2012W OS03 Virtual Machines

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2012W OS03 Virtual Machines
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Winter 2012
Opera&ng Systems Virtual Machines Virtualisierung System X‘‘ System X‘ System X „Virtualiza&on s a framework oMaschine r Maschine Yi‘‘‘ Y‘‘ methodology of dividing the resources of a computer into mul&ple execu&on environments, by applying one or more concepts or technologies such as hardware and soAware par&&oning, &me-­‐sharing, par&al or complete machine simula&on, emula&on, quality of service, and many others.” Maschine Y‘=Y VirtualisierungssoAware Maschine Y Amith Singh (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Vorteile •  Server-­‐Konsolidierung •  Testen und Debugging •  Isola&on –  Sandboxing –  Fault / Error Containment •  Ausführung von Legacy SoAware –  Alte Anwendungen –  Alte Betriebssysteme •  Indirek&onsstufe – 
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Migra&on Quality of Service Lastverteilung Administra&on Automa&sierung •  Schulungen •  Auslieferungsmedium für Anwendungen –  Einsichten in neue SoAware Nachteile •  Zeit-­‐ und Platzeffizienz •  Schlecht virtualisierbare Hardware •  Bereits im Gast-­‐OS genutzte Virtualisierung (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Serverkonsolidierung •  Hardwarekonzentra&on und Servervirtualisierung •  Vorteile – 
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Verbesserte Hardwareauslastung Skalierbarkeit auf Mul&prozessorsystemen Schnelle und flexible virtuelle Vernetzung Geringere Kosten Planbarkeit der Last Höhere Verfügbarkeit Quality of Service Migra&on Gute Virtualisierbarkeit •  Keine „exo&sche“ Hardware Bedeutung •  75% of enterprises aware of virtualiza&on •  34% implemen&ng virtualiza&on by mid-­‐2006 •  60% increasing virtualiza&on in the next year Forrester, Februar 2006 (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Technik ist recht verbreitet! •  Virtualisierung einzelner Ressourcen –  Terminal = Window •  Ak&ves Fenster hat Fokus (=Keyboard und Maus) –  CPU = Thread –  Adreßraum Speicher = Virtual Memory –  … •  Virtualisierung ganzer Rechner –  16 Bit Windows und DOS-­‐Anwendungen •  Ausführung in einer virtuellen Maschine –  Virtuelle Maschinen unterschiedlichster Bauart Ressourcen-­‐Virtualisierung •  Bessere Ausnutzung –  Kontextwechsel bei blockierendem Aufruf –  Nebenläufige Anwendungen profi&eren von Mul&prozessoren •  … aber laufen auch auf Monoprozessoren •  Eliminieren von Engpässen –  Mehr Speicher durch Paging –  Jede Anwendung bekommt ihr eigenes Terminal •  Schutz / Isola&on –  Anwendungen untereinander isoliert –  Betriebssystem vor defekten/bösar&gen Anwendungen geschützt (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Beispiel „Virtueller Speicher“ Stack Heap Data Code Page Table •  Abbildungsverfahren –  Ort jeder genutzten virtuellen Seite im Speicher Realer Adreßraum Virtueller Adreßraum MMU •  Mehrwert –  Isola&on von Adreßräumen –  Schutz –  Bessere Speichernutzung •  Overhead wird durch speziellen Cache (Transla&on Lookaside Buffer) minimiert Historische Wurzeln •  1959 bis 1970, IBM federführend, aber auch MIT u.a. •  Geburtsstunde des Mul&-­‐Programming und Time-­‐Sharing –  Atlas Project, Manchester (1961) –  Mul&cs, MIT (1963) –  m44/44X, IBM 704 Serie, CTSS, CP-­‐40, CP-­‐67, VM/370 