Virtualizzazione. Riferimenti bibliografici

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1 Università degli Studi di Roma Tor Vergata Dipartimento di Ingegneria Civile e Ingegneria Informatica Virtualizzazione Corso di Sistemi Distribuiti e Cloud Computing A.A. 2013/14 Valeria Cardellini Riferimenti bibliografici Virtual machines and virtualization of clusters and data centers, chapter 3 of Distributed and Cloud Computing. Virtualization, chapter 3 of Mastering Cloud Computing. J. Daniels, Server virtualization architecture and implementation, ACM Crossroads, M. Rosenblum, T. Garfinkel, Virtual machine monitors: current technology and future trends, IEEE Computer, J.E. Smith, R. Nair, The architecture of virtual machines, IEEE Computer, Altri riferimenti sul sito del corso Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 1

2 Virtualizzazione Virtualizzazione: livello alto di astrazione che nasconde i dettagli dell implementazione sottostante Virtualizzazione: astrazione di risorse computazionali Si presenta all utilizzatore una vista logica diversa da quella fisica Le tecnologie di virtualizzazione comprendono una varietà di meccanismi e tecniche usate per risolvere problemi di: Sicurezza, affidabilità, prestazioni,! Come? Disaccoppiando l architettura ed il comportamento delle risorse percepiti dall utente dalla loro realizzazione fisica Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 2 Virtualizzazione di risorse Virtualizzazione delle risorse hw e sw di sistema Macchina virtuale,! Virtualizzazione dello storage Storage Area Network (SAN),! Virtualizzazione della rete Virtual LAN (VLAN), Virtual Private Network (VPN),! Virtualizzazione del data center Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 3

3 Components of virtualized environment Three major components: Guest Host Virtualization layer Guest: system component that interacts with the virtualization layer rather than with the host Host: original environment where the guest is supposed to be managed Virtualization layer: responsible for recreating the same or a different environment where the guest will operate Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 4 Macchina virtuale Una macchina virtuale (VM, Virtual Machine) permette di rappresentare le risorse hw/sw di una macchina diversamente dalla loro realtà Ad es. le risorse hw della macchina virtuale (CPU, scheda di rete, controller SCSI) possono essere diverse dai componenti fisici della macchina reale Una singola macchina fisica può essere rappresentata e usata come differenti ambienti di elaborazione Molteplici VM su una singola macchina fisica Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 5

4 Virtualizzazione: cenni storici Il concetto di VM è un idea vecchia, essendo stato definito negli anni 60 in un contesto centralizzato Ideato per consentire al software legacy (esistente) di essere eseguito su mainframe molto costosi e condividere in modo trasparente le (scarse) risorse fisiche Ad es. il mainframe IBM System/ Negli anni 80, con il passaggio ai PC il problema della condivisione trasparente delle risorse di calcolo viene risolto dai SO multitasking L interesse per la virtualizzazione svanisce Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 6 Virtualizzazione: cenni storici (2) Alla fine degli anni 90, l interesse rinasce per rendere meno onerosa la programmazione hw specialpurpose VMware viene fondata nel 1998 Si acuisce il problema dei costi di gestione e di sottoutilizzo di piattaforme hw e sw eterogenee L hw cambia più velocemente del sw (middleware e applicazioni) Aumenta il costo di gestione e diminuisce la portabilità Diventa nuovamente importante la condivisione dell hw e delle capacità di calcolo non usate per ridurre i costi dell infrastruttura E una delle tecnologie abilitanti del Cloud computing Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 7

5 Vantaggi della virtualizzazione Facilita la compatibilità, la portabilità e la migrazione di applicazioni ed ambienti Indipendenza dall hw Create Once, Run Anywhere VM legacy: eseguire vecchi SO su nuove piattaforme Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 8 Vantaggi della virtualizzazione (2) Permette il consolidamento dei server in un data center, con vantaggi economici, gestionali ed energetici Obiettivo: ridurre il numero totale di server ed utilizzarli in modo più efficiente Vantaggi: Riduzione dei costi e dei consumi energetici Semplificazione nella gestione, manutenzione ed upgrade dei server Riduzione dello spazio occupato e dei tempi di downtime Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 9

