Virtualizzazione. Orazio Battaglia

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1 Virtualizzazione Orazio Battaglia

2 Definizione di virtualizzazione In informatica il termine virtualizzazione si riferisce alla possibilità di astrarre le componenti hardware, cioè fisiche, degli elaboratori al fine di renderle disponibili al software in forma di risorsa virtuale. Tramite questo processo è quindi possibile installare sistemi operativi su hardware virtuale; l'insieme delle componenti hardware virtuali (Hard Disk, RAM, CPU, NIC) prende il nome di macchina virtuale e su di esse può essere installato il software come, appunto, i sistemi operativi e relative applicazioni. Definizione da Wikipedia ( 2

3 Concetti di virtualizzazione La macchina fisica, che mette a disposizione l hardware, viene chiamata Host La macchina virtuale, che consuma le risorse di hardware virtuale, viene chiamata Guest Il layer software che mette in atto la virtualizzazione delle risorse hardware può essere: Un hypervisor nel caso della virtualizzazione Server Un software applicativo nel caso della virtualizzazione Client Tipi di virtualizzazione: Client Server Desktop Applicazioni 3

4 Tipi di virtualizzazione: Client (1/2) Nella virtualizzazione Client su un sistema operativo (Windows, Linux, ecc) già installato sulla macchina fisica viene installata una applicazione di virtualizzazione. L applicazione permette la creazione e l uso di macchine virtuali che consumano le risorse hardware della macchina fisica. Es. di software di virtualizzazione Client: VMware Player, Oracle VM Virtual Box. Es. di uso: workstation in cui è necessario usare software sviluppati per ambiente Windows e software sviluppati per ambiente Linux, esecuzione di macchine di test 4

5 Tipi di virtualizzazione: Client (2/2) Vantaggi Possibilità di eseguire più sistemi operativi diversi contemporaneamente Semplicità dello spostamento di una macchina virtuale, è sufficiente copiare o spostare i file che costituiscono la macchina virtuale Possibilità di creare degli ambienti di test ad hoc Possibilità di eseguire software esistenti solo su determinate piattaforme Possibilità di spostare i dati dalla macchina fisica alla macchina virtuale e viceversa 5

6 Tipi di virtualizzazione: Server (1/2) La virtualizzazione inserisce un livello (layer) tra l hardware della macchina fisica e il sistema operativo che viene eseguito sulla macchina fisica Il livello inserito (nell immagine Xen) astrae le risorse hardware della macchina fisica (Host) e le mette a disposizione dei sistemi operativi Guest Il livello inserito altro non è che un piccolo sistema operativo (hypervisor) il cui principale lavoro è la gestione dell accesso alla risorse da parte dei sistemi operativi Guest Es. di uso: virtualizzazione dei server del Data Center Riferimento immagine 6

7 Tipi di virtualizzazione: Server (2/2) Vantaggi Ottimizzazione dell uso delle risorse hardware e minimizzazione gli sprechi Risparmio energetico Controllo centralizzato di tutta la sala server Monitoraggio delle risorse in uso Incremento della flessibilità: in un ambiente virtualizzato mettere a disposizione nuovi servizi è una operazione più rapida e più sicura in quanto non dipendente da un solo apparato hardware Scalabilità della piattaforma: al crescere delle dimensioni è sufficiente aggiungere e non sostituire tutto Ripristino dei servizi in caso di guasto più rapido: minimizzazione dei tempi di downtime in caso di malfunzionamenti hardware e/o software 7

8 Tipi di virtualizzazione: Desktop (1/2) La virtualizzazione Desktop consiste nella creazione di desktop virtuali da usare al posto dei desktop fisici tradizionali I desktop virtuali vengono eseguiti all interno del Data Center e l accesso da parte degli utenti avviene tramite un protocollo di accesso remoto (RDP di Microsoft, ICA di Citrix, PCoIP di VMware) Vengono usate delle tecnologie per la deduplicazione dei dischi dei desktop virtuali e delle tecnologie per gestire l accesso da parte degli utenti (tipicamente utenti di Active Directory) 8

