BitVisorのVMCS Shadowingの実装について

みなさんご存知の通り，今年BitVisorにIntel CPU向けの(unsafe) nested virtualizationのサポートが追加されました¹．

ここで，VMCS Shadowingと呼ばれるNested Virtualizationを高速化するためのCPUの機能が有効であれば使うようになっています．

用語

• L0: 大元のハイパーバイザのこと．ここではBitVisor
• L1: L0上で動かすハイパーバイザのこと
• L2: L1上で動くゲストOSのこと

VMCS Shadowingの概要

VMCS Shadowingは， VMX non-rootのguestが発行するVMREAD/VMWRITE命令をVMEXITせずにCPUが実行する機能です（2013年ごろから登場）．
Intel SDM Vol3の24.10 VMCS TYPES: ORDINARY AND SHADOW あたりに書いてあります．

VMCS Shadowingの設定項目としては，以下のようなものがあります．

• VMCS Region
  • VMCS Revision shadow-VMCS Identifier (先頭4byte)の31bit = 1
    • このVMCSではVMENTRYできなくなる
    • もしCPUが対応していない場合，VMPTRLDは失敗する
• Secondary Processor-Based VM-Execution Controls
  • bit14: VMCS Shadowing = 1
• VMCS guest state
  • Guest non-register state
    • VMCS Link Pointer (64bit）
• VMCS Shadowing Bitmap
  • このbitが1ならshadow VMCSに関わらずVMEXITが発生

VMCS guest stateにあるVMCS Link Pointerで指すVMCSをL1がVMREAD/VMWRITEで読み書きすることになります．
また，VMCS Shadowing用のVMCSは，shadow-VMCS identifierのビットを1にする必要がありますが，VMPTRLDをした後にVMCSのshadow-VMCS identifierを書き換えるには一旦VMCLEARしなければならない点に注意が必要です．

実装の方法

単純に考えると，VMCS Shadowingの実装方法は二種類あります．

一つはVMCS Shadowingで利用するVMCSと，L2へVMENTRYする際のVMCSを共有する方法です．
このためには，L2にVMENTRYする際と，L1用にVMCS Link Pointerを設定する際で逐一shadow-VMCS identifierを書き換える + (VMCLEARすることになるので) L2へのVMENTRYにはVMRESUMEではなくVMLAUNCHを常に使うことになります．Host stateの書き換えも必要です．

もう一つの方法はVMCS Shadowing用とVMENTRY用で別々にVMCSを持つことです．
この場合は，L2にVMENTRYする際，Shadowing用のVMCSから適切にデータをVMENTRY用のVMCSへコピーする必要があります．

どちらの実装をするべきなのか，というのはSDMには書いていないように思います．
前者ではVMCLEAR+VMLAUNCHのコストが，後者ではデータコピーのコストが気になる点です．
あまり深く確認していませんが，Xenでは前者，KVMでは後者のように実装されていた気がします．

BitVisorでは後者が採用されています．
この理由の一つはゲストに対してVMCS Shadowing対応する際この方が都合が良かったから...という認識です．（が，コードの詳細確認できてません..）
ちなみに，BitVisor Summitで話を伺ったところ性能的にはVMCS Shadowing用とVMENTRY用でVMCSを共有した方が良かったらしいです．

VMCS Shadowingの効果

前に測定したら，ESXi on BitVisor上のゲストから直結している別のマシンへのpingのレイテンシが210usから182usに改善しました(-28)．（ベアメタル上では168us)．
ちなみにESXi on KVMでは394us→332us(-53)でした．

ただこれ自分がVMCS Shadowing実装した時のものの評価で，今のBitVisorに入っている実装のものとは異なります．すみません..

ちなみに

VMCS ShadowingがあってもやはりNested Virtualizationのオーバヘッドは一般に大きく，どう軽量化するかというのは依然課題の一つです．

12/23にリリースされたLinux 4.20のChangeLogをみていたら，KVMにEnlightened VMCSというものが実装されていました．
これはHyper-Vの準仮想化の機能で，L1が作成するL1/L2のVMCSを通常のメモリ上に配置し，VMEXITなしにVMCS操作をおこなうというものらしいです．
以下に説明があります．

• Vitaly Kuznetsov, A SLIGHTLY DIFFERENT NESTING - KVM on Hyper-V, FOSDEM 2018.

参考文献

以下にBitVisorのVMCS Shadowingに関する説明があります(p.33-4)．

• 榮樂 英樹, BitVisor 2018年の主な変更点, BitVisor Summit 7, 2018.

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1. AMD向けには前からあります． ↩