6 Vantaggi della virtualizzazione (3) Permette di isolare componenti malfunzionanti o soggetti ad attacchi di sicurezza, incrementando quindi l affidabilità e la sicurezza delle applicazioni Macchine virtuali di differenti applicazioni non possono avere accesso alle rispettive risorse Bug del software, crash, virus in una VM non possono danneggiare altre VM in esecuzione sulla stessa macchina fisica Permette di isolare le prestazioni Ad es. tramite opportuno scheduling delle risorse fisiche che sono condivise tra molteplici VM Permette di bilanciare il carico sui server Tramite la migrazione della VM da un server ad un altro Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 10 Taxomomy of virtualization techniques Execution environment virtualization is the oldest, most popular and most developed area we will mostly investigate it Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 11

7 Architetture delle macchine virtuali A che livello realizzare la virtualizzazione? Dipende fortemente dalle interfacce offerte dai vari componenti del sistema Interfaccia tra hw e sw (user ISA: istruzioni macchina non privilegiate, invocabili da ogni programma) [interfaccia 4] Interfaccia tra hw e sw (system ISA: istruzioni macchina invocabili solo da programmi privilegiati) [interfaccia 3] Chiamate di sistema [interfaccia 2] ABI (Application Binary Interface): interfaccia 2 + interfaccia 4 Chiamate di libreria (API) [interfaccia 1] Obiettivo della virtualizzazione Imitare il comportamento di queste interfacce Riferimento: The architecture of virtual machines Valeria Cardellini - SDCC 2012/13 12 Machine reference model A1 Applications API Libraries A2 ABI System calls Operating System A3 ISA System ISA Hardware User ISA An application uses library functions (A1), makes system calls (A2), and executes machine instructions (A3) Valeria Cardellini - SDCC 2012/13 13

8 Virtualization layers Common virtualization layers include: Application level (also process VM) Library level (user-level API) Operating system level ISA level Requires binary translation and optimization, e.g., dynamic binary translation Hardware abstraction layer (also system VM): virtual machine monitor (VMM), also hypervisor VMM: software that securely partitions the resources of a computer system into one or more VMs Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 14 Virtualization layers (2) Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 15

9 Macchina virtuale di processo Virtualizzazione per un singolo processo VM di processo: piattaforma virtuale che esegue un singolo processo Fornisce un ambiente ABI o API virtuale per le applicazioni utente Il programma è compilato in un codice intermedio (portabile), che viene successivamente eseguito nel sistema runtime Esempi: JVM,.NET CLR Istanze multiple di combinazioni <applicazione, sistema runtime> Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 16 Monitor della macchina virtuale Uno strato sw separato che scherma (completamente) l hw sottostante ed imita l insieme di istruzioni dell architettura Sul VMM possono essere eseguiti indipendentemente e simultaneamente sistemi operativi diversi Esempi: VMware, Microsoft Virtual PC, Parallels, VirtualBox, Xen, KVM Istanze multiple di combinazioni <applicazioni, sistema operativo> Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 17

10 Termini e classificazione VMM Host: piattaforma di base sulla quale si realizzano le VM; comprende: Macchina fisica Eventuale sistema operativo nativo VMM Guest: tutto ciò che riguarda ogni singola VM Sistema operativo ed applicazioni eseguite nella VM Considerando il VMM, distinguiamo: VMM di sistema VMM ospitato Virtualizzazione completa Paravirtualizzazione Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 18 VMM di sistema o VMM ospitato In quale livello dell architettura di sistema collocare il VMM? direttamente sull hardware (VMM di sistema o classico) come applicazione su un SO esistente (VMM ospitato) host guest guest host VMM ospitato VMM di sistema Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 19

