ESTUDIO E IMPLEMENTACIÓN DE LA TÉCNICA DE VIRTUALIZACIÓN EN LA DIRECCIÓN CENTRAL DE SERVICIOS COMPUTACIONALES, UTFSM

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1 UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA VALPARAÍSO CHILE ESTUDIO E IMPLEMENTACIÓN DE LA TÉCNICA DE VIRTUALIZACIÓN EN LA DIRECCIÓN CENTRAL DE SERVICIOS COMPUTACIONALES, UTFSM ALEJANDRO ESTEBAN LARA MOLINA MEMORIA DE TITULACIÓN PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL TELEMÁTICO PROFESOR GUÍA: PROFESOR CORREFERENTE DRA. ALEJANDRA BEGHELLI Z. MSC. MARCELO MARABOLI R. MAYO 2011

2 Al Padre, su Hijo y su Espíritu, por estar siempre junto a mí. A mis padres y hermana, por las oraciones, el apoyo y los sacrificios que hoy tienen respuesta. A mis abuelas, ti@s, prim@s e hij@s, por el apoyo, las preocupaciones y las fuerzas. A los profesores que guiaron este trabajo, por las oportunidades, sus consejos y el apoyo bridado en este último tramo. A Telemática y a todos quienes la conforman, por su acogida y por permitir mi pleno desarrollo. 2

3 RESUMEN Durante la década recién pasada, la virtualización se ha transformado en una de las técnicas más utilizadas en grandes instituciones que necesitan ofrecer servicios informáticos de distinta índole. Sin duda esta tendencia se mantendrá durante los años venideros. La virtualización permite la ejecución de distintas máquinas virtuales (cada una a cargo de un servicio distinto) en una misma máquina física. Esto conlleva ventajas significativas en términos de ahorros de hardware, disminución en el consumo de electricidad y eficiencia en la administración tanto de las máquinas virtuales como de los recursos de hardware reales existentes. La principal desventaja consiste en el aumento del tiempo de respuesta de los servicios virtualizados. Sin embargo, el beneficio de implementar virtualización parece compensar con creces la desventaja asociada, dada la adopción masiva de la virtualización por parte de diversas instituciones. En la actualidad el mercado ofrece varias herramientas que permiten implementar virtualización. Entre ellas se distinguen herramientas propietarias y de código fuente abierto. En ambos casos, la mayoría de las herramientas permite explotar las principales ventajas de esta técnica. La selección de la mejor alternativa estará determinada por los requerimientos y restricciones que plantee el usuario para los servicios virtualizados. En esta memoria se presenta una descripción de la técnica de virtualización así como un estudio comparativo de las principales herramientas de virtualización disponibles en el mercado (propietarias y de código abierto). Posteriormente, se presenta un caso de estudio que analiza la factibilidad técnica de implementar la técnica de virtualización para 3 servicios de la Dirección Central de Servicios Computacionales (DCSC) de la Universidad Técnica Federico Santa María. Este análisis considera los requerimientos y restricciones de la DCSC y los beneficios que se esperan obtener tras una implementación formal. Además de esto se reporta una implementación primaria de virtualización, la cual consta de una serie de pruebas a los servicios de Web, DNS y LDA. Finalmente, la memoria finaliza con las conclusiones obtenidas a partir del trabajo realizado y con la propuesta de algunos trabajos futuros en esta misma línea. 3

