MACCHINE VIRTUALI. Introduzione. » Creare una astrazione di un computer per creare diversi ambienti di esecuzione. » Componenti SISTEMI OPERATIVI

Transcript

1 SISTEMI OPERATIVI MACCHINE VIRTUALI Introduzione» Creare una astrazione di un computer per creare diversi ambienti di esecuzione evoluzione del modello di sistema operativo stratificato» Componenti Host il sistema hardware Virtual machine manager (VMM) o hypervisor crea ed esegue macchine virtuali Guest processo che contiene una copia virtuale del sistema host + Di solito è un sistema operativo 2

2 Modello del sistema processes processes processes processes programming interface kernel kernel kernel kernel hardware Senza Virtualizzazione VM1 VM2 VM3 virtual machine manager hardware Macchine Virtuali 3 Definizioni» Virtualizzazione hardware sistema che crea via software un ambiente virtuale identico a un server fisico» Virtualizzazione a livello di applicazione detti anche run-time systems Consentono di eseguire un programma indipendentemente dall architettura hardware fisica JAVA.NET 4

3 Virtualizzazione hardware» Tre categorie Virtualizzazione completa + da un sistema fisico si realizzano diversi sistemi virtuali dello stesso tipo del sistema fisico ospitante Emulazione di una CPU su una CPU di tipo diverso Virtualizzazione a livello di sistema operativo 5 Virtualizzazione completa» Il primo sistema che ha introdotto il concetto di virtualizzazione è stato CP-40 dell IBM nel precursore della famiglia di sistemi di virtualizzazione dell IBM dal 1972 a oggi (z/os)» L architettura della famiglia di processori x86 (IA-32 e IA-64) fornisce supporto alla virtualizzazione anche se non secondo le specifiche formali definite da Popek and Goldberg nel 1974 Intel: VT-x AMD: AMD-V 6

4 Emulazione» Sistemi che consentono di eseguire su una certa architettura e sistema operativo delle applicazioni scritte per altre architetture e/o altri sistemi operativi esecuzione di applicazioni per sistemi legacy QEMU è uno dei sistemi più diffusi 7 Virtualizzazione a livello di sistema operativo» Chiamato anche partizionamento o contenitori di applicazioni la virtualizzazione è gestita dal kernel Vengono creati diversi ambienti virtuali di elaborazione che consentono la separazione della esecuzione delle applicazioni» Esempi Oracle Solaris IBM AIX 6.1 8

5 Paravirtualizzazione» Virtualizzazione assistita dal sistema operativo che esegue nella macchina virtuale kernel modificato sostituendo alcune chiamate di sistema con chiamate all hypervisor es. XEN 9 Paravirtualizzazione» I kernel di MS Windows e Linux contengono il supporto per la paravirtualizzazione Il Sistema Operativo e l hypervisor comunicano in modo più efficiente Riduzione del sovraccarico dovuto alla traduzione da parte dell hypervisor» Supporto alla paravirtualizzaione in Linux dal

6 11 Virtual Machines (VM)» La virtualizzazione consente di eseguire in modo concorrente sullo stesso server o PC sessioni multiple di uno stesso Sistema Operativo diversi Sistemi Operativi ospiti + su una stessa macchina fisica possono essere eseguite applicazioni specifiche per diversi sistemi operativi» Macchine virtuali gestite da Virtual Machine Manager (VMM) Hypervisor 12

7 Architettura virrtualizzazione Applications and Processes Virtual Machine 1 Applications and Processes Virtual Machine 2 Applications and Processes Virtual Machine n Virtual Machine Manager Shared Hardware 13 Vantaggi virtualizazzione: consolidamento V M Virtualization host Physical servers 6:1 consolidation ratio 14

