Máster en Administración y Gestión de Sistemas Informáticos

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1 Máster en Administración y Gestión de Sistemas Informáticos Introducción a virtualización Alejandro Calderón Mateos

2 Contenidos Qué es la virtualización? Usos de la virtualización. Para qué utilizar virtualización? Qué opciones hay para virtualizar? Aspectos en el diseño de un sistema virtualizado Selección de plataforma tecnológica Plan de migración 2

3 Contenidos Qué es la virtualización? Usos de la virtualización. Para qué utilizar virtualización? Qué opciones hay para virtualizar? Aspectos en el diseño de un sistema virtualizado Selección de plataforma tecnológica Plan de migración 3

4 Googlear sobre Virtualización Es posible buscar información en diversas fuentes: Wikipedia: Foros: Curos on-line: Etc. 4

5 Googlear sobre Virtualización Aspectos importantes que encontraremos: 1. El término virtualización no es nuevo: Se ha usado desde los años Se ha aplicado a diferentes aspectos y ámbitos de la computación: Componentes, computador completo, servidores, desktop, etc. 5

6 Virtualización en computación Virtualización es término muy amplio que se refiere a la abstracción de los recursos de un computador. Una técnica para ocultar las características físicas de los recursos de computación de la forma en la cual otros sistemas, aplicaciones o usuarios finales interactúan con esos recursos. Recurso virtual 6

7 Contenidos Qué es la virtualización? Usos de la virtualización. Para qué utilizar virtualización? Qué opciones hay para virtualizar? Aspectos en el diseño de un sistema virtualizado Selección de plataforma tecnológica Plan de migración 7

8 Virtualización en computación Virtualización es término muy amplio que se refiere a la abstracción de los recursos de un computador. Una técnica para ocultar las características físicas de los recursos de computación de la forma en la cual otros sistemas, aplicaciones o usuarios finales interactúan con esos recursos. Dispositivo Proceso Computador Etc. Recurso virtual 8

9 Ejemplos de virtualización a nivel de dispositivo Almacenamiento: Ej.: RAID Conectividad: Ej.: IP bonding, IP aliasing, NAT Procesador: Ej.: emulación de juego de instrucciones diferente 9

10 Ejemplos de virtualización a nivel de dispositivo a54.lab.inf.uc3m.es a55.lab.inf.uc3m.es Almacenamiento: Ej.: RAID aliases eth0 eth0:1 3com bonding a55.lab.inf.uc3m.es b0 eepro100 interfaz nic Conectividad: Ej.: IP bonding, IP aliasing, NAT Procesador: Ej.: emulación de juego de instrucciones diferente 10

11 Ejemplos de virtualización a nivel de dispositivo Almacenamiento: Ej.: RAID Conectividad: Ej.: IP bonding, IP aliasing, NAT Procesador: Ej.: emulación de juego de instrucciones diferente Rosetta: usado por Apple en la transición PowerPC a Intel. 11

12 Ejemplos de virtualización a nivel de proceso Emulación de entorno privado de la aplicación: Ej.: Modo compatibilidad de Windows Vista/7 Construcción a nivel de lenguaje: Ej.: Java y.net 12

13 Ejemplos de virtualización a nivel de proceso Emulación de entorno privado de la aplicación: Ej.: Modo compatibilidad de Windows Vista/7 Construcción a nivel de lenguaje: Ej.: Java y.net 13

14 Ejemplos de virtualización a nivel de computador Escritorio anfitrión: Ej.: VMWare, VirtualBox, etc. Escritorio remoto: Ej.: XEN, VMWareESX, VirtualBox Headless, etc. 14

15 Ejemplos de virtualización a nivel de computador Escritorio anfitrión: Ej.: VMWare, VirtualBox, etc. Escritorio remoto: Ej.: XEN, VMWareESX, VirtualBox Headless, etc. Coherence mode, fluid view, etc. No una ventana con todo el escritorio, ventana por aplicación. 15

16 Ejemplos de virtualización a nivel de computador Escritorio anfitrión: Ej.: VMWare, VirtualBox, etc. Escritorio remoto: Ej.: XEN, VMWareESX, VirtualBox Headless, etc. 16

17 Ejemplos de virtualización a nivel de computador Escritorio anfitrión: Ej.: VMWare, VirtualBox, etc. Escritorio remoto: Ej.: XEN, VMWareESX, VirtualBox Headless, etc. 17

18 Resumen: Virtualización en computación Virtualización es término muy amplio que se refiere a la abstracción de los recursos de un computador. Una técnica para ocultar las características físicas de los recursos de computación de la forma en la cual otros sistemas, aplicaciones o usuarios finales interactúan con esos recursos. Proceso Dispositivo Plataforma Etc. Recurso virtual 18