11 VMM di sistema o VMM ospitato (2) VMM di sistema: eseguito direttamente sull hw, offre funzionalità di virtualizzazione integrate in un SO semplificato L hypervisor può avere un architettura a micro-kernel (solo funzioni di base, no device driver) o monolitica Esempi: Xen, VMware ESX VMM ospitato: eseguito sul SO host, accede alle risorse hw tramite le chiamate di sistema del SO host Interagisce con il SO host tramite l ABI ed emula l ISA di hw virtuale per i SO guest Vantaggio: non occorre modificare il SO guest Vantaggio: può usare il SO host per gestire le periferiche ed utilizzare servizi di basso livello (es. scheduling delle risorse) Svantaggio: degrado delle prestazioni rispetto a VMM di sistema Esempi: User-Mode Linux, Parallels Desktop Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 20 VMM reference architecture Dispatcher: VMM entry point that reroutes the instructions issued by the VM Allocator: decides about the system resources to be provided to the VM Interpreter: executes a proper routine when the VM executes a privileged instruction Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 21

12 Virtualizzazione completa o paravirtualizzazione Quale modalità di dialogo tra la VM ed il VMM per l accesso alle risorse fisiche? Virtualizzazione completa Paravirtualizzazione Virtualizzazione completa Il VMM espone ad ogni VM interfacce hw simulate funzionalmente identiche a quelle della sottostante macchina fisica Il VMM intercetta le richieste di accesso privilegiato all hw (ad es. le istruzioni di I/O) e ne emula il comportamento atteso Il VMM gestisce un contesto di CPU per ogni VM e condivide le CPU fisiche tra tutte le VM Esempi: KVM, VMware ESXi, Microsoft Hyper-V Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 22 Virtualizzazione completa o paravirtualizzazione Quale modalità di dialogo tra la VM ed il VMM per l accesso alle risorse fisiche? Paravirtualizzazione Il VMM espone ad ogni VM interfacce hw simulate funzionalmente simili (ma non identiche) a quelle della sottostante macchina fisica Non viene emulato l hw, ma viene creato uno strato minimale di sw (Virtual Hardware API) per assicurare la gestione delle singole istanze di VM ed il loro isolamento Esempi: Xen, Oracle VM (basato su Xen), PikeOS Confronto qualitativo delle diverse soluzioni per VM Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 23

13 Virtualizzazione completa Vantaggi Non occorre modificare il SO guest Isolamento completo tra le istanze di VM: sicurezza, facilità di emulare diverse architetture Svantaggi VMM più complesso Collaborazione del processore per implementazione efficace Perché? L architettura del processore opera secondo almeno 2 livelli (ring) di protezione: supervisor e user Solo il VMM opera in supervisor mode, mentre il SO guest e le applicazioni (quindi la VM) operano in user mode Problema del ring deprivileging: il SO guest opera in uno stato che non gli è proprio! non può eseguire istruzioni privilegiate Problema del ring compression: poiché applicazioni e SO guest eseguono allo stesso livello, occorre proteggere lo spazio del SO Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 24 Virtualizzazione completa (2) Come risolvere il ring deprivileging Trap-and-emulate: se il SO guest tenta di eseguire un istruzione privilegiata (ad es. lidt in x86), il processore notifica un eccezione (trap) al VMM e gli trasferisce il controllo; il VMM controlla la correttezza dell operazione richiesta e ne emula il comportamento Le istruzioni non privilegiate eseguite dal SO guest sono invece eseguite direttamente Architettura x86 senza virtualizzazione Architettura x86 con virtualizzazione completa e supporto hw per la virtualizzazione Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 25