8 Caratteristiche di una VM» Costrutto software che replica il comportamento di una macchina fisica simula la presenza di una o più CPU simula la presenza di una certa quantità di RAM simula la presenza di dispositivi I/O, dischi, connessioni di rete, ecc.» Il VMM o hypervisor associa le risorse di una VM alle risorse fisiche presenti nel sistema Una VM vede solo le risorse fisiche assegnate da VMM o hypervisor 15 Classificazione VMM» Hypervisor di Tipo 0 Soluzioni basate su funzionalità messe a disposizione dall hardware attraverso firmware specifico + Esempi: IBM LPARs e Oracle LDOMs» Hypervisor di Tipo 1 Eseguiti direttamente dall hardware come un sistema operativo + Esempi: VMware ESX, Citrix XenServer Sistemi operativi tradizionali che forniscono anche supporto per la creazione di macchine virtuali + Esempi: Microsoft Windows Server con Hyper-V, e RedHat Linux con KVM» Hypervisor di Tipo 2 Sfruttano servizi messi a disposizione da un sistema operativo ospitante Esempi: VMware Workstation e Fusion, Oracle VirtualBox 16

9 Hypervisor di Tipo 1 e di Tipo 2 17 Tipologie di Hypervisor 18

10 Caratteristiche di una VM» La VM simula un server o PC fisico può essere acceso o spento si può installare un qualunque Sistema Operativo si può installare qualunque software» Dal punto di vista del server fisico Vengono eseguite in modo concorrente diverse applicazioni MA isolate in sistemi operativi distinti 19 Componenti di una VM» Un insieme di file Configurazione + numero CPU + quantità di RAM + periferiche + interfacce di rete virtuali + accesso ai dispositivi (fisici) di memorizzazione di massa All avvio vengono creati i file per gestire + paginazione + log + ecc.» La copia dei file di una VM consente di replicare esattamente un server 20

11 Virtualizzazione della CPU» Due tecniche principali Emulazione di CPU via software + QEMU + emulatore Android» Accesso alla CPU fisica mediato dall hypervisor L hypervisor intercetta le istruzioni generate dalle VM e le accoda per l esecuzione da parte della CPU 21 CPU Virtuale» La maggior parte delle VMM rappresenta lo stato della CPU vista dal guest attraverso una CPU Virtuale (VCPU) Analogo al PCB usato dai sistemi operativi per gestire i processi» Le modalità kernel e utente del guest possono essere gestite in diversi modi da parte della VMM 22

12 Modi di esecuzione della CPU» Nelle CPU con due modi di esecuzione utente e kernel il sistema guest è eseguito in modalità utente il kernel dell hypervisor è eseguito in modalità kernel mode» Non è sicuro far eseguire il kernel del guest sulla CPU fisica in modalità kernel due modi anche per la macchina virtuale + virtual user mode e virtual kernel mode sono eseguiti in real user mode 23 Trap-and-Emulate» Cambio di modo fra virtual user mode e virtual kernel mode Il tentativo di esecuzione di una istruzione privilegiata in modalità utente causa un errore -> trap il VMM prende il controllo dell esecuzione, analizza l errore ed esegue l istruzione del guest il controllo ritorna al guest in modalità utente» Questa tecnica è nota come trap-and-emulate usata almeno in parte da molti prodotti di virtualizzazione 24

13 Trap-and-Emulate User Processes Privileged Instruction Guest Trap Operating System Return User Mode VMM Emulate Action Update VCPU Kernel Mode VMM» Il guest in modalità utente è eseguito alla stessa velocità che avrebbe su una macchina fisica» Le istruzioni in modalità kernel sono più lente» Le CPU moderne supportano più modi di esecuzione per velocizzare la virtualizzazione 25 Ring O I SO svolgono la funzione di intermediari fra le applicazioni e l hardware I SO evitano che chiamate al sistema possano compromettere l esecuzione dei processi o il sistema stesso Le CPU moderne definiscono diversi livelli di accesso al processore chiamati Ring Il livello con I privilegi maggiori è chiamato Ring 0. Il kernel di un sistema operativo accede alla CPU a questo livello Un hypervisor viene eseguito in Ring 0 e controllo l accesso alle risorse HW delle VM 26

14 Traduzione Binaria» Alcune CPU, specie nel passato, non hanno una distinzione chiara fra istruzioni privilegiate e non privilegiate Una stessa istruzione con comportamento diverso a seconda del modo di esecuzione -> istruzioni speciali» Traduzione binaria Se la VCPU del guest è in modalità utente, il guest può eseguire istruzioni in modo nativo Se la VCPU del guest è in modalità kernel + il VMM esamina le istruzioni che verranno eseguite dal guest istruzioni successive a quella cui si riferisce il program counter del guest + Eventuali istruzioni speciali sono tradotte in un nuovo insieme di istruzioni che svolgono il task equivalente 27 Traduzione binaria User Processes (VMM Reads Instructions) Special Instruction Guest Operating System Return User Mode VMM Translate Execute Translation VMM Update VCPU Kernel Mode 28

