Typ 1 und Typ 2 Real-time Hypervisor Lösungen von acontis

Seit vielen Jahren ist acontis als führender Anbieter von Lösungen für Echtzeit-Virtualisierung am Markt bekannt. Diese Produkte ermöglichen es Kunden auf Windows harte Echtzeitapplikationen zu realisieren. Des Weiteren können mit der Software bisherige Lösungen mit 2 oder mehreren Steuerungscomputern auf einer einzigen Hardwareplattform konsolidiert werden. Die Echtzeitsoftware kann dabei wahlweise auf einem CPU-Kern parallel zu Windows oder auch auf einem oder mehreren Kernen exklusiv betrieben werden. Auch der Betrieb unterschiedlicher Echtzeitbetriebssysteme oder mehrerer Instanzen desselben Echtzeitbetriebssystems auf verschiedenen CPU-Kernen ist möglich.

Die Hypervisor-Software ist speziell konzipiert für Hardware-Konsolidierung und Workload-Konsolidierung.
In solchen Szenarien werden zwei oder mehr Echtzeit- und/oder Nicht-Echtzeitsysteme auf einer einzigen Hardwareplattform zusammengefasst.

RTOSVisor für mehrere Windows® und/oder standard-Linux Instanzen parallel mit Real-time OS auf einem PC

Typ 1 Real-time Hypervisor – Mehrere Standard- und Echtzeitbetriebssysteme

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Detaillierte Information und Evaluation

LxWin – Windows® und Real-time Linux auf einem PC

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VxWin – Windows® und VxWorks auf einem PC

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Einführung in die Real-time Hypervisor Technologie

Virtualisierung

Bei der Vollvirtualisierung laufen Betriebssysteme wie Windows® oder Linux einschließlich ihrer Treiber und Anwendungen auf einer vollständig virtuellen oder emulierten Hardware, einer so genannten Virtuellen Maschine (VM).

Die Betriebssystemtreiber greifen jedoch nicht auf reale Hardware zu, sondern interagieren mit der virtualisierten Hardware, die der Hypervisor zur Verfügung stellt.

Die Gastbetriebssysteme laufen unverändert und mit den originalen-Hardwaretreibern, die Virtuelle Maschine stellt hierbei emulierte Hardware zur Verfügung, die sich exakt wie die reale Hardware verhält.

Der Vorteil der Vollvirtualisierung ist, dass Gastbetriebssysteme vollständig vom Hypervisor-Host sowie von anderen Gastbetriebssystemen und auch von der Hardware isoliert sind und daher keinen negativen Einfluss darauf haben können.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Hardware von den Gästen gemeinsam genutzt werden kann. Beispielsweise können Gast-Betriebssysteme gleichzeitig eine bestimmte Ethernet-Verbindung nutzen, um sich mit der Außenwelt zu verbinden.

Der gewichtigste Nachteil der Vollvirtualisierung ist die Performance. Das Ausführen eines Betriebssystems auf virtueller Hardware kann deutlich langsamer sein als die Ausführung eines Gastsystems auf echter physischer Hardware, da bei vollständiger Virtualisierung die Hardware vom Hypervisor emuliert werden muss.

Para-Virtualisierung

Bei der Para-Virtualisierung werden spezielle vom Hypervisor zur Verfügung gestellte Treiber verwendet. Diese interagierend direkt mit dem darunterliegenden Hypervisor, im Gegensatz dazu würde der originale Hardwaretreiber auf emulierte Hardware zugreifen.

Anstatt beispielsweise einen Intel- oder anderen Legacy-Ethernet-Controllern zu emulieren, wird ein spezieller Treiber als Netzwerktreiber verwendet.

Mit Para-Virtualisierung kann die Leistung ganz erheblich gesteigert werden, da keine Emulation der zugrunde liegenden Hardware erforderlich ist.

Pass Through

Pass Through ist eine Technik, bei der ein bestimmter Teil der physischen Hardware ausschließlich vom Gastbetriebssystem verwendet werden darf. Das bedeutet, dass das Gastbetriebssystem (Windows® oder Linux) direkt auf einen bestimmten Teil der Hardware zugreift, zum Beispiel auf einen Ethernet-Controller.