14 Hardware-assisted CPU virtualization Hardware-assisted CPU virtualization (Intel VT-x and AMD-V) provides two new forms of CPU operating modes called root mode and guest mode, each supporting all four x86 protection rings VMM runs in root mode, while all guest OSes run in guest mode in their original privilege levels: this eliminates ring aliasing and ring compression problems VMM can control guest execution though control bits of hardwaredefined structures Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 26 Virtualizzazione completa (3) Ma se l hw non fornisce il supporto per la virtualizzazione del processore? Ad es. IA-32: come realizzare la virtualizzazione completa in mancanza del supporto hw? Tramite fast binary translation: il VMM scansiona il codice prima della sua esecuzione per sostituire blocchi contenenti istruzioni privilegiate con blocchi equivalenti dal punto di vista funzionale e contenenti istruzioni per la notifica di eccezioni al VMM! maggiore complessità del VMM e minori prestazioni Architettura x86 con virtualizzazione completa e binary translation Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 27

15 Paravirtualization Non-transparent virtualization solution: needs to modify the guest OS kernel Nonvirtualizable OS instructions are replaced by hypercalls that communicate directly with the hypervisor X86 architecture with paravirtualization Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 28 Pros (vs full virtualization): Overhead reduction Paravirtualization (2) Relatively easier and more practical implementation: the VMM simply transfers the execution of performance-critical operations (hard to virtualize) to the host Cons: Requires the source code of OSes to be available OSes that cannot be ported (e.g., Windows) can still take advantage of virtualization by using ad hoc device drivers that remap the execution of critical instructions to the virtual API exposed by the VMM Cost of maintaining paravirtualized OSes Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 29

16 Paravirtualization: hypercall execution The hypervisor (not the kernel) has interrupt handlers installed When an application VM issues a guest OS system call, execution jumps to the hypervisor to handle, which then passes control back to the guest OS Courtesy of The Definitive Guide to XEN hypervisor by D. Chisnall Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 30 Memory virtualization In a non-virtualized environment One-level mapping: from virtual memory to physical memory provided by page tables MMU and TLB hardware components to optimize virtual memory performance In a virtualized environment Two-level mapping: from virtual memory to physical memory and from physical memory to machine memory Terminology Host physical memory: memory visible to VMM Guest physical memory: memory visible to guest OS Guest virtual memory: memory visible to applications; continuous virtual address space presented by guest OS to applications Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 31

17 Two-level memory mapping Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 32 Shadow page table To avoid an unbearable performance drop due to the extra memory mapping, VMM maintains shadow page tables (SPTs) Direct virtual-to-physical address mapping VMM uses hardware TLB for address translation: the TLB caches guest virtual memory to host s physical memory address translations that are read from SPTs Maps guest virtual address to host physical address Guest OS maintains its own virtual memory page table in the guest physical memory frames For each guest physical memory frame, VMM should map it to host physical memory frame SPT maintains the mapping from guest virtual address to host physical address Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 33

18 Challenges in memory virtualization Address translation Guest OS expects contiguous, zero-based physical memory: VMM must preserve this illusion Page table shadowing VMM intercepts paging operations and constructs copy of page tables Overheads VM exits add to execution time SPTs consume significant host memory SPTs need to be kept synchronized with guest page tables Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 34 Hw support for memory virtualization SPT is a software solution Second Level Address Translation (SLAT) is the hardware-assisted solution for memory virtualization (Intel EPT and AMD RVI) to translate the virtual address into the machine s physical addresses Using SLAT significant performance gain with respect to SPT: around 50% for MMUintensive benchmarks Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 35

19 Virtualizzazione a livello di SO Finora considerata virtualizzazione a livello di sistema La virtualizzazione a livello di SO permette l esecuzione all interno di un singolo SO di molteplici ambienti di esecuzione tra di loro isolati Detti container, virtual execution environment (VE), virtual private system (VPS),! Evoluzione del meccanismo chroot dei sistemi Unix-like Ogni container ha un proprio insieme di processi, file system, utenti, interfacce di rete con indirizzi IP, tabelle di routing, regole del firewall,! I VE condividono il kernel dello stesso SO Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 36 Virtualizzazione a livello di SO (2) Layer di virtualizzazione in OpenVZ Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 37