15 Gestione della memoria» I sistemi operativi eseguiti nelle VM accedono alla memoria fisica attraverso l hypervisor 29 Tabelle delle pagine annidate Guest Virtual Address Guest Kernel Paging Data Structures 1 Guest Physical Address PML4 Directory Ptr Directory Table Offset VMM Nested Page Table Data Structure PML4E PDPTE PDE PTE Phy Addr Host Physical Address

16 Tecniche di gestione delle memoria» Memory overcommitment La memoria complessiva assegnata ai SO ospiti è maggiore di quella disponibile fisicamente» Ballooning L hypervisor attiva un balloon driver all interno del sistema ospite + L hypervisor gonfia il pallone in modo da costringere il SO ospite a liberare memoria fisica + quando si liberano pagine nella memoria fisica, si attiva la fase di sgonfiamento e l hypervisor può riassegnare memoria fisica 31 Memory overcommitment 32

17 Ballooning La VM ha assegnate 4 pagine fisiche 2 delle 4 pagine assegnate alla VM non sono utilizzate L hypervisor non sa quali siano le pagine fisiche non utilizzate dalla VM Il balloon driver individua nella VM le pagine non utilizzate e comunica gli indirizzi all hypervisor Le pagine risultano sempre assegnate alla VM ma non vi può accedere 33 Considerazioni sulla tecnica di ballooning» Pressione delle richieste di memoria Quantità di memoria effettivamente utilizzata dalle applicazioni» Fase di gonfiamento la pressione di richiesta di memoria si trasferisce da hypervisor ai sistemi ospiti + le applicazioni dei sistemi ospiti avranno una quantità inferiore di memoria fisica a disposizione» L hypervisor non ha visibilità sulla pressione delle richieste di memoria all interno dei sistemi ospiti 34

18 Gestione del sistema I/O» L hypervisor fornisce ai sistemi ospiti una astrazione delle periferiche hardware Virtual machine Applications Operating system NIC driver Hypervisor Emulated device Physucal server NIC driver NIC 35 Network Vantaggi virtualizzazione I/O» Migrazione attiva delle macchine virtuali da un sistema fisico a un altro I driver virtuali sono generici» Condivisione di risorse aggregate, come le connessioni di rete» Come conseguenza l hypervisor deve gestire tutto il traffico I/O Sovraccarico mitigato dal supporto alla virtualizzazione offerto dai processori più recenti 36

19 Supporto hardware alla virtualizzazione I/O I/OAT I/O Acceleration Technology (Intel) a physical subsystem that moves memory copies via direct memory access (DMA) from the main processor to this specialized portion of the motherboard TOE TCP Offload Engine removes the TCP/IP processing from the server processor entirely to the NIC LRO Large Receive Offload aggregates incoming packets into bundles for more efficient processing LSO Large Segment Offload allows the hypervisor to aggregate multiple outgoing TCP/IP packets and has the NIC hardware segment them into separate packets 37 38

20 Gartner magic quadrant 2015 Virtualizzazione hardware 39 Gartner magic quadrant

21 vmware ESXi» Un hypervisor commerciale Type-1» vmware ha avviato lo sviluppo del sistema di virtualizzazione per architetture x86 a fine anni 90» Successo del prodotto dovuto a primo prodotto sul mercato per architetture x86 Innovazione continua 41 Architettura vmware ESX Hardware monitoring agents VMware management agents System management agents Infrastructure agents (NTP, Syslog) CLI commands for configuration and support VM VM VMkernel VM support and resource management Nelle prime versioni di ESX l hypervisor era supportato da una installazione Linux che fungeva da strato di gestione del sistema 42