IBM (ca. 1965) •  Mehrere iden&sche Kopien der Hardware •  Kommende OS-­‐Genera&on noch zu jung und instabil •  Schnelle Nutzung der besser werdenden Hardware •  Etablierte und zuverlässige Betriebssysteme miwels virtuellen Maschinen replizieren (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Virtualisierungsarten •  Emula&on –  Vollständige Simula&on anderer CPU und Hardware •  Na&ve Virtualisierung (Full Virtualiza&on) –  Keine Änderung des Gastsystems (=Transparenz) •  Paravirtualisierung –  Gastsysteme sind sich ihrer Virtualisierung bewußt –  Transparenz oberhalb des Gastes •  OS-­‐Level-­‐Virtualisierung –  Betriebssystem virtualisiert mehrere Instanzen seiner selbst •  Anwendungsvirtualisierung Emula&on •  Interpreta&on –  MS Virtual PC für PPC –  Emulatoren für Atari, VC64, Apple II, … •  Übersetzung –  Rosewa (MAC OS X, PPC auf Intel) –  WOW64 (32 Bit Windows auf Itanium 2) –  … •  Performanz (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Na&ve Virtualisierung •  Befehlssatz Gast = Befehlssatz Host •  Voraussetzungen Anwendung Nicht-­‐Privilegiert –  Privilegierter und nicht-­‐privilegierter Modus –  Gut virtualisierbare CPU ;-­‐) Gast-­‐OS Nicht-­‐Privilegiert •  Gast-­‐OS führt privilegierte Instruk&on aus Anwendung Virtuelle Nicht-­‐Privilegiert Hardware –  VMM interpre&ert Befehl im Kontext der virtuellen Hardware VMM OS Privilegiert •  Wechsel zu virtueller Hardware für Gast-­‐OS unsichtbar Hardware Typ-­‐1 und Typ-­‐2 Type-2 VMM
Gast 1 Gast 2 VMM Gast 1 Gast 2 Host OS VMM Hardware Hardware •  Beispiele – 
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Type-1 VMM
(Hypervisor)
VMware Worksta&on VMware GSX Server MS Virtual PC MS Virtual Server (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
•  Beispiele –  VMware ESX Server 7
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Beispiele •  Berühmtester Vertreter: VMware –  Fortgeschriwene Konzepte • 
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Drag and Drop Schnappschüsse Clones Diverse Mul&mediafähigkeiten (Sound, experimentelles 3D, …) •  Virtuelle Rechnernetze •  MicrosoA Virtual PC und Virtual Server •  Parallels für Apple-­‐Hardware –  Anwendungsfenster unabhängig vom Desktop •  Virtual Box von Sun Kri&sche Instruk&onen •  Reale CPUs mehr oder weniger gut virtualisierbar •  x86 eher weniger J •  Gründe –  Nicht-­‐privilegierte Instruk&onen geben AuskunA über privilegierte Hardware-­‐Informa&onen (Interrupts, …) –  Instruk&onsresultat abhängig vom Ausführungsmodus –  Instruk&onen verändern versteckten Prozessorzustand •  Insgesamt 17 kri&sche Instruk&onen –  Ausführung löst keine Excep&on aus –  Für VMM schwer erkennbar (z.B. aufwendige Filterung) (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Paravirtualisierung •  Gast-­‐System muß angepaßt werden •  Vorteile –  Für Virtualisierung ungüns&ge Hardware-­‐EigenschaAen abschwächen bzw. au}eben –  Kri&sche Instruk&onen vermeiden –  Geringe Effizienzverluste •  Nachteile –  Zugang zum Sourcecode notwendig •  Bedeutendster Vertreter: Xen •  Starkes Interesse seitens VMware und MicrosoA Xen Host Gast 1 Gast n Dom0 Dom1 Dom n Xen Hypervisor Hardware •  Open Source Projekt der Universität Cambridge •  Volle Virtualisierung mit HW-­‐Unterstützung möglich •  Spezielles Hostsystem in Dom0 –  stellt in der Regel Treiber für E/A bereit –  Führt diverse Xen-­‐Prozesse aus •  Gäste greifen über virtuelle Treiber und Host auf Geräte zu –  Shared Memory und Events (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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User-­‐Mode Linux (UML) •  Por&erung des Linux-­‐Kernels auf virtuelle Architektur um
