PDF de programación - Soporte en hardware para el control de acceso de dispositivos de E/S en un ambiente virtualizado

Centro de Investigación y de Estudios Avanzados

del Instituto Politécnico Nacional

Departamento de Computación

Soporte en hardware para el control
de acceso de dispositivos de E/S en

un ambiente virtualizado

Tesis que presenta:

Brisbane Ovilla Martínez

Para obtener el grado de:

Maestro en Ciencias

en Computación

Director de la Tesis:
Dr. Arturo Díaz Pérez

Cd. de México, Distrito Federal, México.

Diciembre, 2009

c Derechos reservados por
Brisbane Ovilla Martínez

2009

Esta investigación fue parcialmente apoya mediante el proyecto No. 51623 del Fondo Mixto

Conacyt-Gobierno del Estado de Tamaulipas.

This research was partialy funded by project number 51623 from ‘Fondo Mixto Conacyt-Gobierno

del Estado de Tamaulipas’

La tesis presentada por Brisbane Ovilla Martínez fue aprobada por:

Dr. Luis Gerardo de la Fraga

Dr. Cesar Torres Huitzil

Dr. Arturo Díaz Pérez, Director

Cd. de México, Distrito Federal, México., 16 de Diciembre de 2009

Hay hombres que luchan un día y son buenos.
Hay otros que luchan un año y son mejores.

Hay quienes luchan muchos años y son muy buenos.

Pero hay los que luchan toda la vida:

esos son los imprescindibles.

Bertolt Brecht

Para ti mamá, que has sido un ejemplo de lucha y siempre has estado a mi lado a pesar de la

distancia. Te amo eres lo más grande que Dios me ha dado.

Agradecimientos

A mi papá, mis hermanos, mis abuelitas, mis tíos y primos mil gracias por siempre confiar en
mí y estar conmigo incondicionalmente, los quiero mucho.

Gracias a mis amigos por ser mis pilares, sus porras siempre fueron de gran ayuda.

Al Dr. Arturo Díaz por hacerse el tiempo para orientarme en el trabajo de tesis, mostrándome
siempre que la investigación debe hacerse con gusto y responsabilidad.

A todos mis compañeros del CINVESTAV-Zacantenco por brindarme su amistad.

A todas aquellas personas que me brindaron su cariño durante mis estancias en Guadalajara y
Cd. Victoria.

Gabriel te agradezco tu apoyo incondicional en las buenas y en las malas, sin los momentos de
sonrisas contigo no hubiera sido posible terminar este ciclo.

Angelina gracias por ser mi cómplice en todas travesuras en Cd. Victoria ;).

Pedro gracias por todo lo que has hecho por mí, por darme la oportunidad de conocerte y por
permitirme ser parte de tu vida.

Gracias a Amalia y Victor por recibirme en su casa durante mi estancia en Tamaulipas y
hacerme sentir parte de su familia

Gracias a Sofy por apoyarme siempre, ya sea de cerca o de lejos.

Irasema y Fabiola gracias por las largas platicas que me otorgaron,

Al CONACYT por el apoyo económico para la realización mis estudios de maestría

Índice General

Índice General

Índice de Figuras

Índice de Tablas

Resumen

Abstract

Nomenclatura

1. Introducción

1.1. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Motivaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3. Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4. Objetivo de tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5. Metodología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6. Organización de la tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Virtualización

2.1. Virtualización de plataforma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. MMV o hipervisor
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1. Arquitecturas de MMV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1.1. Hipervisor MMV o tipo 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1.2. MMV alojado en un Sistema Operativo o tipo 2 . . . . . . . . . .
2.2.1.3. MMV híbrido o tipo 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2. Hipervisor Xen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3. Técnicas de virtualización de E/S con soporte de software . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1. Emulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2. Paravirtualización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.3. Asignación directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4. Virtualización de E/S con soporte de hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1.
IOMMU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.2. Traducción y protección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.3. Modos de uso del IOMMU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.4. Ventajas y desventajas del IOMMU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

I

V

VII

IX

XI

XIII

1
1
3
3
4
5
6

7
8
11
12
13
13
14
15
16
17
17
19
21
21
23
24
25
27

I

3. Arquitectura de Seguridad

3.1. Seguridad en MV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Conceptos básicos de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3. Mecanismos de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4. Seguridad en hypervisor
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
IOMMU para protección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5. Trabajos relacionados
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6. Discusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.1.

4. Módulo de control de acceso en hardware

4.1. Arquitectura general del procesador Microblaze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. Descripción general del PLB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1.
Implementación del PLB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2. Protocolo de transferencia del PLB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3. Descripción general de la arquitectura del MCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1. Ubicación del MCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2. Estructura de la regla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4. Diseño general del MCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1. MCA-RAM-4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.2. MCA-CAM-n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.
Integración del MCA al bus PLB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29
29
31
35
39
39
40
43
45

47
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52
56
58
59
60
62
64
66
75
82
88

5. Análisis y evaluación de resultados

5.1. Plataforma de pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.1. Etapa Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.2. Etapa software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2. Verificación del MCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1. Pruebas de comportamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.2. Pruebas funcionales

89
89
91
95
96
97
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.3. Parámetros de desempeño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.3.1. Parámetros de espacio y tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.3.2. Tiempo de ejecución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

6. Conclusiones y trabajo futuro

119
6.1. Trabajo futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

A. Integrar sistema operativo Linux a la plataforma de pruebas

123
Instalación de Petalinux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
A.1.1. Configuración de variables de ambiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
A.1.2. Configuración de programa de comunicación serial
. . . . . . . . . . . . . . 125
A.1.3. Configuración de redes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

A.1.

II

A.1.3.1. Configuración del directorio de transferencia . . . . . . . . . . . . 127
A.1.3.2. Configuración del servidor TFTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A.2. Configurar Petalinux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
A.2.1. Agregar proyecto de hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
A.3. Preparar el hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
A.4. Compilación de PetaLinux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
A.5.
Iniciando el sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
A.5.1. FS-Boot
A.5.1.1. Configuración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
A.5.1.2. Uso del FS-Boot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
A.5.2. U-Boot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
A.5.2.1. Descargando archivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

B. Diagramas de tiempos para los casos de prueba

149
B.1. Caso 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
B.2. Caso 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
B.3. Caso 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
B.4. Caso 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

Bibliografía

163

III

Índice de Figuras

1.1. Esquema de la metodología seguida en