Tecnologie per la Virtualizzazione. Ernesto Damiani, Claudio A. Ardagna Lezione 3

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1 Tecnologie per la Virtualizzazione Ernesto Damiani, Claudio A. Ardagna Lezione 3 1

2 Agenda Cpu Virtuali, Gestione della RAM Introduzione al VMFS La virtualizzazione dei Desktop La virtualizzazione dei Server 2

3 Approcci alla virtualizzazione (richiamo prima lezione) SO hosted environment La virtualizzazione è sul SO host Installato come applicativo del SO host Combina la possibilità di virtualizzare ambienti eterogenei con quella di impiegare le funzionalità native del SO ospite per le applicazioni sviluppate su tale SO Rappresenta il primo approccio alla virtualizzazione 3

4 Approcci alla virtualizzazione (richiamo prima lezione) Bare metal (la virtualizzazione è tra HW e SO) Direttamente installato tra l HW e il SO Permette la definizione di ambienti virtuali indipendenti da utilizzare come macchine reali distinte che comunicano con l HW tramite il layer virtualizzato Permette livelli di virtualizzazione estrema 4

5 Architetture 1. Traditional 2. Hosted virtualization 3. Bare-metal virtualization

6 Partizionamento delle CPU Operazioni di partizionamento della CPU possono essere effettuate, a seconda delle caratteristiche e funzionalità del prodotto, sfruttando le possibilità fornite dall'hardware o intervenendo sul firmware della macchina Virtualizzare una CPU permette di avere più CPU virtuali mappate su una stessa CPU fisica Si fa quando occorre creare un time sharing della capacità elaborativa del processore fra più sistemi operativi I SO sono gli utenti ai quali viene presentata un'immagine del processore reale 6

7 Partizionamento delle CPU La CPU virtuale non deve necessariamente possedere le stesse caratteristiche di quella fisica Ad esempio, si può implementare una CPU virtuale Intel su un CPU fisica RISC, con un'operazione di emulazione I SO sono in grado di operare, come se avessero, ognuno, accesso esclusivo alle risorse hardware fisiche (compresa la CPU) 7

8 Virtualizzazione CPU CPU x86 forniscono livelli di protezione conosciuti come ring in cui il codice può essere eseguito Ring 0 ha il privilegio più alto ed è dove il kernel viene di solito eseguito Codice eseguito nel Ring 0 esegue system space, kernel mode o supervisor mode Tutto il resto come le applicazioni eseguite nel sistema operativo sono eseguiti in ring con meno privilegi (tipicamente il Ring 3)

9 Sistemi tradizionali SO eseguono in privileged mode nel Ring 0 e gestiscono l hardware Le applicazioni eseguono nel Ring 3 con meno privilegi Sistemi virtualizzati VMM esegue in privileged mode nel Ring 0 SO Guest nella VM pensano di eseguire nel Ring 0, istruzioni privilegiate sono catturate ed emulate dalla VMM (Full virtualization) CPU di ultima generazione (AMD-V/Intel-VT) usano un nuovo livello di privilegio (Ring -1) per la VMM (hardware-assisted virtualization) Permettono miglior performance siccome la VMM non deve mentire dicendo al SO Guest che sta eseguendo nel Ring 0 Virtualizzazione CPU

10 Virtualizzazione CPU Problema: Ring deprivileging Il SO della macchina virtuale esegue in uno stato che non gli è proprio (esecuzione di system call) Le istruzioni privilegiate richieste dal sistema operativo nell ambiente guest non possono essere eseguite (richiederebbero lo stato supervisore) Soluzione (trap and emulate) Se il guest tenta di eseguire un istruzione privilegiata, la CPU notifica un eccezione al VMM e gli trasferisce il controllo (trap) Il VMM controlla la correttezza della operazione richiesta e ne emula il comportamento Le istruzioni non privilegiate possono essere eseguite dalle VM direttamente dall hardware senza alcun intervento da parte del VMM (esecuzione diretta) 10

11 Approccio trap and emulate Virtualizzazione CPU 11

12 Virtualizzazione CPU Esempio: tentativo di esecuzione dell istruzione privilegiata che disabilita le interruzioni da parte del SO guest Il VMM riceve la notifica di tale richiesta e ne emula il comportamento atteso sospendendo la consegna degli interrupt solamente per la macchina virtuale (emulazione) Se la richiesta della macchina virtuale fosse eseguita direttamente sul processore sarebbero disabilitati gli interrupt per tutti i sistemi e il VMM non potrebbe riguadagnare il controllo della CPU Un architettura CPU si dice naturalmente virtualizzabile se prevede l invio di notifica allo stato supervisore per ogni istruzione privilegiata eseguita da un livello di protezione diverso dal supervisore 12