•  arch/um bildet Funk&onalität auf System Calls ab ⇒ UML besteht aus mehreren Linux-­‐Prozessen Anwendungen Linux Anwendungen arch/um Linux arch/i386 Hardware i386 Hardware um OS-­‐Level Virtualisierung •  Dünne Virtualisierungsschicht oberhalb des Betriebssystems •  Jedes Server-­‐OS bietet entsprechende Möglichkeiten –  Virtual Environments, Virtual Private Servers, Jails, vservers, Zones, Containers, … •  Kommerzielle Lösungen •  Bemerkungen –  Leichtgewich&g –  Vergleichsweise komplex –  Meist fangen vorgeschaltete Kerneltreiber alle Aufrufe ab Service 1 Service 2 Service 3 OS X OS X OS X Virtualisierungsschicht OS X Hardware (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Produkte Wikipedia
ABI/API-­‐Virtualisierung •  WINE –  Windows API auf UNIX/Linux und X •  CrossOver –  Kommerzielle Wine-­‐Version •  SUN WABI –  Windows Applica&on Binary Interface –  für x86 –  Emula&on auf SPARC •  … (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Applica&on Virtualisierung •  Viel Ähnlichkeit mit Emula&on, aber … –  keine Nachbildung eines vorhandenen Befehlssatzes –  sondern eigenständige, problemspezifische Lösung •  Meist deutlich höhere Abstrak&onen als CPU-­‐Instruk&onen •  Wich&gste Vertreter –  Java Virtual Machine (JVM) –  .NET Common Language Run&me (CLR) •  DIE Laufzeitpla~ormen der Gegenwart Beispiele Wikipedia
(c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Weitere Beispiele •  Web-­‐Server –  Virtual Directory –  Virtual Host •  Applica&on Server –  Enterprise JavaBeans –  Weitere Indirek&onsstufe •  WPF und WF aus .NET 3.0 –  Instruk&onssätze •  XAML •  XAML Presenta&on •  XOML MicrosoA •  Diverse Ansätze seit mindestens 1995 in Benutzung •  Virtual DOS Machine (VDM) –  DOS-­‐Anwendungen unter Windows ausführen •  WOW32, WOW64 –  Unterstützung für 16-­‐Bit-­‐Anwendungen auf 32-­‐Bit-­‐Windows und 32-­‐Bit-­‐
Anwendungen auf 64-­‐Bit-­‐Windows •  ABI/API-­‐Emula&onen für OS/2 und POSIX •  Applica&on Virtualiza&on –  SQL Server, IIS, Exchange Server, Terminal Server, …. •  Aktuelle Produktlinie •  Ziel: Paravirtualisierte Windows-­‐Betriebssysteme, Hypervisor (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Windows Enlightenment •  Paravirtualisierbare Windows-­‐Betriebssysteme •  Seit Longhorn (Codebase Vista für Server) •  Verlagerung der Treiber in Gast-­‐OS –  Virtualiza&on Provider –  Virtualiza&on Client –  Direkter HW-­‐Zugang für Gäste •  Direct3D bzw. DirectX für Gäste zugänglich !!! Sicherheit •  VMWare SoAware –  Remote Heap Exploit in vmnat.exe –  Angreifer kann eine virtuelle Maschine verlassen und Host kompromieren •  Angriffe auf JVM und .NET CLR durch Fehler in der Speicherverwaltung –  S. Govindavajhala, A.W. Appel, Princeton, 2003 (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Blue Pill Awack •  Joana Rutkowska, COSEINC •  Nutzt Hardwareunterstützung für Virtualisierung –  Malware wird kleiner Hypervisor –  OS kommt in eine virtuelle Umgebung und wird kontrollierbar –  Geht „On the fly“ •  Exploit auf AMD64 SVM über Vista •  