19 Resumen: Virtualización en computación Esto incluye: Hacer un único recurso físico (como un servidor, un sistema operativo operativo, una aplicación, etc.) se presente como un recurso lógico diferente. Hacer un único recurso físico (como dispositivos de almacenamiento, servidores, etc.) aparentar que funciona como varios recursos lógicos. Hacer que múltiples recursos físicos (como dispositivos de almacenamiento, servidores, etc.) aparezcan como un único recurso lógico. 19

20 Virtualización de plataforma Nos centraremos en la virtualización de una plataforma en términos de máquinas virtuales Para la clase, usaremos Windows como sistema operativo anfitrión (host) 20

21 Ejemplo: Windows sobre Linux 21

22 Contenidos Qué es la virtualización? Usos de la virtualización. Para qué utilizar virtualización? Qué opciones hay para virtualizar? Aspectos en el diseño de un sistema virtualizado Selección de plataforma tecnológica Plan de migración 22

23 Razones por las que usar virtualización Consolidación de servidores Aislamiento de servicios Recuperación de desastres Pruebas o formación Portabilidad de aplicaciones 23

24 Consolidación Consolidación de servidores: Ahorro de costes (y mejor aprovechamiento) Simplificación de la administración y gestión

25 Consolidación Consolidación de servidores: Ahorro de costes (y mejor aprovechamiento) Simplificación de la administración y gestión

26 Aislamiento Mejora de la seguridad: Aislar servicios en máquinas diferentes. Diferente política de seguridad a cada máquina. 26

27 Aislamiento Mejora de la seguridad: Aislar servicios en máquinas diferentes. Diferente política de seguridad a cada máquina. 27

28 Tolerancia a fallos Recuperación de desastres: Ejecución de una máquina en espera Rearranque automático 28

29 Tolerancia a fallos Recuperación de desastres: Ejecución de una máquina en espera Rearranque automático 29

30 Tolerancia a fallos Recuperación de desastres: Ejecución de una máquina en espera Rearranque automático 30

31 Entornos de prueba Pruebas o formación: Ejecución de otro entorno de trabajo Facilitar restauración del sistema (no inmediato, pero si fácil) 31

32 Entornos de prueba Pruebas o formación: Ejecución de otro entorno de trabajo Facilitar restauración del sistema (no inmediato, pero si fácil) 32

33 Portabilidad de aplicaciones Portabilidad de aplicaciones: Ejecución de aplicaciones del sistema X en el sistema Y Ejecución de aplicaciones del sistema X versión A en versión A+1 33

34 Resumen de las principales ventajas 34

35 Razones por las que NO usar virtualización Dificultad en el dimensionamiento Necesidad de mayores recursos en un solo ordenador Doble nivel de administración Pérdida de rendimiento 35

36 Dimensionamiento Necesidad de un correcto dimensionamiento: Los servidores (virtuales) cambian sus necesidades (uso de memoria, cpu, etc.) Un incorrecto dimensionamiento puede tener impacto en todos los servidores 36

37 Mayores recursos Necesidad de mayores recursos en un solo ordenador: 8 servidores de 1 GB consolidados en 1 servidor de 8 GB No siempre es fácil (y barato) comprar un servidor con n tarjetas de red, n GB de RAM, n TB de disco, etc. 37

38 Mayores recursos Necesidad de mayores recursos en un solo ordenador: 8 servidores de 1 GB consolidados en 1 servidor de 8 GB No siempre es fácil (y barato) comprar un servidor con n tarjetas de red, n GB de RAM, n TB de disco, etc. 38

39 Más administración Doble nivel de administración: Administración de las máquinas reales Administración de las máquinas virtuales Monitorización y control de la asociación máquina virtual y máquina real Si una máquina real presenta problemas, entonces es necesario migrar las máquinas virtuales asociadas a ella ssh real 39

40 Pérdida de rendimiento Ligera pérdida de rendimiento: En CPU puede ser poco: entre un 3% y un 12% Tarjeta gráfica? Disco duro compartido entre varias máquinas virtuales? 40

41 Contenidos Qué es la virtualización? Usos de la virtualización. Para qué utilizar virtualización? Qué opciones hay para virtualizar? Aspectos en el diseño de un sistema virtualizado Selección de plataforma tecnológica Plan de migración 41

42 Muchas opciones User Mode Linux OpenVZ 42

43 Muchas opciones Conocer cómo es internamente. Dependencias, restricciones, etc. Conocer las arquitecturas de los sistemas de virtualización. Agrupar soluciones por características comunes. 43

