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. 2014/15 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 articoli sul sito del corso 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 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 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 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 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 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 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 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 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 10 Taxomomy of virtualization techniques Execution environment virtualization is the oldest, most popular and most developed area we will mostly investigate it 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 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) 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 14 Virtualization layers (2) 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> 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> 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 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 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 Valeria Cardellini - SDCC Esempi: 2014/15 User-Mode Linux, Parallels Desktop 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 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 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 en.wikipedia.org/wiki/comparison_of_platform_virtual_machines 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 24 Virtualizzazione completa (2) Possibile soluzione per 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 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 hardware defined structures 26 Fast binary translation Ma il meccanismo di trap al VMM per ogni istruzione privilegiata è offerto solo dai processori con supporto hardware per la virtualizzazione (Intel VT-x e AMD-V) IA-32 non lo è: come realizzare la virtualizzazione completa in mancanza del supporto hw? Fast binary translation: il VMM scansiona il codice prima della sua esecuzione per sostituire blocchi contenenti istruzioni privilegiate con blocchi funzionalmente equivalenti e contenenti istruzioni per la notifica di eccezioni al VMM - I blocchi tradotti sono eseguiti direttamente sull hw e conservati in una cache per eventuali riusi futuri - Maggiore complessità del VMM e minori prestazioni Architettura x86 con virtualizzazione completa e binary translation 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 - A hypercall is to a hypervisor what a syscall is to a kernel X86 architecture with paravirtualization 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 29

16 Paravirtualization: hypercall execution The hypervisor (not the kernel) has interrupt handlers installed When a VM application 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 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 All VMs share the same machine memory and VMM partitions memory among VMs 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 31

17 Two-level memory mapping Going from guest virtual memory to host physical memory requires a two-level memory mapping: Guest VA (virtual address) -> guest PA (physical address) -> host MA (machine address) 32 Shadow page table To avoid an unbearable performance drop due to the extra memory mapping, VMM maintains shadow page tables (SPTs) Direct guest virtual-to-host physical address mapping SPT maps guest virtual address to host physical address Guest OS maintains its own virtual memory page table (PT) 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 VMM needs to keep the SPTs consistent with changes made by the guest OS to its PT 33

18 Challenges in memory virtualization with SPT Address translation Guest OS expects contiguous, zero-based physical memory: VMM must preserve this illusion Page table shadowing SPT implementation is complex VMM intercepts paging operations and constructs copy of PTs Overheads VM exits add to execution time SPTs consume significant host memory SPTs need to be kept synchronized with guest PTs 34 Hw support for memory virtualization SPT is a software-managed solution; let us consider hardware solution Second Level Address Translation (SLAT) is the hardwareassisted solution for memory virtualization (Intel EPT and AMD RVI) to translate the guest virtual address into the machine s physical address Using SLAT significant performance gain with respect to SPT: around 50% for MMU intensive benchmarks 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, jail, virtual execution environment (VE), virtual private server (VPS), Evoluzione del comando 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 36 Virtualizzazione a livello di SO (2) Layer di virtualizzazione in OpenVZ 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 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 debugging, 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 39

21 Case study: Xen Xen is the most notable example of paravirtualization (developed at University of Cambridge) The hypervisor offers to the guest OS a virtual interface (hypercall API) to whom the guest OS must refer to access the machine physical resources Xen requires to the guest OS kernel support and drivers (now part of the Linux kernel as well as other operating systems) Xen supports also hardware-assisted virtualization (called HVM) so that unmodified guest OSes (e.g., Windows) can be used Xen is the foundation for many products and platform (e.g., Oracle VM and Qubes) and powers some of the largest IaaS providers (e.g., Amazon, GoGrid, Rackspace) Pros Thin hypervisor model; open source; flexibility in management Minimal overhead (within 2.5%) with respect to the bare metal machine without virtualization Can migrate VMs between different servers 40 Case study: Xen (2) Goal of the Cambridge group (late 1990s): to design a VMM capable of scaling to about 100 VMs running applications and services without any modifications to 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 (or control domain): special domain devoted to execution of Xen control functions and privileged instructions; contains the drivers for all the devices in the system - DomU (or unprivileged domain): 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 wiki.xen.org/wiki/xen_overview 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 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 44 CPU schedulers in Xen Xen allows to choose among different CPU schedulers 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) Scheduling algorithm goals: To make sure that domains get "fair share of CPU Proportional share algorithm: allocates CPU in proportion to the number of shares (weights) assigned to VCPUs 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 Riferimento: L. Cherkasova, D. Gupta, A. Vahdat, Comparison of the three CPU schedulers in Xen, ACM SIGMETRICS Performance Evaluation Review,

