Memory Virtualization Shadow page table Hardware assistance

Memory Virtualization Memory management di OS Secara tradisional, OS mengontrol penuh semua ruang di memori fisik dan menyediakan ruang addressing pada setiap proses secara kontinu. Dalam virtualisasi server, VMM harus membuat semua VM men-share ruang memori fisik tanpa megetahui keadaan asli memori fisik itu sendiri.

Page Table Sebuah page table adalah struktur data yang digunakan oleh sistem memori virtual dalam sebuah OS komputer yang menyimpan mapping antara alamat virtual dan alamat fisik. Alamat virtual digunakan oleh proses pengaksesan, sedangkat alamat fisik digunakan oleh hardware, atau lebih spesifiknya adalah ram.

Page Table

Memory Virtualization Goals of memory virtualization : Address Translation Hardware pengontrol table secara berjalan yang mengakses tabel translasi di memori utama. Memory Protection Menetapkan hak akses yang digunakan untuk akses mengontrol hardware. Access Attribute Menetapkan atribut dan tipe dari region memori untuk mengarahkan bagaimana operasi memori dapat di handel.

Memory Architecture Memory Management Unit (MMU) Apakah MMU ? Sebuah komponen komputer yang bertugas menghandel akses untuk memori yang di minta oleh CPU. Fungsinya untuk mengikutkan translasi dari alamat virtual ke alamat fisik, proteksi memori dan lain sebagainya. What is PTBR ? Page Table Base Register (PTBR) adalah sebuah poin register ke dasar page table untuk MMU.

Memory Architecture Translation Lookaside Buffer (TLB) Apakah TLB ? Sebuah cache CPU yang digunakan oleh hardware manajemen memori untuk meningkatkan kecepatan translasi dari alamat virtual.

Memory Virtualization Memory virtualization architecture

Memory Virtualization Penurunan performance dari akses memori biasanya tidak dapat ditahan. VMM butuh optimisasi lebih lanjut. VMM mengatur shadow page tables : Mapping alamat langsung dari virtual ke fisik Menggunakan TLB dari hardware untuk mentranslasi alamat

Shadow Page Table Memapping alamat virtual guest ke alamat fisik host OS guest akan akan mempertahankan page table memori virtualnya sendiri dalam frame-frame memori fisik dari guest. Pada setiap frame memori fisik dari guest, VMM harus memappingnya untuk frame memori fisik dari host. Shadow page table mengurus pengiriman mapping dari memori virtual guest ke alamat fisik host. Proteksi pada page table VMM akan mencoba menulis proteksi pada semua frame-frame fisik dari page tables guest yang membuat page table guest menulis exeption dan melakukan trap to VMM.

Shadow Page Table Bagaimana teknik ini bekerja? VMM harus membuat MMU tervirtualisasi VMM memanajemen PTBR asli dan memvirtualisasi PTBR untuk setiap VM Ketika OS guest teraktivasi, PTBR menunjuk pada sebuah shadow page table Ketika OS guesr mencoba untuk memodifikasi PTBR, maka akan di interupsi oleh VMM untuk emulasi lebih lanjut

Shadow Page Table Mengkonstruksi shadow page table OS guest akan menjaga page tablenya sendiri pada setiap proses. VMM memapping setiap page fisik dari guest kepada page fisik host Membuat shadow page tables untuk setiap page table guest. VMM harus memproteksi frame host yang mempunyai page table dari guest. Write protection

Shadow Page Table Implementasi dengan PTBR : Contohnya, proses 2 di OS guest ingin mengakses memorinya dimana nomer pagenya adalah 1.

Shadow Page Table Operasi shadow page table : Guest OS VMM New process Context switch Access Process Page Table Process Page Table Process Page Table Virtual PTPR Guest OS VMM Real PTPR Page fault ! Shadow Page Table Shadow Page Table Shadow Page Table Load ! Switch the pointer to new location Corresponding mapping table Create new shadow page table mapping to new process

Other Issues Masalah page fault dan proteksi page Ketika sebuah page fault terjadi, VMM butuh menentukan apakah sebuah exception harus diinjeksikan kepada OS guest atau tidak. Jika masukan dalam page table dalam os guest masih valid, VMM harus mempersiapkan page yang bersangkutan dan tidak menginjeksi exception untuk OS guest. Jika masukan dalam page table dari OS guest tidak valid, maka VMM harus langsung menginjeksikan virtual page fault ke OS guest. Ketika OS guest ingin memodifikasi page tablenya sendiri, VMM butuh menginterfensi oprasi ini. Ketika OS guest mereload PTBR, CPU akan melakukan trap ke VMM karena adanya sifat dasar ring compression. VMM akan berjalan di page table dari OS guest dan memodifikasi shadow page table yang bersangkutan untuk membuat MMU mendapatkan alamat fisik host.

Memory Virtualization Shadow page table Hardware assistance

Hardware Solution Kesulitan dari teknik shadow page table : Implementasi shadow page table sangat komplex. Masalah mekanisme dan sinkronisasi page fault adalah kritikal. Ruang memori host sangat overhead. Tapi kenapa butuh teknik ini untuk memvirtualisasi MMU ? MMU tidak pertama kalinya diimplementasikan untuk virtualisasi. MMU tidak mengetahui apapun tentang dua level translasi alamat pada page. Maka itu dibutuhkan adanya solusi dari hardware.

Extended Page Table Concept of Extended Page Table (EPT) : Daripada berjalan dengan hanya satu hirarki page table, teknik EPT mengimplementasikan satu lagi hirarki page table. Satu page table ditangani oleh OS guest, dimana digunakan untuk menghasilkan alamat fisik guest. Page table lainnya ditangani oleh VMM, yang digunakan untuk memapping alamat fisik guest ke alamat fisik host. Pada setiap operasi akses memori, EPT MMU akan langsung mendapatkan alamat fisik guest dari page tablenya guest, dan lalu mendapatkan alamat fisik dari host oleh VMM dengan mapping table secara otomatis.

Extended Page Table Memori operasi : 6 8 9 7 Data 8 4

Memory Virtualization Summary Implementasi software Memory architecture MMU (memory management unit) TLB (translation lookaside buffer) Shadow page table MMU virtualization by virtual PTBR Shadow page table construction Page fault and page table protection Hardware assistance Extended page table Hardware walk guest and host page table simultaneously