44 Cómo es internamente Apps Apps Apps Apps Apps Guest OS Hardware Guest OS Guest OS Guest OS Monitor/Hipervisor Hardware 44

45 Cómo es internamente Apps Apps Apps Guest OS Guest OS Guest OS Monitor/Hipervisor Hardware Se añade una capa entre el sistema operativo y el hardware Se encarga de hablar con todo tipo de hardware Arbitra los recursos hardware entre los distintos sistemas operativos El sistema operativo (o los sistemas operativos) se ejecutan en modo privilegiado pero el monitor/hipervisor intercepta sus peticiones para atenderlas 45

46 Tipos de virtualización arquitectura de monitores Emulación Hardware Virtualización completa Paravirtualización Vitualización a nivel del sistema operativo 46

47 Emulación Hardware Se crea una M.V. en el sistema host para emular el hardware que interesa Ventaja: se puede ejecutar un sistema operativo para CPU1 en CPU2 sin ser modificado Desventaja: lentitud (del orden de x100) Apps Apps Apps Guest OS Guest OS Guest OS Hardware VM A Hardware VM B Hardware 47

48 Emulación Hardware Bochs Qemu Linux/W95 W95/WXP W2k/Linux(F) Linux(K)/WXP 48

49 Virtualización completa El hardware es compartido por todos los sistemas operativos invitados (Guests) a través del hipervisor Ventaja: no se necesita modificar el sistema operativo Desventaja: es necesario usar trampas para capturar los accesos del sistema operativo invitado al hardware Soporte hardware Interpretación de binarios y sustitución al vuelo 49

50 Virtualización completa VMware WXP/MacOS WXP/Linux z/vm z/linux sobre z/vm 50

51 Paravirtualización Similar a la virtualización completa, pero los invitados colaboran Ventaja: El sistema operativo colabora con el hipervisor (el tiempo perdido en trampas para interceptar peticiones se disminuye) Desventaja: El sistema operativo ha de modificarse para interactuar con el hipervisor 51

52 Paravirtualización XEN Hiper-v Linux(S,F,D)/Linux(F) Windows S2008+Vista+Suse / Windows 52

53 Paravirtualización User Mode Linux (UML) Linux/Linux 53

54 Virtualización a nivel del sistema operativo Enfoque totalmente diferente: el sistema operativo en si mismo ofrece servidores virtuales Desventaja: NO es posible ejecutar distintos sistemas operativos Ventaja: Mejor rendimiento y más cantidad de máquinas virtuales ejecutadas (ahorro de memoria) 54

55 Virtualización a nivel del sistema operativo OpenVZ Densidad de OpenVZ en un equipo de 768 Mb (¾ Gb) de RAM 55

56 Cómo es internamente Apps Apps Apps Guest OS Guest OS Guest OS Monitor/Hipervisor Hardware Se añade una capa entre el sistema operativo y el hardware Se encarga de hablar con todo tipo de hardware Arbitra los recursos hardware entre los distintos sistemas operativos El sistema operativo (o los sistemas operativos) se ejecutan en modo privilegiado pero el monitor/hipervisor intercepta sus peticiones para atenderlas

57 1 Virtualización completa/paravirtualización Interceptar peticiones User Kernel Level 0 Level 1 Level 2 El sistema operativo ha sido diseñado para ejecutar en el hardware a nivel privilegiado En procesadores x86, en el anillo 0 Hay que ejecutar código privilegiado como si no lo fuera (el hipervisor lo es ahora) Binary patching Nuevas instrucciones de virtualización 57

58 1 Virtualización completa/paravirtualización Interceptar peticiones TC Index Guest Code Translator Translation Cache Callouts Binary translation/patching: Parcheado de instrucciones al vuelo Se analiza el código del sistema invitado y se cambia las instrucciones privilegiadas por llamadas al hipervisor Aceleración mediante caché de los fragmentos parcheados Guest Code Translation Cache CPU Emulation Routines vpc mov ebx, eax cli and ebx, ~0xfff mov ebx, cr3 sti ret mov ebx, eax call HANDLE_CLI and ebx, ~0xfff mov [CO_ARG], ebx call HANDLE_CR3 call HANDLE_STI jmp HANDLE_RET start 58

59 1 Virtualización completa/paravirtualización Interceptar peticiones User Kernel monitor Level -1 Level 0 Level 1 Level 2 Instrucciones hardware: Anillo -1 donde se ejecuta el hipervisor Permitiría la mínima penalización en rendimiento al evitar traducción. Intel y AMD han desarrollado extensiones para virtualización, no compatibles entre sí pero son similar funcionalidad. Intel ofrece: VT-x como las extensiones IVT para IA-32 (Vanderpool) VT-i como las extensiones IVT para IA-64 (Silvervale) VT-d en 32/64 para Directed I/O AMD ofrece: AMD-V (Pacifica) para 32/64 IOMMU para Directed I/O o PCI-Passthrough 59