9 Tipi di virtualizzazione: Desktop (2/2) Vantaggi Installazione di sistema operativo e software applicativo su una unica immagine di disco, l immagine viene «consegnata» ad un numero variabile di utenti. Aggiornare un software (sistema operativo, antivirus, software, windows update, ) diventa una operazione che non richiede di andare su ogni singola macchina: aggiorno l immagine disco di base e la ridistribuisco. I desktop virtuali sono eseguiti sui server del data center: i vecchi computer possono essere riutilizzati come terminali e ai nuovi utenti possono essere consegnati dei piccoli thin client per la connessione al desktop virtuale remoto. Abbattimento sostanziale dei costi di gestione dell hardware. Flessibilità di accesso al proprio desktop: un utente con il proprio computer (desktop tradizionale, portatile, thin client, dispositivo mobile) può collegarsi al desktop virtuale remoto. Centralizzazione del supporto all utente finale. Una console permette di vedere lo stato dei desktop in esecuzione e di intervenire remotamente. 9

10 Architetture dei principali Hypervisor (1/4) Xen ( L hypervisor Xen installa il dominio «dom0» che si occupa della gestione delle risorse hardware. I sistemi operativi Guest (dom1 domn) chiedono risorse all hypervisor che si rivolge al «dom0» Il «dom0» include anche le API (Application Programming Interface) di management 10

11 Architetture dei principali Hypervisor (1/4) L hypervisor Xen supporta due tipi di Guest: PV (Paravirtualization) e HVM (Hardware Virtual Machine) Xen Paravirtualization (PV): richiede un kernel che supporti la paravirtualizzazione di Xen. Il Guest non usa dell hardware emulato ma direttamente quello fisico passando per il kernel abilitato al funzionamento su Xen. I kernel esistono per Linux, NetBSD, FreeBSD, OpenSolaris e Novell Netware. Xen Full virtualization (HVM): richiede le estensioni per la virtualizzazione delle CPU (Intel VT, AMD-V). Xen usa QEMU per emulare tutto l hardware del server. I Guest in questa modalità non necessitano di particolari kernel. Windows usa questa modalità. La paravirtualizzazione, non richiedendo emulazione, è in generale più efficiente. 11

12 Architetture dei principali Hypervisor (2/4) Hyper-V ( L hypervisor Hyper-V di Microsoft ha una architettura del tutto simili a quella di Xen 12

13 Architetture dei principali Hypervisor (3/4) VMware ESXi ( L hypervisor ESXi di Vmware si occupa direttamente della gestione dell hardware e del suo accesso da parte dei sistemi operativi Guest L hypervisor ESXi espone direttamente le API di management 13

14 Architetture dei principali Hypervisor (4/4) KVM ( La virtualizzazione viene attuata mediante moduli del kernel linux, kvm.ko e, in base alla architettura dei processori, i moduli kvm-intel.ko o kvm-amd.ko. Usa inoltre QEMU ( emulatore di macchina e virtualizzatore La virtualizzazione assomigli a quella di tipo Client ma è più performante 14

15 Architetture di virtualizzazione Server In una architettura di virtualizzazione Server svolge un ruolo primario lo storage che ospiterà i file che costituiscono le macchine virtuali Tipicamente una architettura Server prevede la presenza di almeno 2 macchine fisiche server e di almeno uno storage La condivisione dello storage tra le macchine fisiche permette lo spostamento a caldo (durante l esecuzione) delle macchine virtuali La presenza di almeno 2 macchine fisiche garantische la tolleranza al guasto di una macchina 15

16 Architetture di virtualizzazione Server I Server 1 e 2 condividono lo Storage che ospita i file che costituiscono le macchine virtuali. Le linee rosse indicano la connessione allo storage senza specificarne il tipo. 16

17 Architetture di virtualizzazione Server Tipi di storage: DAS: Direct Attached Storage, è il sistema di storage direttamente collegato alla macchina fisica. Il controller dello storage (IDE, SATA, RAID IDE o SATA) è installato sulla macchina fisica. Storage tradizionale NAS: Network Attached Storage, tipicamente una appliance fisica con diversi dischi collegati in RAID che espone protocolli di condisione NFS o CIFS/SMB. SAN (iscsi, Fiber Channel): Storage Area Network, tipicamente una appliance fisica con diversi dischi collegati in RAID che permette l accesso RAW ai dati 17

18 Architetture di virtualizzazione Server NAS e SAN: NAS e SAN sono storage condivisi via rete I NAS permettono l acceso ai dati a livello di file system: gestiscono l accesso contemporaneo ai file ma le performance possono risentire della presenza del file system Le SAN permettono l accesso ai dati RAW cioè direttamente a blocchi fisici. Non è presente un file system che gestisca l accesso contemporaneo ai dati che a questo punto è delegato al server che accede ai dati. Poiché l accesso ai dati è a livello di blocchi le performance sono molto elevate 18