4 ABSTRACT In the last decade, virtualization has become one of the main techniques used in organizations offering different types of informatics services. This trend is envisaged to continue in the coming years. Virtualization allows the execution of different virtual machines (each in charge of a determined service) in a single physical host. As a result, significant advantages in terms of hardware savings, electricity consumption and management efficiency are achieved. The main drawback lies in the increase of the response time of virtualized services. However, the benefits of implementing virtualization seems to compensate the downside of the increased delay, given the widely adoption of such techniques in many organization. Currently, the marked offers many virtualization software kits. They can be classified between proprietary and open source kits. In both cases, most of them allow benefiting from the main advantages of virtualization. The selection of the proper virtualization software kit will be determined by the requirements and constraints imposed by the user on the characteristics of the virtualized services. In this work a brief description of the virtualization technique is given as well as a comparative study of the main proprietary and open source software kits. Then, a case of study with the aim of evaluate the technical feasibility of implementing virtualization for 3 services offered by the Computational Services Unit (DCSC, Dirección Central de Servicios Computacionales) at Universidad Técnica Federico Santa María. The study takes into account the requirements and constraints imposed by the DCSC to its virtualized services as well as the benefits expected after implementing virtualization. A preliminary implementation is reported, where the services of web, DNS and LDAP are virtualized. Finally, this work ends with the drawing of the main conclusions and the proposal of further work. 4

5 Índice Capítulo 1 1. INTRODUCCIÓN REFERENCIAS Capítulo 2 VIRTUALIZACIÓN ASPECTOS DE LA TÉCNICA DE VIRTUALIZACIÓN DEFINICIÓN HISTORIA TIPOS DE VIRTUALIZACIÓN VIRTUALIZACIÓN A NIVEL DE SISTEMA OPERATIVO VIRTUALIZACIÓN A NIVEL DE HARDWARE FULL-VIRTUALIZACIÓN PARAVIRTUALIZACIÓN VENTAJAS DE LA VIRTUALIZACIÓN CONSOLIDACIÓN DE SEVIDORES AHORROS ADMINISTRACIÓN INTEGRACIÓN DE HARDWARE TECNOLOGÍA VERDE DESVENTAJAS DE LA VIRTUALIZACIÓN DEGRADACIÓN DE SERVICIOS RESUMEN BIBLIOGRAFÍA

6 Capítulo 3 ANÁLISIS DENTRO DE LA DIRECCIÓN CENTRAL DE SERVICIOS COMPUTACIONALES (DCSC) CONTEXTO ACTUAL DE LA DCSC OBJETIVOS TRAS LA IMPLEMENTACIÓN DE VIRTUALIZACIÓN EJECUCCIÓN DE DIVERSOS SISTEMAS OPERATIVOS DENTRO DE UNA MISMA MÁQUINA ADMINISTRACIÓN DE SERVIDORES INTEGRACIÓN DE HARDWARE REQUERIMIENTOS Y RESTRICCIONES EJECUCIÓN DE DIVERSOS SISTEMAS OPERATIVOS DENTRO DE UNA MISMA MÁQUINA ADMINISTRACIÓN DE SERVIDORES INTEGRACIÓN DE HARDWARE RESTRICCIONES RESUMEN BIBLIOGRAFÍA Capítulo 4 ANÁLISIS DE HERRAMIENTAS DE VIRTUALIZACIÓN HERRAMIENTAS HERRAMIENTAS PROPIETARIAS VMWARE VSPHERE CITRIX XENSERVER HERRAMIENTAS DE CÓDIGO ABIERTO XEN KVM PROXMOX VIRTUAL ENVIRONMENT ANÁLISIS Y SOLUCIÓN RESUMEN

7 4. BIBLIOGRAFÍA Capítulo 5 IMPLEMENTACIÓN Y ANÁLISIS DE LA SOLUCIÓN BENEFICIOS CANTIDAD DE SERVIDORES VIRTUALES AHORRO ENERGÉTICO DESVENTAJAS POR TIPO DE SERVICIO VIRTUALIZADO SERVICIO WEB DNS LDAP RESUMEN BIBLIOGRAFÍA Capítulo 6 CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO Anexos A1: Gráficos detallados de las pruebas realizadas WEB DNS LDAP A2: Códigos de programas para mediciones WEB LDAP ldap_test.sh ldap_test_2.sh