13 Virtualizzazione CPU Se l'architettura della CPU è naturalmente virtualizzabile Realizzazione del VMM semplificata: per ogni trap generato dal tentativo di esecuzione di istruzione privilegiata dal guest viene eseguita una routine di emulazione Supporto nativo all'esecuzione diretta Non tutte le architetture sono naturalmente virtualizzabili (e.g., x86) Alcune istruzioni privilegiate (o meglio sensibili) di questa architettura eseguite in modo utente non provocano trap, ma vengono ignorate non consentendo quindi l intervento trasparente del VMM, o in alcuni casi provocano il crash del sistema Ring Aliasing: alcune istruzioni non privilegiate, eseguite in stato utente, permettono di accedere in lettura alcuni registri del sistema la cui gestione dovrebbe essere riservata al VMM -> possibili inconsistenze! 13

14 Virtualizzazione CPU Soluzioni Virtualizzazione pura: fast binary translation Paravirtualizzazione 14

15 Virtualizzazione CPU Fast binary translation Il VMM analizza dinamicamente il codice prima della sua esecuzione per sostituire a run time blocchi contenenti istruzioni problematiche in blocchi equivalenti dal punto di vista funzionale e contenenti istruzioni per la notifica di eccezioni al VMM I blocchi tradotti sono eseguiti direttamente sull hw e conservati in una cache apposita per riusi futuri Pro: ogni macchina virtuale è una esatta replica della macchina fisica -> possibilità di installare gli stessi SO di architetture non virtualizzate Contro: la traduzione dinamica è costosa 15

16 Virtualizzazione CPU Paravirtualizzazione Il VMM (hypervisor) offre al SO guest un interfaccia virtuale (hypercall API) alla quale si riferisce per aver accesso alle risorse I kernel dei SO guest devono essere modificati per aver accesso all'interfaccia della VMM Struttura della VMM semplificata: non deve preoccuparsi di tradurre dinamicamente le richieste di operazioni privilegiate dei SO guest Per ottenere un servizio che richiede l esecuzione di istruzioni privilegiate (es. accesso a dispositivi) non vengono generate interruzioni al VMM, ma viene invocata la hypercall corrispondente Pro: prestazioni migliori rispetto a fast binary translation Contro: necessità di porting dei SO guest (le applicazioni rimangono invariate) Soluzione preclusa a molti sistemi operativi commerciali non open source 16

17 Virtualizzazione CPU Architetture virtualizzabili Processori con supporto nativo alla virtualizzazione (Intel VT, AMD-V) VMM semplificati basati su virtualizzazione pura Pro: Il SO guest esegue in un ring separato da quello delle applicazioni Sostituisce l emulazione con l accesso controllato tramite hardware Efficienza: non c è bisogno di binary translation Trasparenza: l API presentata dall hypervisor è la stessa offerta dal processore 17

18 Virtualizzazione della memoria Memoria virtuale in una VM Ogni SO guest mantiene il suo insieme di page table SO Guest trasforma le locazioni di memoria virtuale verso locazione di memoria reali ( memoria fisica della VM) SO Guest mantiene uno spazio di swap sul disco virtuale VMM Trasforma la memoria reale verso quella fisica usando la memory management unit (MMU) VMM ha spazio di swap sul disco fisico 18

19 Virtualizzazione della memoria Applicazioni vedono uno spazio di indirizzamento virtuale SO definisce il mapping tra VA e PA Granularity a 4kb: una pagina Mapping memorizzati in page table 19

20 Virtualizzazione della memoria Per eseguire macchine virtuali su un singolo sistema nasce la necessità di un nuovo livello di virtualizzazione SO guest controlla il mapping tra VA e PA SO guest non ha accesso diretto alla memoria della macchina (isolamento) VMM mappa la memoria reale del guest nella memoria fisica dell host (tra PA e MA) 20