19 Architetture di virtualizzazione Server Tipi di NAS e tipi di SAN: I NAS in genere espongono i protocolli NFS o CIFS/SMB. Le macchine fisiche chiedono file tramite questi protocolli. Le SAN sono tipicamente: Fibre Channel: i blocchi dei dati viaggiano sulla fibra ottica. Necessitano di hardware di rete specifico (basato su fibra) e in genere molto costoso. iscsi: i blocchi dei dati viaggiano sulla infrastruttura di rete TCP/IP tradizionale. In pratica i comandi SCSI vengono inseriti all interno di segmenti TCP/IP e quindi possono viaggiare su switch e attraversare I router. Soluzione in genere più abbordabile rispetto a Fibre Channel. iscsi usa le porte TCP/IP 860 e

20 Architetture di virtualizzazione Server Storage multipathing. Con il termine multipath ci si riferisce alla possibilità di raggiungere una destinazione da diversi percorsi. Lo storage multipathing prevede proprio la possibilità di definire percorsi alternativi verso lo storage. Lo storage multipathing permette di ottenere: Bilanciamento del carico di lavoro sui diversi path Fault tolerance nel caso uno dei path diventi indisponibile Lo storage multipathing è in genere una feature degli storage di livello enterprise che usano iscsi o Fibre Channel e quindi si riferisce tipicamente a SAN. Lo storage multipathing è in genere legato alla presenza di più controller di memorizzazione all interno dello storage. 20

21 Architetture di virtualizzazione Server Se da un lato la virtualizzazione Server presenta tutti i vantaggi visti in precedenza dall altro è necessario pensare a ridondare tutte le componenti in modo da evitare il fermo dei servizi in caso di rotture hardware. E utile tenere in considerazione la ridondanza a diversi livelli: Livello Server: Hypervisor installato su almeno una coppia di dischi in RAID 1 Alimentatore ridondato Livello Rete: Almeno 2 switch di collegamento Meglio se ogni switch con doppio alimentatore Livello Storage: Almeno 2 controller per l accesso ai dati Alimentatore ridondato 21

22 Architetture di virtualizzazione Server Esempio di architettura di virtualizzazione Server con Storage iscsi, 2 switch e 2 Server 22

23 Architetture di virtualizzazione Desktop La virtualizzazione Desktop non è la virtualizzazione Server La virtualizzazione Desktop non è la semplice somma di tutte le macchine virtuali che girano nell ambiente di virtualizzazione Desktop, non sarebbe efficiente Servono delle tecnologie per la deduplicazione del disco dei desktop virtuali e per la deduplicazione della memoria Sono necessari dei server per garantire l autenticazione, l autorizzazione e l accesso sicuro degli utenti ai desktop virtuali 23

24 Architetture di virtualizzazione Desktop Un ambiente di virtualizzazione desktop tipicamente dispone di server ridondati per ogni servizio. Tutti i desktop virtuali vengono eseguiti nel Data Center ed è necessario che ogni componente sia Fault Tolerant per evitare l arresto di tutti i servizi in caso di malfunzionamenti hardware e/o software In un ambiente di virtualizzazione desktop tipicamente servono i seguenti server: Server di accesso sicuro (VPN) Server controller che servono per la creazione di gruppi di desktop, per l assegnazione dei gruppi di desktop a gruppi di utenti, per la gestione del power management dei gruppi di desktop, per la gestione di policy applicate ai gruppi di desktop Server di provisioning dei dischi 24

25 Architetture di virtualizzazione Desktop Esempio di architettura VMware VIEW 5 25

26 Architetture di virtualizzazione Desktop Esempio di architettura Citrix XenDesktop 5 26

27 Virtualizzazione delle Applicazioni La virtualizzazione delle applicazioni permette di gestire in modo centralizzato il software applicativo di una organizzazione. L aggiornamento di un software applicativo richiede l aggiornamento sul server di virtualizzazione e la ridistribuzione agli utenti. I modelli di virtualizzazione delle applicazioni tipicamente sono 2: 1. Streaming dell applicazione (offline use): l utente richiede una applicazione al server il quale la spedisce al client (streaming) che la esegue localmente. Crea del traffico di streaming sulla rete ma non richiede capacità elaborativa particolare sul server. 2. Accesso remoto all applicazione (online use): l utente per eseguire del software applicativo si collega ad un server. Non viene generato molto traffico di rete ma richiede capacità elaborativa sul server che esegue l applicazione. 27