20 Virtualizzazione a livello di SO (3) Vantaggi Degrado di prestazioni pressoché nullo Le applicazioni invocano direttamente le chiamate di sistema, non c è bisogno di emulare Tempi minimi di startup/shutdown Densità elevata Centinaia di istanze su una singola macchina fisica Ad es. con Solaris Containers fino a 8191 Svantaggio: minore flessibilità Non si possono eseguire allo stesso tempo kernel di differenti SO Esempi: FreeBSD Jail, Solaris Zones/Containers, LXC (per Linux), OpenVZ (per Linux), Parallels Virtuozzo, IBM LPAR Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 38 Esempi di uso di virtualizzazione Validi per virtualizzazione sia a livello hw sia a livello di SO In ambito personale e didattico Per eseguire diversi SO simultaneamente e semplificare l installazione di sw In ambito professionale Per testing e sviluppo di applicazioni In ambito aziendale Per consolidare l infrastruttura del data center Per garantire business continuity: incapsulando interi sistemi in singoli file (system image) che possono essere replicati, migrati o reinstallati su qualsiasi server Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 39

21 Case study: Xen Xen è l esempio più noto di paravirtualizzazione (sviluppato presso l università di Cambridge) Il VMM offre al SO guest un interfaccia virtuale (hypercall API) alla quale il SO guest deve riferirsi per aver accesso alle risorse fisiche della macchina Occorre rendere compatibile con Xen il kernel ed i driver del SO guest Xen supporta anche la virtualizzazione completa assistita dall hw (HVM, hardware virtual machine) che permette di usare Xen con OS guest non modificati Usato come VMM da molti provider di Cloud pubbliche Ad es. Amazon EC2, Rackspace Cloud Server Vantaggi Overhead minimo: in grado di fornire prestazioni molto simili a quelle dell esecuzione non virtualizzata Supporto per la migrazione live di macchine virtuali Potenza e flessibilità nella gestione; open source Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 40 Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 Case study: Xen (2) Goal of the Cambridge group: to design a VMM capable of scaling to about 100 VMs running applications and services without any modifications to the ABI Linux, NetBSD, FreeBSD can operate as paravirtualized Xen guest OS running on x86, x86-64, Itanium, and ARM architectures Xen domain: represents VM instance; ensemble of address spaces hosting a guest OS and applications running under the guest OS; runs on a virtual CPU Dom0: a special domain devoted to execution of Xen control functions and privileged instructions; contains the drivers for all the devices in the system DomU: a user domain Applications make system calls using hypercalls processed by Xen; privileged instructions issued by a guest OS are paravirtualized and must be validated by Xen 41

22 Dom0 Management OS Xen for the x86 architecture DomU Application Application Application Xen-aware device drivers Guest OS Xen-aware device drivers Guest OS Xen-aware device drivers Guest OS Xen-aware device drivers Xen Domain0 control interface Virtual x86 CPU Virtual physical memory Virtual network Virtual block devices X86 hardware Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 42 Xen architecture and guest OS management Xen hypervisor runs in the most privileged mode and controls the access of guest OS to underlying hw Domains are run in ring 1 Applications in ring 3 Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 43

23 Dom0 components XenStore: a Dom0 process that provides an information storage space shared between domains Supports a system-wide registry and naming service Implemented as a hierarchical key-value storage A watch function informs listeners of changes of the key in storage they have subscribed to Communicates with guest VMs via shared memory using Dom0 privileges Toolstack: responsible for creating, destroying, and managing the resources and privileges of VMs To create a new VM, a user provides a configuration file describing memory and CPU allocations and device configurations Toolstack parses this file and writes this information in XenStore Takes advantage of Dom0 privileges to map guest memory, to load a kernel and virtual BIOS and to set up initial communication channels with XenStore and with the virtual console when a new VM is created Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 44 CPU schedulers in Xen XEN allows to choose among different CPU scheduling algorithms to schedule domains (virtual CPUs or VCPUs) to run on physical CPUs A further scheduling level with respect to those provided by OSes (scheduling of processes and scheduling of user-level threads within processes) Algorithm goals: To make sure that domains get fair share of CPU To keep the CPU busy Work-conserving algorithm: does not allow the CPU to be idle when there is work to be done To schedule with low latency We ll examine three algorithms: BTV, SEDF, Credit scheduler Credit scheduler: current default and recommended choice Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 45