Schutz mit zusätzlicher HW-­‐Unterstützung möglich –  Authenifizierung auf HW-­‐Ebene beim Einrichten neuer VMs Matrix und Blue Pill TRENDS (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Trends •  Mehr Funk&onalität –  Migra&on virtueller Maschinen im laufenden Betrieb –  Konver&erung •  Aus realer Installa&on wird virtuelle Installa&on •  Aus virtueller Installa&on wird reale Installa&on •  Zwischen verschiedenen virtuellen Formaten •  Mehr Standards –  Offenlegung der Formate virtueller Festplawen –  Management komplexer virtueller Infrastrukturen •  Mehr Hardwareunterstützung –  Paravirtualisierung bei Hardwaretreibern •  Zugriff auf 3D-­‐Features moderner Graphikkarten in der virtuellen Maschine –  Direkter Support in modernen CPUs Visionen?! •  Virtuelle Maschinen werden immer „billiger“ –  Ausreichend viele CPUs vorhanden –  Kompakte Images •  Snapshots werden als Deltas gespeichert •  Mehrere VMs nutzen gleiche Codebasis •  Hypervisor + Virtuelle Maschinen wird Normalfall •  „Wenn der Prophet nicht zum Berg kommt, …“ –  Betriebssysteme erlauben saubere Anwendungsstrukturen –  Aber viele Anwendungen werden „unsauber“ realisiert –  Jede Anwendung bekommt eigene virtuelle Hardware •  Virtuelle Maschinen werden Einheiten des Deployments (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Virtuelle Zeiten •  Anwendungen werden als vorkonfigurierte virtuelle Maschinen ausgeliefert – 
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Bessere Isola&on Weniger Wechselwirkungen Erhöhte Flexibilität Erhöhte Mobilität •  Viele VMs laufen auf jeweils einem Rechner –  Zeit-­‐ und Platzeffizienz •  Renaissance in Forschung und Entwicklung •  Virtualisierungstechniken sind neuer alter Trend Trend 1: OnBoard Hypervisor •  ESX Server 3i –  32 MB klein –  Kein Linux mehr als Basis à BareMetal •  ESX Server 3i in Flash-­‐Baustein auf Mainboard –  Dell, Fujitsu Siemens, HP, IBM, NEC –  Voraussichtlich ab Ende 2007 verfügbar –  BIOS-­‐ähnliches Handling •  Updates –  Firmware-­‐Update Mainboard (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Trend 2: Business Model ändert sich •  Hypervisor werden güns&ger –  ESX Server 3i einzeln für 495 $ (ehemals 1000 $) –  MicrosoA Hyper-­‐V • 
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Ex-­‐Veridian VHD-­‐Spezifika&on à Citrix-­‐ und Xen-­‐kompa&bel Unterstützt Linux-­‐Gäste 28$ (sic!) •  Management wird wich&ger –  ESX Server 3i enthält keine eigene Mgmt-­‐Konsole mehr –  VMWare fokussiert auf Management-­‐Tools •  Strategie –  Virtualisierung allgegenwär&g machen à Management-­‐Bedarf wächst à Integrierte Lösungen verkaufen Trend 3: Hypervisor wandelt sich •  1. Genera&on –  Hosted Typ-­‐2-­‐Hypervisor Hardware Host Betriebssystem Hypervisor Gast Betriebssystem Applika&on (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Aktuelle Genera&on •  Na&ve Typ-­‐1-­‐Hypervisor Hardware Hypervisor Gast Betriebssystem Applika&on Trend … •  Managed Code Hardware Hypervisor Gast Betriebssystem Managed Run&me Environment Applika&on (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Trend 4: Gast-­‐OS wandelt sich •  Beispiel ESX Server 3i –  Teilmenge der POSIX OS-­‐API –  VSockets über VMCI (zukünAig) –  Microkernel++? •  Canonical JeOS –  Just Enough Opera&ng System –  Minimal-­‐Ubuntu für Virtual Appliances –  Für ESX Server 3i Hypervisor HW HV RTE •  BEA Liquid VM –  JVM für den Hypervisor –  Für Virtual Appliances Applika&on •  MicrosoA Server Core –  Konfigurierbarer minimal Windows Server ohne GUI Oder noch schlimmer ... •  ... Browser ist das Betriebssystem –  Vergleichbar JVM oder CLR •  Beispiel Chrome •  Trend „Rich Internet Applica&ons“ (RIAs) –  Aspekt verteilter Systeme –  Integra&on von Clouds bzw. *aaS HW Minimal OS