Dies führt zu nochmals verbesserter Performance, da der Hypervisor als Zwischenschicht entfällt.

Pass-Through ist jedoch nicht immer ohne Einschränkungen möglich.

Die Eigenschaften hängen wesentlich von der eingesetzten Hardware ab. Beispielsweise sind bei PCI-Multifunktionsgeräten zwei oder mehr Funktionen verfügbar, die einzelnen Funktionen können jedoch nur gemeinsam einem einzigen Gast zugeordnet werden, eine Zuweisung der verschiedenen Funktionen an mehrere Gäste ist nicht möglich.

Des Weiteren kann solch eine Hardware nicht mehr gemeinsam genutzt werden, da sie direkt einem bestimmten Gast zugewiesen ist.

Partitioning

Partitionierung bedeutet, dass die PC-Hardware in zwei oder mehr Hardwarepartitionen aufgeteilt wird. Jede Partition kann hierbei als ein voll funktionsfähiger kleiner PC mit CPUs, Speicher und Geräten betrachtet werden.

In diesem Beispiel wird ein PC gezeigt, der in zwei Partitionen aufgeteilt ist. Die untere Partition enthält einen CPU-Kern, einen Teil des Speichers sowie ein Hardwaregerät. Die übrigen CPU-Kerne, der Speicher und die Hardware-Geräte sind der oberen Partition zugeordnet.

Jeder Gast wird nun auf einer der Partitionen ausgeführt.

Dies ist insbesondere für Echtzeit-Gäste wichtig, denn um Echtzeitverhalten zu erhalten, muss ein Echtzeit-Gast ausschließlich auf seiner eigenen Hardwarepartition laufen. Die Ausführung weiterer Gäste würde zu unvorhersehbaren Verzögerungen führen und somit den Determinismus zerstören.

Jedes Echtzeitbetriebssystem muss einer bestimmten Hardwarepartition zugewiesen werden. Alle Nicht-Echtzeit-Gäste können auf der verbleibenden Hardware-Partition laufen.

Was ist ein Real-time Hypervisor?

Ein Real-time Hypervisor ist eine Softwareplattform, die die gleichzeitige Ausführung mehrerer Betriebssysteme auf derselben physischen Hardware mit Echtzeitgarantie ermöglicht. So können Hardwareressourcen partitioniert und mehrere Betriebssysteme und Anwendungen nebeneinander ausgeführt werden, wobei jedes Betriebssystem und jede Anwendung in einer eigenen virtuellen Maschine (VM) läuft.

Ein Real-time Hypervisor ermöglicht:

• Das Ausführen mehrerer Standard-Betriebssysteme wie Windows oder Linux und zusätzliche Echtzeitbetriebssysteme (RTOS) auf derselben Hardware
• Partitionierung von Hardwareressourcen wie CPU, Speicher und E/A-Geräte und deren Zuweisung an verschiedene Gast-Betriebssysteme nach Bedarf
• Gleichzeitige Ausführung mehrerer Anwendungen, wobei jede Anwendung in einem der Gast-Systeme ausgeführt wird
• Sicherstellung der Echtzeit-Performance bei kritischen Anwendungen durch Zuweisung höherer Prioritäten innerhalb eines Echtzeit-Betriebssystems und Bereitstellung von mehr Ressourcen für diese Anwendungen
• Schnelle und einfache Bereitstellung und Skalierung der Anwendungen auf unterschiedlichen Hardware-Plattformen

Unabhängig davon, ob in einer High-Performance-Computing-Umgebung, einer industriellen Automatisierungsumgebung oder einer unternehmenskritischen Anwendung gearbeitet wird, kann ein Real-time Hypervisor dabei helfen Hardwareressourcen optimal zu nutzen und die zuverlässige und deterministische Leistung der Anwendungen sicherzustellen.

Vergleich von Typ 1 Bare-Metal und Typ 2 Hypervisor