूट में संक्रमण पर नियंत्रण स्थापित करने और होस्ट मोड vmx रूट पर लौटने के लिए बनी हुई है। फ़ंक्शंस में सेटिंग्स सेट की जाती हैं:

InmVMEntryControl ( vmx गैर-रूट में संक्रमण के लिए सेटिंग्स ) :

• लोड अतिथि IA32_EFER
• लोड अतिथि IA32_PAT
• लोड अतिथि MSRs (IA32_MTRR_PHYSBASE0, IA32_MTRR_PHYSMASK0, IA32_MTRR_DEF_TYPE)

Vitx रूट पर स्विच करने के लिए InitVMExitControl () सेटिंग्स:

• लोड होस्ट IA32_EFER;
• अतिथि IA32_EFER सहेजें;
• लोड होस्ट IA32_PAT;
• सेव गेस्ट IA32_PAT;
• Host.CS.L = 1, Host.IA32_EFER.LME = 1, Host.IA32_EFER.LMA = 1;
• अतिथि MSRs (IA32_MTRR_PHYSBASE0, IA32_MTRR_PHYSMASK0, IA32_MTRR_DEF_TYPE) सहेजें;
• लोड होस्ट MSRs (IA32_MTRR_PHYSBASE0, IA32_MTRR_PHYSMASK0, IA32_MTRR_DEF_TYPE);

अब जब सभी सेटिंग्स पूरी हो गई हैं, तो VMLaunch () फ़ंक्शन प्रोसेसर को vmx नॉन-रूट मोड में रखता है और अतिथि OS चलना शुरू कर देता है। जैसा कि मैंने पहले उल्लेख किया है, vm निष्पादन नियंत्रण सेटिंग्स में स्थितियां निर्धारित की जा सकती हैं, जिस स्थिति में हाइपरवाइजर vmx रूट मोड में खुद पर नियंत्रण लौटाएगा। अपने सरल उदाहरण में, मैं अतिथि ओएस को कार्रवाई की पूरी स्वतंत्रता देता हूं, हालांकि, कुछ मामलों में, हाइपरवाइजर को अभी भी ओएस को हस्तक्षेप करने और समायोजित करने की आवश्यकता होगी।

1. यदि अतिथि OS CR0 रजिस्टर में वीएम एक्जिट हैंडलर सीडी और एनडब्ल्यू बिट्स को बदलने की कोशिश करता है
   CR0 में दर्ज आंकड़ों को सही करता है। CR0 रीड शैडो फ़ील्ड को भी संशोधित किया जाता है ताकि CR0 पढ़ते समय अतिथि OS रिकॉर्ड किया गया मान प्राप्त करे।
2. Xsetbv कमांड को निष्पादित करना। यह कमांड हमेशा वीएम एक्जिट को कॉल करता है, सेटिंग्स की परवाह किए बिना, इसलिए मैंने बस vmx रूट मोड में इसके निष्पादन को जोड़ा।
3. क्यूपिड कमांड को निष्पादित करना। यह कमांड बिना शर्त वीएम एक्जिट को भी आमंत्रित करती है। लेकिन मैंने इसके हैंडलर में एक छोटा सा बदलाव किया। यदि ईएक्सएक्स तर्क में मान 0x80000002 - 0x80000004 हैं, तो सीपीयू प्रोसेसर ब्रांड का नाम नहीं लौटाएगा, लेकिन लाइन: वीएमएक्स स्टडी कोर :) परिणाम स्क्रीनशॉट में देखा जा सकता है:

परिणाम

लेख के लिए एक उदाहरण के रूप में लिखा गया हाइपरविजर अतिथि ओएस के स्थिर संचालन का समर्थन करने में काफी सक्षम है, हालांकि निश्चित रूप से यह एक पूर्ण समाधान नहीं है। इंटेल VT-d का उपयोग नहीं किया जाता है, केवल एक तार्किक प्रोसेसर के लिए समर्थन लागू किया जाता है, परिधीय उपकरणों के रुकावट और संचालन पर कोई नियंत्रण नहीं है। सामान्य तौर पर, मैं उपकरण के समृद्ध सेट से लगभग कुछ भी उपयोग नहीं करता था जो इंटेल हार्डवेयर वर्चुअलाइजेशन के लिए प्रदान करता है। हालांकि, अगर समुदाय में दिलचस्पी है, तो मैं इंटेल VMX के बारे में लिखना जारी रखूंगा, खासकर जब से लिखने के लिए कुछ है।

हां, मैं लगभग भूल गया, बोच का उपयोग करके हाइपरविजर और उसके घटकों को डीबग करना सुविधाजनक है। सबसे पहले यह एक अनिवार्य उपकरण है। दुर्भाग्य से, Bochs में एक हाइपरविजर डाउनलोड करना एक भौतिक पीसी पर डाउनलोड करने से अलग है। एक समय में, मैंने इस प्रक्रिया को सरल बनाने के लिए एक विशेष असेंबली बनाई, मैं स्रोतों को क्रम में रखने और निकट भविष्य में परियोजना के साथ उन्हें जोड़ने की कोशिश करूंगा।

वह सब है। आपका ध्यान के लिए धन्यवाद।