8 Índice de figuras Figura 2.1: Esquema de virtualización a nivel de sistema operativo Figura 2.2: Esquema de full-virtualización Figura 2.3: Esquema de paravirtualización Figura 4.1: Arquitectura de funcionamiento de VMware vsphere Figura 4.2: Arquitectura de funcionamiento de Citrix XenServer Figura 4.3: Arquitectura de Xen Figura 4.4: Arquitectura de KVM Figura 4.5: Arquitectura de Proxmox Virtual Environment Figura 5.1: Configuración de red y dispositivos utilizados para las pruebas Figura 5.2: Ilustración de los tiempos involucrados en una transacción HTTP de Apache Benchmark Figura 5.3: Gráficas de los escenarios obtenidas con Apache Benchmark Figura 5.4: Gráficas de los escenarios obtenidas con NameBench Figura 5.5: Gráficas de los escenarios impares obtenidas con el script Figura 5.6: Gráficas de los escenarios pares obtenidas con el script Figura A.1: Datos evaluación web, escenario Figura A.2: Datos evaluación web, escenario Figura A.3: Datos evaluación web, escenario Figura A.4: Datos evaluación web, escenario Figura A.5: Datos evaluación web, escenario Figura A.6: Datos evaluación web, escenario Figura A.7: Datos evaluación web, escenario Figura A.8: Datos evaluación web, escenario Figura A.9: Datos evaluación web, escenario Figura A.10: Datos evaluación web, escenario Figura A.11: Datos evaluación DNS, escenario Figura A.12: Datos evaluación DNS, escenario Figura A.13: Datos evaluación DNS, escenario Figura A.14: Datos evaluación DNS, escenario

9 Figura A.15: Datos evaluación DNS, escenario Figura A.16: Datos evaluación LDAP, escenario Figura A.17: Datos evaluación LDAP, escenario Figura A.18: Datos evaluación LDAP, escenario Figura A.19: Datos evaluación LDAP, escenario Figura A.20: Datos evaluación LDAP, escenario Figura A.21: Datos evaluación LDAP, escenario Figura A.22: Datos evaluación LDAP, escenario Figura A.23: Datos evaluación LDAP, escenario Figura A.24: Datos evaluación LDAP, escenario Figura A.25: Datos evaluación LDAP, escenario

10 Índice de tablas Tabla 3.1: Tabla de requerimientos y restricciones para las herramientas a analizar Tabla 4.1: Detalle de cada una de las distintas versiones de VMware vsphere Tabla 4.2: Detalle de las versiones de VMware vsphere para pequeñas y medianas empresas Tabla 4.3: Análisis de funcionalidades de VMware vsphere según requerimientos y restricciones de la DCSC Tabla 4.4: Detalle de las distintas versiones de Citrix XenServer Tabla 4.5: Análisis de funcionalidades de Citrix XenServer según requerimientos y restricciones de la DCSC Tabla 4.6: Análisis de funcionalidades de Xen según los requerimientos y restricciones de la DCSC Tabla 4.6: Análisis de funcionalidades de KVM según los requerimientos y restricciones de la DCSC Tabla 4.8: Análisis de Proxmox Virtual Environment según las especificaciones de la DCSC.. 58 Tabla 5.1: Especificaciones de hardware y sistema operativo de los equipos utilizados para las pruebas Tabla 5.2: Resumen de las pruebas con Apache Benchmark Tabla 5.3: Tiempos promedio y total de cada escenario Tabla 5.4: Resumen de pruebas con Namebench Tabla 5.5: Tiempos promedio y total para cada escenario Tabla 5.6: Escenarios de prueba para LDAP Tabla 5.7: Tiempos promedio y total para cada escenario