24 CPU schedulers in Xen (2) Borrowed Virtual Time (BTV) Fair-share scheduler based on the concept of virtual time, dispatching the domain with the smallest virtual time first Simple Earliest Deadline First (SEDF) The scheduler selects the VCPU with the closest deadline (i.e., the lastest time the VCPU can be run to meet its deadline) Each domain Dom i specifies its CPU requirements with a tuple (s i, p i, x i ), where slice s i and period p i represent the CPU share that Dom i requests and are used to calculate the deadline Example: s i =10 ms and p i =100 ms; this VCPU can be scheduled as late as 90 ms into the 100 ms period and still meet its deadline Dom i will receive at least s i units of time in each period of length p i ; x i is a boolean flag indicating whether Dom i is eligible to receive extra CPU time other than its slice if the CPU is idle Cons: SEDF does not support global load balancing among multiple CPUs because maintains per-cpu queues and schedules the queues on individual CPUs Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 46 CPU schedulers in Xen (3) Credit scheduler Proportional fair share and work-conserving scheduler Each domain is assigned a weight and an optional cap Weight: relative CPU allocation of a domain (default 256, range ) Cap: upper limit on the amount of CPU time a domain can use. If cap is 0, then VCPU can receive any extra CPU; non-zero cap limits the amount of CPU a VCPU receives The scheduler transforms the weight into a credit allocation for each VCPU; as a VCPU runs, it consumes credits For each CPU, the scheduler maintains a queue of VCPUs, with all the under-credit VCPUs first, followed by the over-credit VCPUs; the scheduler picks the first VCPU in the queue Automatically load balances VCPUs across physical CPUs on SMP host Before a CPU goes idle, it will consider other CPUs in order to find any runnable VCPU; this approach guarantees that no CPU idles when there is runnable work in the system Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 47

25 Performance comparison of hypervisors Developments in virtualization techniques and CPU architectures have reduced the performance cost of virtualization but overheads still exist Especially when multiple VMs compete for hw resources We consider some recent performance comparison studies See the course site for full references Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 48 Performance comparison of hypervisors (2) A component-based performance comparison of four hypervisors (IM 2013) Microsoft Hyper-V, KVM, VMware vsphere and Xen, all with hardware-assisted virtualization settings Analyzed components: CPU, memory, disk I/O and network I/O Overall results When considering hardware-assisted virtualization, performance can vary between 3% and 140% depending on the type of hw resource, but no single hypervisor always outperforms the others vsphere performs the best, but the other 3 perform respectably CPU and memory: lowest levels of overhead I/O and network: Xen overhead for small disk operations Consider the type of applications: different hypervisors may be best suited for different workloads Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 49

26 Performance comparison of hypervisors (3) Analysis of virtualization technologies for high performance computing environments (CLOUD 2011) KVM, VMware ESX, Xen and VirtualBox Overall results KVM is overall the best choice for use within HPC Cloud environments Xen provides some benefit in supporting medium-scale deployment (best expandability in terms of CPU and memory) Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 50 Case study: PlanetLab PlanetLab: un sistema distribuito collaborativo caratterizzato da virtualizzazione distribuita Ampio insieme di macchine sparse su Internet Più di 1000 nodi in oltre 500 siti Usato come testbed per sperimentare sistemi ed applicazioni distribuite su scala planetaria in un ambiente reale Alcuni esempi di sistemi ed applicazioni testati su PlanetLab Distributed Hash Table: Chord, Tapestry, Pastry, Bamboo,! Content Distribution Network: CoDeeN, CoBlitz (now Akamai Aura) Virtualizzazione ed isolamento (Denali,!) Multicast di livello applicativo (Scribe,!) Misure di rete (Scriptroute, I3,!) M-Lab: piattaforma per lo sviluppo di strumenti di misura in Internet, è un evoluzione di PlanetLab Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 51