22 Architettura vmware ESXi CLI commands for configuration and support Agentless systems management Agentless hardware monitoring VM VM VMware management framework VMkernel Common information model Infrastructure agents (NTP, Syslog) Local support consoles VM support and resource management 43 Caratteristiche di vmware ESXi Storage VMotion Permits the relocation of the data files that compose a virtual machine, while that virtual machine is in use Fault Tolerance Creates a lockstep copy of a virtual machine on a different host --- if the original host suffers a failure, the virtual machine s connections get shifted to the copy without interrupting users or the application they are using Site Recovery Manager Uses various replication technologies to copy selected virtual machines to a secondary site in the case of a data center disaster Storage and Network I/O Control Distributed Resource Scheduler (DRS) Allows an administrator to allocate network bandwidth in a virtual network in a very granular manner Intelligently places virtual machines on hosts for startup and can automatically balance the workloads via VMotion based on business policies and resource usage 44

23 XEN» Progetto open-source sviluppato a inizi anni 2000 dalla Cambridge University versioni commerciali offerte da Citrix e Oracle» XEN ha bisogno di un sistema operativo dedicato per eseguire l hypervisor Dom0 (dominio zero) è il dominio iniziale che esegue XEN e ha accesso alle risorse hardware» L hypervisor XEN è anche distribuito all interno di molte versioni di Linux CentOS, Debian, Fedora, Ubuntu, OracleVM, Red Hat (RHEL), SUSE, e XenServer. 45 Architettura di XEN Dom0 DomU DomU drivers Kernel0 KernelU KernelU Xen Hypervisor Hardware 46

24 Microsoft Hyper-V» Hypervisor type-1 rilasciato nel 2008 come parte di Windows Server 2008» L architettura di Hyper-V consiste in una partizione genitore che funge da amministrazione dell hypervisor + all interno di Windows 2008 partizioni figlie che contengono le macchine virtuali ospiti 47 Architettura di Hyper-V Parent partition WMI VM workers Child partition Child partition drivers VSP VSC VSC Kernel Kernel Kernel Microsoft Hyper-V VMBus Hardware 48

25 Linux VServer» Linux Vserver è un progetto open-source che consente di creare diversi server virtuali Linux all interno di un server Linux approccio veloce e con sovraccarico ridotto» Basato su una singola copia del kernel Linux cui sono apportate alcune modifiche e alcune aggiunte isolamento fra i server virtuali ottenuto attraverso strumenti standard di Linux (chroot, chcontext, chbind, capabilities)» L intera gestione del sistema è affidata al kernel 49 Architettura Linux VServer Server Applications Server Applications Hosting Platform VM Admin. Remote Admin. Core Services /dev VM host VM 1 VM n /usr /home /proc /dev /usr /home /proc Standard OS Image /dev /usr /home /proc Virtual Platform 50

26 51 Java VM» Obiettivi di una Java Virtual Machine (JVM) fornire un ambiente di esecuzione per programmi scritti in linguaggio Java + Indipendente dall hardware + Indipendente dal sistema operativo Il programma non deve essere riadattato per essere eseguito su diverse piattaforme» La JVM supporta thread multipli 52

27 Realizzazione della JVM» É una macchina astratta composta da un instruction set un registro program counter uno stack per memorizzare variabili e risultati uno heap per dati runtime e garbage collection una area method per memorizzare il codice e le costanti 53 Android Virtual Machine Nota come Dalvik La Dalvik VM (DVM) esegue file in formato.dex (Dalvik Executable) La libreria Dalvik core class fornisce un ambiente di sviluppo sviluppato su JSE Ogni applicazione Android è eseguita all interno di una copia privata della DVM Dalvik consente di eseguire in modo efficiente diverse VM su un dispositivo 54

28 Confronto Java e Dalvik.jar.class Header Heterogenous constant pool Class Field Method Attributes.class Header Heterogenous constant pool.apk.dex Header Strings constant pool Type/class constant pool Field constant pool Method constant pool Class definition Field list Method list Code header Local variables Class Field Method Attributes 55 Zygote» È un processo eseguito all avvio del dispositivo da una DVM» Zygote genera una nuova DVM ogni volta che vi è una richiesta per un nuovo processo Il tempo di creazione di una nuova DVM è ridotto grazie all uso di tecniche di condivisione di elementi in memoria» All avvio vengono precaricate e pre-inizializzate tutte le classi core e le risorse di Java che potrebbero essere utilizzate dalle applicazioni 56