21 Virtualizzazione della memoria Problema Aggiornamento della page table della VM deve essere gestito dall hypervisor in software: shadow page table Page table della VM può essere costoso Soluzione Nested page table (NPT) forniscono supporto hardware per tradurre le page table virtuali della VM a page table fisiche L hypervisor configura l hardware così da intercettare tutte le volte che una VM scrive la page table virtuale Quando l hardware intercetta un write verso le page table della VM, l hypervisor determina le pagine fisiche che mapperanno le pagine virtuali della VM NPT fornisce grandi performance per carichi di lavoro che fanno tanto paging, come ad esempio nel caso di creazione e distruzione di molti processi 21

22 Virtualizzazione della memoria Supporto hardware per la virtualizzazione della memoria AMD: nested page tables (NPT) Intel: extended page tables (EPT) NPT ed EPT sono identiche 22

23 Il SO guest ha l illusione di gestire la memoria Page table sono mantenute dall hypervisor (VMM) in software Richiede intervento software tramite l hypervisor Ogni modifica genera un page fault gestito dall hypervisor (write-protect) L hypervisor emula le operazioni necessarie VMM mantiene una shadow copy delle page table del guest per tradurre tra guest virtual e host physical Hardware vede solo le shadow copy Virtualizzazione della memoria 23

24 Virtualizzazione della memoria Ogni guest ha la sua parte fisica da gestire Richiede meno intervento Nessun bisogno per l hypervisor di intercettare ed emulare Memory lookup fatto in hardware Più veloce rispetto alla gestione via software 24

25 Virtualizzazione della memoria VMware Motivazione VM multiple eseguono usando lo stesso SO, applicazioni, librerie Moltissime copie ridondanti di codice, dati Page sharing trasparente Fa scan della memoria periodicamente Mappa pagine duplicate alla stessa pagina (de-duplication) Pagine write-protect per safety, copy-on-write per correttezza 25

26 VMware Inflating a balloon Il server host richiede memoria Il server incrementa la memory pressure nel SO guest attraverso un driver (balloon driver) Il SO guest reclama spazio per soddisfare la richiesta di allocazione del driver Driver comunica il numero della pagina fisica per ogni pagina allocata alla VMM Deflating Libera la memoria per il suo utilizzo nel SO guest Virtualizzazione della memoria 26

27 VMFS VMware file system High-performance cluster file system Facilita la virtualizzazione dello storage Nuove VM possono essere create senza problemi per l amministratore Dimensioni di un volume possono essere modificate senza problemi Dimensione file e blocchi possono essere modificate senza problemi Installazioni multiple di ESX server possono accedere allo stesso storage fisico senza interferire (per-file locking) Aggiunta rimozione dinamica di ESX server 27

28 VMFS VMware file system Ogni macchina virtuale incapsulata in un piccolo insieme di file VMFS è l interfaccia di gestione dello storage per questi file su dischi e partizioni fisiche SCSI Tutto centralizzato e multiple istanze di VMware ESX Server possono accedere lo storage in maniera concorrente 28

29 VMFS Ognuno dei tre ESX Server ha due macchine virtuali Le linee che connettono le VM a virtual machine disks (VMDKs) sono rappresentazioni logiche dell associazione tra e allocazione di volumi del VMFS (logical unit number (LUN)) Ogni VM identifica il VMDK come un SCSI locale 29

30 VMFS Ogni ESX Server memorizza i file della sua VM in una specifica subdirectory sul VMFS file system Quando una VM sta eseguendo, VMFS ha il lock su quei file così che altri server non possono fare operazioni di update Ogni server vede tutta la LUN LUN è un volume clusterizzato e VMFS fornisce una gestione a lock condiviso ESX server condividono lo storage a cluster 30

31 Virtual desktop Area con interesse sempre crescente Enterprise desktop con sicurezza e gestione centralizzata Incapsulano SO e forniscono virtual hardware Server ospitano macchine virtuali desktop Vmware gestisce anche 1000 e più macchine virtuali Desktop virtuale usato nel DTI come ambiente di test per insegnamenti di reti e sicurezza (es. ogni studente ha la sua rete virtuale amministrata da remoto) Macchine disponibili anche per studenti in Benin Desktop virtuale usato anche per laboratorio studenti (es. ogni studente scarica il suo profilo in locale) 31

