Università degli Studi di Roma Tor Vergata Facoltà di Ingegneria
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1 Università degli Studi di Roma Tor Vergata Facoltà di Ingegneria M. Boari, M. Balboni, Tecniche di virtualizzazione: teoria e pratica, Mondo Digitale, Marzo J. Daniels, Server virtualization architecture and implementation, Crossroads, September M. Rosenblum, T. Garfinkel, Virtual machine monitors: current technology and future trends, IEEE Computer, May J.E. Smith, R. Nair, The architecture of virtual machines, IEEE Computer, May Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 1
2 Virtualizzazione: un livello alto di astrazione che nasconde i dettagli dell implementazione sottostante Virtualizzazione: astrazione di risorse computazionali Si presenta all utilizzatore una visione diversa da quella reale Le tecnologie di virtualizzazione comprendono una varietà di meccanismi e tecniche usate per risolvere problemi di: Sicurezza, affidabilità e prestazioni (isolamento della QoS), Come? Disaccoppiando l architettura ed il comportamento delle risorse percepiti dall utente dalla loro realizzazione fisica Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 2 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 dell infrastruttura Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 3
3 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 completamente 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 - SD A.A. 2011/12 4 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 - SD A.A. 2011/12 5
4 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 oggigiorno una delle tecnologie abilitanti del Cloud computing Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 6 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 - SD A.A. 2011/12 7
5 Permette il consolidamento dei server in un data center, con vantaggi economici ed ambientali Uso più efficiente delle risorse dei server nell ottica di ridurre il numero totale di server necessari ad una azienda e di utilizzarli in modo più efficiente Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 8 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 Partizionamento delle risorse di sistema Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 9
6 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 - SD A.A. 2011/12 10 In base alle interfacce di astrazione distinguiamo: Macchina virtuale di processo: virtualizzazione a livello di processo Monitor della macchina virtuale (VMM, Virtual Machine Monitor) o anche hypervisor: virtualizzazione a livello di sistema Virtualizzazione a livello di sistema operativo Considerando il VMM, distinguiamo: VMM di sistema VMM ospitato Virtualizzazione completa Paravirtualizzazione Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 11
7 Virtualizzazione solo per un singolo processo La VM di processo è una 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: Java VM, Wine,.NET CLR Istanze multiple di combinazioni <applicazione, sistema runtime> Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 12 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 Istanze multiple di combinazioni <applicazioni, sistema operativo> Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 13
8 Host: piattaforma di base sulla quale si realizzano le VM; comprende: Macchina fisica Eventuale sistema operativo nativo VMM Guest: tutto ciò che riguarda ogni VM Sistema operativo ed applicazioni Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 14 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 di sistema VMM ospitato Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 15
9 VMM di sistema: eseguito direttamente sull hw, offre funzionalità di virtualizzazione integrate in un SO semplificato E necessario corredare il VMM dei driver necessari per gestire le periferiche Esempi: VMware ESX, Xen VMM ospitato: eseguito sul SO host, accede alle risorse hw tramite le chiamate di sistema del SO host Installazione più semplice Può usare il SO sottostante per gestire le periferiche e può utilizzare altri servizi offerti dal SO sottostante (es. scheduling, gestione delle risorse) Degrado delle prestazioni rispetto a VMM di sistema Esempi: VMware Server, VirtualBox, Virtual PC, Parallels Desktop Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 16 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 ogni richiesta di accesso privilegiato all hw e ne emula il comportamento atteso Il VMM gestisce un contesto di CPU per ogni VM Il VMM condivide le CPU fisiche tra tutte le VM Il VMM comprende uno scheduler di VM Esempi: KVM, VMware ESX Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 17
10 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: PikeOS, Oracle VM, Xen Per un confronto qualitativo delle diverse soluzioni per VM Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 18 Principale vantaggio SO guest non modificato (non sa dell esistenza del VMM) Svantaggi VMM più complesso Collaborazione del processore per implementazione efficace Perché? L architettura del processore opera secondo almeno 2 livelli (ring) di protezione: supervisore e utente Solo il VMM opera nello stato supervisore, mentre il SO guest e le applicazioni (quindi la VM) operano nello stato utente 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 - SD A.A. 2011/12 19