60 2 Virtualización completa/paravirtualización Despliegue del hipervisor El monitor/hipervisor ha de ser capaz de tratar con todo tipo de hardware Ha de tener drivers para todos Es muy difícil conseguir que se escriban drivers/controladores para un S.O. Usar un sistema operativo modificado: Hosted o Split Hipervisor 60

61 2 Virtualización completa/paravirtualización Despliegue del hipervisor 1. Device I/O Hosted o Split. Transformar un sistema operativo existente en un hipervisor Una M.V. es un proceso en el sistema host I: Doble planificación I: Acceso al hardware costoso V: Fácil instalación (otra aplicación más) User App Guest OS (Linux) Kernel Module Host OS (Window XP) 2. CPU/Mem Virtual Machine Monitor Hardware 61

62 2 Ejemplo de sistema hosted o split KVM KVM está incluido en el kernel de Linux desde la versión KVM transforma el kernel de Linux en un hipervisor usando un módulo Otros sistemas operativos invitados puedan ejecutar en espacio de usuario Se usa un proceso QEMU modificado 62

63 2 Virtualización completa/paravirtualización Despliegue del hipervisor Hipervisor. Quitar a un sistema operativo existente todo lo que le sobra para convertirlo en un hipervisor. Se precisa arrancar el hipervisor primero y luego cada máquina virtual lo usa V: menos interferencias entre máquinas I: más difícil instalación 63

64 2 Ejemplo de sistema hipervisor XEN XEN no está incluido en el kernel de Linux (XEN PVops en ) XEN es un sistema Linux al que se le ha dejado lo necesario para que funcione como hipervisor. Inicialmente diseñado como sistema paravirtualizado 64

65 3 Virtualización completa/paravirtualización Acceso a los dispositivos El monitor/hipervisor ha de ser capaz de tratar con todo tipo de hardware Ha de tener drivers para todos Ha de ofrecer el acceso al hardware subyacente. Ofrecer el hardware al S.O. invitado: Emulación de dispositivo en el hipervisor Emulación de disp. en espacio de usuario Pasarela a dispositivo SR-IOV y MR-IOV 65

66 3 Virtualización completa/paravirtualización Acceso a los dispositivos Emulación de dispositivo en hipervisor. Ej.: VMware workstation V: fácil de migrar 66

67 3 Virtualización completa/paravirtualización Acceso a los dispositivos Emulación de dispositivo en espacio de usuario. Ej.: KVM V: fácil migrar (incluso a otro hipervisor) y seguro (no privilegiado) 67

68 3 Virtualización completa/paravirtualización Acceso a los dispositivos Pasarela a dispositivo. Ej.: VMware, XEN, etc. V: eficiente 68

69 3 Virtualización completa/paravirtualización Acceso a los dispositivos SR-IOV y MR-IOV. Single-Root I/O Virtualization (servidor único) Multi-Root I/O Virtualization (blades) 69

70 User App K e r n e l M o d u l e Monitor/Hipervisor Resumen qué opciones hay para virtualizar? Apps Apps GuestOS Hardware Apps Apps Apps GuestOS GuestOS GuestOS Hardware Guest Code Translation Cache v P C mov ebx, eax cli mov ebx, eax call HANDLE_CLI s t a r t and ebx, ~0xfff and ebx, ~0xfff mov ebx, cr3 mov [CO_ARG], ebx sti call HANDLE_CR3 Emulación Hardware ret call HANDLE_STI jmp HANDLE_RET Binary translation(patching) Emulación del disp. en el hipervisor User Virtualización completa Kernel monitor Level -1 Level 0 Level 1 Level 2 Nuevas instrucciones 1 Emulación del disp. en espacio de usuario Paravirtualización Host OS (Window XP) 1. Devi ce I/O Guest OS (Linux) Virtual Machine Monitor Hardware Hosted o split Pasarela a dispositivo Virtualización a nivel del sistema operativo Hipervisor 2 SR-IOV y MR-IOV 3 70

71 Contenidos Qué es la virtualización? Usos de la virtualización. Para qué utilizar virtualización? Qué opciones hay para virtualizar? Aspectos en el diseño de un sistema virtualizado Selección de plataforma tecnológica Plan de migración 71

72 Contenidos Qué es la virtualización? Usos de la virtualización. Para qué utilizar virtualización? Qué opciones hay para virtualizar? Aspectos en el diseño de un sistema virtualizado Selección de plataforma tecnológica Plan de migración 72

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