32 Virtual desktop Rendere disponibile un ambiente desktop completo che funziona su un datacenter server Utenti si collegano in remoto all ambiente desktop da qualsiasi PC o thin-client device attraverso un protocollo di visualizzazione remoto (e.g. RDP per Microsoft) Utile per lavoratori remoti e temporanei, per test e per sviluppo La macchina virtuale esegue una istanza non modificata del SO fornendo compatibilità con tutte le risorse Potenzialmente tutti possono lavorare da casa VI3 di VMware fornisce load balance, high availability, scalabilità e performance 32

33 Virtual desktop Benefici Gestione, sicurezza centralizzate Business Continuity Isolation e modello di gestione di PC standard Elimina il bisogno di comprare hardware Riduce il tempo di aggiunta di una nuova immagine <10 min Amministrazione centralizzata di tutti i desktop potenzialmente sparsi in tutto il mondo (VirtualCenter) 33

34 Virtual desktop Singolo desktop remoto Desktop condivisi Macchine desktop virtuali Blade desktop fisici 34

35 Virtual desktop Singolo desktop remoto Gestione remota dei PC (e.g., pcanywhere, WebEx, VNC e Windows Remote Desktop Protocol) Molto diffusi per visualizzare il desktop di un server a cui non si ha accesso fisico 35

36 Virtual desktop Desktop condivisi Si basa su un server che ospita gli utenti desktop e le applicazioni Il client può essere un normale PC, un notebook o un thin client La condivisione dei desktop è molto diffusa perché tutta la potenza di computing risiede sul server e solo il monitor, la tastiera il mouse sono in rete Tale sistema consente un controllo centralizzato del desktop e delle sue applicazioni, semplifica il licensing e rende più facile la risoluzione dei problemi perché le applicazioni dell'utente sono sul server e non sparse su vari siti Non è raro trovare farm di terminal server in cui molti server ospitano centinaia o addirittura migliaia di desktop degli utenti 36

37 Virtual desktop PC blade desktop fisici Gli utenti hanno a disposizione un proprio PC, ma l'hardware fisico è un "PC blade" all interno di in un vano blade nel datacenter Principali vantaggi/svantaggi Ogni utente dispone di un proprio PC, anziché condividere le risorse con altri utenti su un server I terminal server che ospitano i desktop condivisi possono essere influenzati da eventuali problemi del server I blade richiedono più manutenzione perché si potrebbero avere 100 PC blade anziché un singolo server 37

38 Virtual desktop Desktop di una macchina virtuale E il contrario del desktop condiviso Un unico client - PC o computer portatile può ospitare desktop multipli I desktop multipli possono utilizzare diversi sistemi operativi 38

39 Virtual Desktop Infrastructure Esegue SO desktop in Server Room Server Virtualization o Blade Servers Broker connette gli utenti al Virtual Desktop Gestione centralizzata Immagine dedicata a utenti o pool di immagini standard

40 Richiede connessione di rete continua SO e applicazioni eseguite sull hw remoto Possibilità di download locale con necessità di sincronizzazione VDI Central Hosting VDI Broker Image Store Gateway Virtual Hosts

41 Gestione delle immagini centralizzate Desktop eseguiti localmente sui PC degli utenti VDI Local Hosting VDI Broker Image Store Gateway

42 Virtualizzazione del server Incapsula SO e presenta virtual hardware Esegue diversi SO su una singola piattaforma hardware Consolida server sottoutilizzati 42

43 Riduce total cost of ownership (TCO) Utilizzo dei sistemi cresce (attualmente server hanno meno del 10% di utilizzo) Riduce hardware (25% del TCO) Spazio, elettricità, raffreddamento (50% costi operativi di un datacenter) Accresce l utilizzo dei server Semplifica la gestione Dynamic provisioning Workload management/isolation Migrazione macchine virtuali Riconfigurazione Maggior sicurezza Migliora gli investimenti IT Virtualizzazione del server 43

44 Virtualizzazione del server Crea instanze multiple di server logici su un solo pezzo di hardware fisico Tutti i driver sono virtualizzati, stesso hardware virtuale indipendentemente dall hardware fisico Ogni macchina virtuale è completamente indipendente dalle altre e non si accorge di essere virtualizzata 44

45 Virtualizzazione del server Utilizzo hardware efficiente Staff efficiente Matching tra bisogni e risorse nel lungo termine Rapida fornitura dei server Miglior ridondanza Mantenimento dell hardware senza nessuna indisponibilità delle applicazioni Semplifica le immagini del sistema Disaster Recovery 45

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