27 Nodi in PlanetLab Organizzazione di base di un nodo PlanetLab Ogni nodo ospita una o più macchine virtuali VMM, parte di un SO Linux esteso Virtualizzazione a livello di sistema operativo vserver (da settembre 2012 migrazione a LXC): ambiente separato in cui può essere eseguito un gruppo di processi Completa indipendenza, concorrenza ed isolamento tra processi in vserver diversi Riferimento: L. Peterson, T. Roscoe, The design principles of PlanetLab, Operating Systems Review, 40(1):11-16, Jan Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 52 Virtualizzazione distribuita in PlanetLab Un applicazione in PlanetLab viene eseguita in una slice della piattaforma Slice: insieme di vserver (in esecuzione su nodi diversi), su ciascuno dei quali l applicazione riceve una frazione delle risorse del nodo sotto forma di VM; assimilabile ad un cluster virtuale Virtualizzazione distribuita: insieme distribuito di VM che sono trattate dal sistema come un entità singola Programmi appartenenti a slice diverse, ma in esecuzione sullo stesso nodo, non interferiscono gli uni con gli altri Molteplici esperimenti possono essere eseguiti simultaneamente su PlanetLab Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 53

28 What s next We examine two interesting techniques, which are also useful to deploy and manage virtual clusters Live migration of VMs Dynamic resizing of VMs Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 54 Migrazione di codice In sistemi omogenei In sistemi eterogenei Migrazione Migrazione di macchine virtuali Particolarmente utile in cluster virtuali per attuare: consolidamento dell infrastruttura, flessibilità nel failover, bilanciamento del carico, politiche energyefficient (green computing),! Ma l overhead di migrazione di VM non è trascurabile Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 55

29 Migrazione del codice Nei SD la comunicazione può non essere limitata al passaggio dei dati, ma riguardare anche il passaggio di programmi, anche durante la loro esecuzione Motivazioni per la migrazione del codice Bilanciare o condividere il carico di lavoro Risparmiare risorse di rete e ridurre il tempo di risposta processando i dati vicino a dove risiedono Sfruttare il parallelismo Configurare dinamicamente il SD Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 56 Modelli per la migrazione del codice Processo composto da tre segmenti Segmento del codice Le istruzioni del programma in esecuzione Segmento delle risorse I riferimenti alle risorse esterne di cui il processo ha bisogno Segmento dell esecuzione Lo stato del processo (stack, PC, dati privati) Alcune alternative per la migrazione Mobilità leggera o mobilità forte Leggera: trasferito solo il segmento del codice Forte: trasferito anche il segmento dell esecuzione Migrazione iniziata dal mittente o avviata dal destinatario Nuovo processo per eseguire il codice migrato o clonazione Esempio: migrazione di processi in MOSIX Argomento approfondito nel corso di Mobile Systems and Applications Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 57

30 Migrazione del codice nei sistemi eterogenei In ambienti eterogenei, la macchina di destinazione può non essere in grado di eseguire il codice La definizione del contesto di processo, thread e processore è fortemente dipendente dall hw, dal SO e dal sistema runtime Quale soluzione per migrare in ambienti eterogenei? Migrare la macchina virtuale Macchina virtuale di processo (ad es. JVM) Monitor di macchina virtuale Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 58 Migrazione live di macchine virtuali Migrazione di istanze di macchine virtuali tra macchine fisiche Live migration: la VM è in funzione durante la migrazione Spegnere la VM e trasferirne l immagine richiede tempo: l immagine della VM può essere grande ed il trasferimento su rete geografica con banda limitata Prima di avviare la migrazione live Fase di setup: si identifica l host di destinazione (ad es. tramite strategie di load balancing, energy efficiency, server consolidation) Occorre migrare memoria, storage e connessioni di rete in modo trasparente alle applicazioni in esecuzione Valeria Cardellini - SDCC 2013/14 59

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