11 Come risolvere il ring deprivileging Trap-and-emulate: se il SO guest tenta di eseguire un istruzione privilegiata, 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 Si ha invece un esecuzione diretta delle istruzioni non privilegiate eseguite dall ambiente guest Ma il meccanismo di notifica al VMM per ogni istruzione privilegiata è offerto solo dai processori con supporto nativo alla virtualizzazione (Intel VT, AMD-V) IA-32 non lo è! Come realizzare la virtualizzazione completa in mancanza del supporto hw? Fast binary translation: il VMM scansiona a runtime il codice prima della sua esecuzione per sostituire blocchi contenenti istruzioni problematiche 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 Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 20 Xen è l esempio più noto di paravirtualizzazione (sviluppato all 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 Soluzione preclusa ai sistemi operativi commerciali, a meno di non avere un processore che supporti la virtualizzazione nativa (gestita a partire da Xen 3.0) Le applicazioni rimangono invece invariate Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 21
12 Vantaggi Overhead minimo: in grado di fornire prestazioni molto simili a quelle dell esecuzione non virtualizzata Supporta la migrazione live di macchine virtuali Usato come VMM da molti provider di Cloud pubbliche Ad es. Amazon EC2, Rackspace Cloud Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 22 Finora considerata virtualizzazione a livello di sistema (ISA) 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 Virtual Environment (VE), container, partition, Ciascun VE ha un proprio insieme di processi, file system, utenti, interfacce di rete con indirizzi IP, tabelle di routing, Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 23
13 Vantaggi Degrado di prestazioni pressoché nullo Normali chiamate di sistema Elevata densità Centinaia di istanze su una singola macchina fisica Svantaggio: minore flessibilità Non permette di eseguire allo stesso tempo kernel di differenti SO Esempi: FreeBSD Jail, Solaris Zones/Containers, Linux- VServer, OpenVZ (per Linux), Parallels Virtuozzo Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 24 Validi per virtualizzazione sia a livello hw sia a livello di SO In ambito personale In ambito didattico In ambito professionale Per ambienti di test e sviluppo di applicazioni In ambito aziendale Per il consolidamento dei server e dei data center Per business continuity: ridurre i costi e la complessità incapsulando interi sistemi in singoli file (system image) che possono essere replicati e reinstallati su qualsiasi server Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 25
14 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, ) Virtualizzazione ed isolamento (Denali, ) Multicast di livello applicativo (Scribe, ) Misure di rete (Scriptroute, I3, ) M-Lab: nuova piattaforma per lo sviluppo di strumenti di misura in Internet, è un evoluzione di PlanetLab Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 26 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: 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 - SD A.A. 2011/12 27
15 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 di server virtuali 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 - SD A.A. 2011/12 28 Migrazione di codice In sistemi omogenei In sistemi eterogeni Migrazione di macchine virtuali Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 29
16 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 - SD A.A. 2011/12 30 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 Esempi: migrazione di processi in MOSIX Argomento approfondito a Sistemi Informatici Mobili Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 31
17 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? Usare una macchina virtuale Macchina virtuale di processo Monitor di macchina virtuale Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 32 Migrazione di istanze di macchine virtuali tra macchine fisiche Live migration: la VM è in funzione durante la migrazione Occorre migrare memoria, storage e connessioni di rete in modo trasparente alle applicazioni in esecuzione Per migrare lo storage: Il VMM salva tutti i dati della VM sorgente in un file di immagine, che viene trasferito sulla VM di destinazione Per migrare la memoria: Fase di warm-up: il VMM copia le pagine da VM sorgente a VM di destinazione mentre la VM sorgente è in esecuzione Fase di stop-and-copy: la VM sorgente viene fermata e vengono copiate soltanto le pagine dirty Tempo di downtime: da qualche msec a qualche sec, in funzione della dimensione della memoria, delle applicazioni e della banda di rete tra le VM Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 33
18 Vantaggi rispetto alla migrazione del codice La macchina fisica originale può essere smantellata Trasferimento consistente ed efficiente dello stato inmemory Esempi: Supportata da alcune soluzioni già considerate (KVM, OpenVZ, Xen, VirtualBox, Virtuozzo) Come prodotto extra: VMware vmotion Valeria Cardellini - SD A.A. 2011/12 34
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