Browser RIA (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Trend 5: HW Support •  Hypervisor in Flash-­‐Baustein auf Mainboard •  IO-­‐Controller mit Virtualisierungs-­‐Support •  Verbesserte CPU Unterstützung –  Nested Page Tables –  VM-­‐Switch in ZukunA effizienter Hardwareunterstützung •  Support für virtuelle Maschinen –  Unzulänglichkeiten der x86-­‐Architektur bzgl. Virtualisierung besei&gen –  Intel VT (früher Vanderpool) –  AMD V (früher Pacifica) •  IOMMU – 
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Virtuelle Adreßabbildung und Schutz bei DMA-­‐Zugriffen Legacy 32-­‐Bit-­‐Support auf 64-­‐Bit-­‐Systemen Direkter aber geschützter Zugriff virtueller Gäste auf Hardware Direkter aber geschützter Zugriff von Anwendungen augf Hardware (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Intel VT VM Entry
Host-­‐State Area Guest-­‐State Area VM Exit
•  Zwei Realisierungen –  x86-­‐Architektur: VT-­‐x –  Itanium: VT-­‐i •  VM Exits sind konfiguierbar – 
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Welche Excep&on soll Exit auslösen? Welcher I/O-­‐Zugriff? Welche maschinenspezifischen Register sind geschützt? Welche kri&schen Instruk&onen? Trend 6: VM als Einheit des Deployment •  Open Virtual Machine Format (OVF) –  Portabel und HV-­‐unabhängig –  XML-­‐basierter Standard zum Austausch virtueller Maschinen –  Unterstützt „Virtual Appliances“ / „SoAware Appliances“ •  „Nicht nur Betriebssysteme sondern Applika8onen“ •  Virtual Appliances –  VM-­‐Ensembles als einheitliche Applika&on –  Beispiel CRM-­‐Applika&on •  Web Server, Datenbank-­‐Server, Frontend, … •  Jede Komponente eine VM –  Einfache „Installa&on“ (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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OVF Details… •  Standardisierungsprozess –  Distributed Management Task Force (DMTK) •  Dell, HP, IBM, MicrosoA, VMWare, XenSource et al. –  Aktuell Entwurf-­‐Status –  VMWare Infrastructure bietet bereits Support für OVF Beispiel: OVF Import (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Beispiel: OVF Import Beispiel: Virtual Appliance (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Virtual Appliances heute •  Vorteile für SoAware-­‐Provider und Kunden – 
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Verminderte Heterogenität Minimierung der Setup-­‐ und Konfigura&onsprobleme „Never touch a running system“-­‐Syndrom Kunden wird Angst vor Upgrade genommen •  Forrester Research –  Viele hundert Appliances am Markt –  „Insbesondere für kleine Unternehmen mit 5 – 100 Anwendern interessant da häufig kein eigenes IT-­‐Personal“ Konver&erung •  Xen kann VMware-­‐Images umwandeln •  VMware Converter (vorher „Virtual Machine Importer“) •  … Abbildung
VMware