24 CPU schedulers in Xen (2) We ll examine three algorithms: BTV, SEDF, Credit scheduler Credit scheduler: current default and recommended choice Borrowed Virtual Time (BTV) Proportional share, work-conserving scheduler based on the concept of virtual time The scheduler selects the domain (Dom for short) with the smallest virtual time first; each domain receives a share of CPU in proportion to its weight Setting of different domain weights, for example Dom 1 : weight 1 (20%) Dom 2 : weight 3 (80%) Cons: lack of non-work-conserving mode 46 CPU schedulers in Xen (3) Simple Earliest Deadline First (SEDF) Variant of a well-known real-time scheduling algorithm 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 tuple (s i, p i, x i ), where slice s i and period p i together 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 p i ; x i is a boolean indicating whether Dom i is eligible to receive extra CPU time other than its slice if the CPU is idle (work-conserving mode) Cons: no global load balancing among multiple CPUs because SEDF maintains per-cpu queues and schedules the queues on individual CPUs CPU1: Dom1 scheduled and 80% of CPU usage CPU2: Dom2 scheduled and 80% of CPU usage Dom3 with 30% of CPU usage cannot be scheduled because each CPU has only 20% of available CPU share 47

25 CPU schedulers in Xen (4) Credit scheduler Proportional fair share and work-conserving scheduler Each domain is assigned a weight and optionally a cap (tunable parameters) Weight: relative CPU allocation per domain Cap: absolute 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 overcredit 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 Valeria Cardellini - SDCC idles 2014/15 when there is runnable work in the system wiki.xen.org/wiki/credit_scheduler 48 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 papers Shared results of the studies No one size fits all solution exists Different hypervisor show different performance characteristics for varying workloads 49

26 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 Hint: consider the type of applications because different hypervisors may be best suited for different workloads 50 Performance comparison of hypervisors (3) Performance overhead among three hypervisors: an experimental study using Hadoop benchmarks (BigData 2013) Experimental measurements of several benchmarks using Hadoop MapReduce to evaluate and compare the performance impact of three popular hypervisors: a commercial one (not disclosed), Xen, and KVM For CPU-bound benchmarks, negligible performance difference between the three hypervisors Significant performance variations were seen for I/Obound benchmarks Commercial hypervisor better at disk writing, while KVM better for disk reading Xen better when there was a combination of disk reading and writing with CPU intensive computations 51

27 Performance comparison of hypervisors (4) 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) 52 Case study: PlanetLab PlanetLab: un sistema distribuito collaborativo caratterizzato da virtualizzazione distribuita Ampio insieme di macchine sparse su Internet Più di 1300 nodi in oltre 600 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 (ora Akamai Aura) Virtualizzazione ed isolamento (Denali) Multicast di livello applicativo (Scribe) Misure di rete (Scriptroute, I3) 53

28 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 isolato 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 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 55

29 What s next for virtualized execution environments We examine two interesting techniques, which are also useful to deploy and manage virtual clusters and virtual data centers Live migration of VMs Dynamic resizing of VMs 56 Migrazione Migrazione di codice In sistemi omogenei In sistemi eterogenei Migrazione di macchine virtuali Utile in data center e cluster virtuali per Consolidare l infrastruttura Avere flessibilità nel failover Bilanciare il carico Ma l overhead di migrazione di VM non è trascurabile La migrazione di VM in ambito WAN non è banale 57

30 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 58 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 Esempi: migrazione di processi in MOSIX Argomento approfondito nel corso di Mobile Systems and Applications 59

31 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 60 Migrazione di VM Migrazione di istanze di macchine virtuali tra macchine fisiche: approcci possibili Stop and copy: si spegne la VM sorgente e si trasferisce l immagine sull host di destinazione: il downtime può essere troppo lungo L immagine della VM da migrare può essere grande e la banda di rete limitata Live migration: la VM sorgente è in funzione durante la migrazione Source host Destination host VM1 VM2 VM3 VM4 61

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