2012年12月4日（火）筑波大学 東京キャンパス文京校舎【主催】（社）情報処理学会
システムソフトウェアとオペレーティングシステム研究会（第24回コンピュータシステム・シンポジウム 併設イベント）

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BitVisor Summit 「BitVisorの現状と今後」

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開催趣旨
BitVisor Summit は、BitVisor に興味を持つ幅広い層の方々に交流や情報交換の場を提供することを目的としています。
BitVisor は純国産の仮想マシンモニタですが、BitVisor のように日本国内において研究開発されており、なおかつ高い完成度を持つ低レイヤのシステムソフトウェアはそれほど多くはないのではないかと思われます。
本 Summit では、BitVisor に関する最新の技術的な情報の交換の場を提供するほか，仮想化技術やOSカーネルなど、高度な基盤システムソフトウェア全般に興味を持った研究者・開発者・ユーザが交流する稀少な機会として有益な場となることを期待しています．
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BitVisor Summit 「BitVisorの現状と今後」

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講演者内訳• 招待講演×３件
 榮樂 英樹 様（株式会社イーゲル） 松原 克弥 様（株式会社イーゲル）
 村上 純一 様（フォティーンフォティ技術研究所）• 一般講演×６件
 産業技術総合研究所×1件
 筑波大学×2件
 電気通信大学×2件
 立命館大学×1件
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BitVisor Summit 「BitVisorの現状と今後」

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参加登録者
登録者数の推移
45

高専
3%

未記
入5%

所属組織内訳

公的研
究機関
5%

40
35

30
企業
45%

25
20
15
大学
42%

10
5
11/13
11/15
11/17
11/19
11/21
11/23
11/25
11/27
11/29
12/1
12/3

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BitVisor Summit 「BitVisorの現状と今後」

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BitVisorの現状と今後
品川高廣（東京大学）

BitVisorの歴史• 2006年：セキュアVMプロジェクトで研究開発開始• 2008年 3月：BitVisor 0.2公開• 2009年 3月：BitVisor 1.0公開
 VMMコア、ディスク・ネットワーク暗号化、ICカードによる鍵管理• 2010年 6月：BitVisor 1.1公開
 保護ドメイン機能、AHCI対応、Realtek NIC対応、...

• 2011年10月：BitVisor 1.2公開
 Suspend/Resume対応、ATA Piggyback、TCB BIOS対応、...

• 2012年 9月：BitVisor 1.3公開
 バックグラウンド暗号化（特許出願済）、EPT/NPT、ADvisor機能、...
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BitVisorを支えた競争的資金• 平成18年度～20年度
 文部科学省 科学技術振興調整費
 重要課題解決型研究 「高セキュリティ機能を実現する次世代OS環境の開発」
 研究代表者：加藤和彦（筑波大学）• 平成21年度～23年度
 総務省 戦略的情報通信研究開発推進制度（SCOPE）
 ICTイノベーション促進型研究開発

 「ディペンダブルな自律連合型クラウドコンピューティング基盤の研究開発」
 研究代表者：加藤和彦（筑波大学）• 平成22年度
 JST 研究成果最適展開支援事業（A-STEP）
 フィージビリティスタディ【FS】ステージ・シーズ顕在化タイプ

 「高セキュリティを実現する仮想マシンモニタ（BitVisor）の実用化検証」
 企業責任者：松原克弥（株式会社イーゲル）、研究責任者：品川高廣
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BitVisorを支える（支えた）人
チーフアーキテクト

品川（東京大学）
ATA, PCI

松原氏 （イーゲル）榮樂氏 （イーゲル）
VMMコア
Intel Pro 1000
保護ドメイン
AHCI
EPT/NPT
その他全般

USB(UHCI,EHCI)

登氏 （ソフトイーサ）
NTT Com
IDman (PKCS #11)

北村氏 （イーゲル）

保理江氏（NTTデータ）
VT-d (IOMMU)

Suspend/Resume

表氏 （筑波大学）

大山氏 （電通大）
ADvisor

バックグラウンド暗号化2012/12/4

VPN (IPsec)
Intel Pro 100

BitVisor Summit 「BitVisorの現状と今後」

サイエンスパーク
Realtek NIC

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BitVisorとは• 仮想化ソフトウェアの一種
 仮想マシンモニタ ＝ Virtual Machine Monitor (VMM) ハイパーバイザ ＝ Hypervisor (Type I VMM)
o ホストOSに頼らずハードウェア上で直接動作

 OSとハードウェアの間で動作する
 仮想マシン ＝ Virtual Machine (VM) を作り出す

OS
VM

 Single-VM仮想化
 ある時点で動作するOSは一つだけ

VMM
ハードウェア2012/12/4

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Single-VMの利点• 仮想化の利点を活用できるOS セキュリティ
 ゲストOSより高い特権レベルで動作する

 互換性

I/F互換

 ゲストOSを修正せずに機能追加を行える

×VM

VMM

ハードウェア• VMMを小さく出来る セキュリティ
 Trusted Computing Base (TCB)のサイズ削減
o 一般にプログラムは小さいほど安全とされている