(c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Standards •  Image Spezifika&onen –  Interne Repräsenta&on der virtuellen Laufwerke offengelegt •  VMware •  MicrosoA •  Zusammenarbeit bei –  Defini&on eines Paravirtualisierungs-­‐APIs •  Windows auf Xen ohne Sourcecode und HW möglich –  Einheitliche Management-­‐APIs •  Ums&eg von Apple auf Intel-­‐CPUs hat Szene belebt –  VMware wird Produkt für Apple im 1. HJ 2007 anbieten –  Parallels ist ein flinker kleiner „David“ Offene Fragen •  Gast-­‐OS –  Hat Anwender Zugriff? –  Lizenz? –  Full-­‐Fledged OS? •  Update-­‐Prozess –  Wie genau gestaltet? –  Daten innerhalb der Appliance-­‐VMs? •  Sicherheit –  Wer trägt Kosten? –  HaAung? (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Trend 7: VMs werden erwachsen •  Nicht mehr nur bloßes „Nachahmen“ realer HW –  VMs können viel mehr •  Beispiele –  Physical-­‐2-­‐Virtual –  Virtual-­‐2-­‐Physical –  VMo&on •  Live Migra&on Record/Replay •  Komplewe Kontrolle der Zeit aus Sicht einer VM –  Vollkommen determinis&sche Ausführung •  Einsatzszenarien –  SoAware-­‐Tests / Debugging • 
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Exakte Reproduzierbarkeit von Fehlern Race-­‐Condi&ons Als Log an Entwickler liefern Debugger nachträglich einhängen –  Consumer •  Recovery im täglichen Einsatz? •  VM-­‐basierte Wiederherstellungspunkte? (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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DISKUSSION These 1: HW-­‐Hypervisor wird Standard •  Innova&onen im IT-­‐Bereich –  Professional à Prosumer à Consumer •  Server von heute = Worksta&on von morgen? –  Siehe RAID, SCSI, Mul&core, Virtualisierung … •  Preise für Hypervisor im Sturzflug –  28 $ ≈ 16 € für MicrosoA Hyper-­‐V –  Gehen in Mainboard-­‐Kosten unter •  In ZukunA Hypervisor auf jedem Mainboard? –  Liegt im Interesse der Hersteller (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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These 2: Virtualisierung wird Normalfall •  Legacy-­‐Berg wächst auch beim Anwender •  In ZukunA SoAware nur noch als virtuelle Maschine –  Beschreibung benö&gter (virtueller) Hardware bspw. In OVF –  XML-­‐basiert und Hypervisor-­‐unabhängig •  Na&ve Applika&onen auf einige (wenige) Domänen beschränkt •  In ZukunA –  „Na&v“ = Direkt auf Hypervisor? These 3: Schlanke Gast-­‐Betriebssysteme •  Full-­‐Fledged Betriebssystem zu schwergewich&g –  Memory-­‐ und Disk-­‐Footprint –  Lizenzproblema&k –  Sicherheitsaspekte •  In ZukunA abgespeckte Varianten für wenige Dollar –  Werden mit SoAware mitgeliefert •  Windows Server Core und JeOS erste Schriwe in diese Richtung Betriebssystem
(c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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Referenzen • 
AMD –  hwp://www.amd.com/de-­‐de/Processors/ProductInforma&on/0,,30_118_8796_14287,00.html • 
Amit Singh, An Introduc&on to Virtualiza&on –  hwp://www.kernelthread.com/publica&ons/virtualiza&on/ • 
Intel –  hwp://www.intel.com/technology/virtualiza&on/index.htm • 
MicrosoA –  hwp://www.microsoA.com/whdc/system/plaàorm/virtual/default.mspx • 
XEN 3, A. Radonic, F. Meyer, Franzis Professional Series, 2006 • 
Wikipedia Referenzen (2) •  Matrix –  Die Filme von Andy Wachowski & Larry Wachowski •  Simulacron 3 –  SF-­‐Roman von Daniel F. Galouye, 1964, USA –  Verfilmung von R.W. Fassbinder „Welt am Draht“ –  Verfilmung von R. Emmerich „The Thirteen Floor“ (c) Peter Sturm, University of Trier, D-54286 Trier, Germany
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