 オーバーヘッド

OSVM
VMM

 仮想化に伴うコストを削減できる

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BitVisor Summit 「BitVisorの現状と今後」

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BitVisor の基本アーキテクチャ
準パススルー型（↔準仮想化）[Shinagawa et al. VEE ‘09]
ＯＳ

カーネル

コア機能

VMM

デバイスドライバ
VGA

HID

完全パススルー

Disk

USB

NIC

準パススルー

CPU仮想化
メモリ仮想化

保護ドメイン
拡張機能１

Disk

USB

NIC

拡張機能２

ハードウェア2012/12/4

BitVisor Summit 「BitVisorの現状と今後」

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BitVisor の応用型（１）「コア機能」のみ
ＯＳ

カーネル

デバイスドライバ
VGA

HID

Disk

USB

コア機能

VMM

CPU仮想化NIC

拡張機能１

完全パススルー

メモリ仮想化

拡張機能２

ハードウェア2012/12/4

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コア機能の仮想化レベル• CPU仮想化
 VMM に制御が戻る条件の On/Off
 割り込み、システムレジスタ、制御関係、メモリ関係、I/O関係

 BitVisor の機能の On/Off タイマースレッド、保護ドメイン• メモリ仮想化
 ページ保護の On/Off Shadow Paging 無し／有り、EPT（+Unrestricted Guest）

 MMIOの捕捉

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BitVisor の応用型（２）「コア機能」＋ n × 「準パススルードライバ」
ＯＳ

カーネル

デバイスドライバ
VGA

HID

Disk

USB

NIC

コア機能

VMM

拡張機能１

CPU仮想化
メモリ仮想化

VGA

HID

Disk

USB

NIC

拡張機能２

ハードウェア2012/12/4

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準パススルーのレベル• 監視のみＯＳ IDSなど

ドライバ• 監視＋変換

VMM アクセス制御
 暗号化

拡張機能

• 多重化（Piggyback）
 VMMによる機能追加

デバイス

 Disk, USB, NIC
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BitVisor の応用型（３）
保護ドメイン（Process）
ＯＳ

VMM

カーネル

デバイスドライバ
VGA

HID

Disk

USB

NIC

コア機能

保護ドメイン

CPU仮想化

拡張機能１

メモリ仮想化

Disk

USB

NIC

拡張機能２

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BitVisor の応用研究の例
加藤（筑波大学）・品川（東京大学）の共同研究
VMM Disk USB NIC 保護
コアドメイン
セキュアVM☑

☑

システムファイル保護☑

☑

透過的VPN切り替え☑

透過的ネットワークブート☑

ボランティアコンピューティング☑

デバドラ検証☑

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☑

☑
☑

☑

☑

△
○

BitVisor Summit 「BitVisorの現状と今後」

○☑

○17

BitVisor を使った世界の研究• TCVisor [Rezaei et al., ICITST ‘10]
 ユーザ毎に特定のストレージ領域のみを見せる仕組み
 TPM, password, security tokenの組み合わせで実現• HyperSafe [Wang et al., IEEE S&P ‘10]
 Hypervisor自身の完全性を維持する仕組み
 Hypervisor を書き換えられなくする• “Return-less” VMM [Li et al., EuroSys ‘10]
 ret命令のないカーネル・VMMを実現
 ROR (Return-Oriented Rootkit)対策

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BitVisor Summit 「BitVisorの現状と今後」

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論文の参照数

EuroSys ‘10IEEE S&P 2010

EuroSys ‘10

SOSP ‘11
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TinyVisor

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BitVisorの今後の課題• 機能向上 デバイス対応
 USB 3.0（xHCI），NIC（Marvell, Broadcom），無線LAN, RAIDカード, ...

 マシン・OS対応
 EFI（Mac対応）, Nested Virtualization, MMConfig, ...

 開発者向け対応
 依存関係対応Config, API整理，ドキュメンテーション

 オーバヘッド削減
 EPT, スレッド, Preemption Timer• 商業化
 セキュアVM, ネットワークブート，...
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まとめ
• BitVisorの現状と今後
 準パススルー型アーキテクチャ
 VMMコア機能
 デバイス・メディエータ
 保護ドメイン

 応用研究・開発
 加藤・品川研究室
 世界の研究 TinyVisor 今後の課題 デバイス対応，マシン対応，開発者向け対応，オーバーヘッド削減
 商業化

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BitVisor Summit 「BitVisorの現状と今後」

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BitVisor の宣伝• BitVisor に関する情報
 ホームページ http://www.bitvisor.org/

 メーリングリスト（@bitvisor.org）
 bitvisor-user（日本語）, bitvisor-user-en（英語） bitvisor-devel（日本語）, bitvisor-devel-en（英語） ソースコード http://sourceforge.net/projects/bitvisor/• 有償サービス
 （株）イーゲルが提供
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