11 Capítulo 1 1. INTRODUCCIÓN Dentro de las empresas e instituciones como las universidades, es común que se ofrezcan servicios de red tales como sitios web, directorio de personas, nombres de dominio, entre otros. Adicionalmente, se encuentran muchas aplicaciones de carácter interno que también están basadas en la red, como sitios de control de versiones para documentos, sistemas de gestión, etc. Todos estos servicios y aplicaciones requieren de un servidor para ejecutarse. Según la cantidad de servicios y aplicaciones, la cantidad y variedad de servidores dentro de las empresas o instituciones suele ser considerable, generándose así problemas importantes en términos de su administración y mantención. Entre los problemas más comúnmente observados destacan los siguientes: La necesidad de ejecutar diversos sistemas operativos (Windows, Solaris, Unix, Linux, etc.) requiere de servidores dedicados por cada sistema operativo. Esto implica costos en la adquisición de servidores, ya que cada plataforma debe tener su o sus propios servidores dedicados. Adicionalmente, para plataformas que no son de código abierto, se requiere la adquisición de licencias, lo que impacta el manejo del presupuesto. La subutilización de los recursos de hardware, en el caso de servidores dedicados. Como ejemplo, un servidor que ejecuta el servicio de Domain Name System o DNS [1] mediante la aplicación BIND DNS [2], no tendrá una utilización de CPU mayor al 15% [3]. Ante la inexistencia de una herramienta de software que administre centralizadamente los recursos, la administración y mantención de estos servidores puede volverse problemática. Por ejemplo, el retiro de servidores para mantención o actualización de software o hardware, requiere la activación de un servidor de respaldo al que se deben migrar los servicios ofrecidos por el servidor original, de manera transparente al usuario. Existen casos reportados de empresas [4], [5] y [6], que se vieron enfrentadas a al menos una de las situaciones planteadas anteriormente. Las soluciones implementadas apuntaron a tener una 11

12 infraestructura que permitiera integrar una gran variedad de sistemas operativos dentro de ella y que fuera fácil de administrar y mantener en el tiempo, lo cual se pudo lograr mediante la técnica de virtualización. La virtualización es una técnica mediante la cual, los recursos de un computador (CPU, RAM, almacenamiento y tarjetas de red) se asignan, de manera dinámica, a distintos procesos. Estos procesos tienen la cualidad de representar una máquina virtual, con las mismas funcionalidades de un computador. Cada máquina virtual tiene su propio sistema operativo y tiene acceso a todos los recursos de la máquina física, además de ser independiente del resto de las máquinas virtuales. El proceso maestro encargado de asignar los recursos entre las máquinas virtuales se conoce como el Administrador de Máquinas Virtuales (Virtual Machine Monitor o VMM), que crea una capa de abstracción entre el hardware de la máquina física (conocida también como host) y el sistema operativo de cada máquina virtual. Este administrador es el encargado de asignar los recursos entre las máquinas virtuales (también conocidas como guests), permitiendo ejecutar distintos sistemas operativos, dentro de una sola máquina física. Entre los beneficios reportados de la técnica de virtualización [7], destacan el ahorro de máquinas físicas, estimado en una razón de hasta 20:1 [8], la reducción en consumo eléctrico, el que se estima cercano a los 7000 [kw/h] anuales por servidor virtualizado, y la mejora en los porcentajes de utilización de servidores (de un rango de 5-15% a 60-80%). La principal desventaja de la técnica de virtualización consiste en la poca tolerancia a fallas, ya que si falla la plataforma física, fallan también todas máquinas virtuales que se ejecutan sobre ella. Otra desventaja que presenta la virtualización es la degradación de servicio, ya que si un servidor tiene muchas máquinas virtuales, estas deben compartir los recursos físicos del servidor host, lo cual introduce retardos en las respuestas de las máquinas virtuales. Dados los beneficios y desventajas de la técnica de virtualización, antes de implementarla en cualquier institución es necesario un análisis previo de requerimientos ya que no todos los servicios se benefician de su puesta en marcha. Por ejemplo, una aplicación masiva como un sitio web que tiene un alto número de visitas, no se ejecutaría dentro de una máquina virtual, dadas las limitaciones en tiempos de respuesta. 12

13 El objetivo de este trabajo de título es el análisis y la implementación de virtualización dentro de la Dirección Central de Servicios Computacionales de la Universidad Técnica Federico Santa María. Para conseguir este objetivo, el trabajo consistirá en las siguientes etapas: Análisis de la necesidad de implementar virtualización dentro de la institución. Esta etapa incluirá un análisis de los servicios requeridos por la institución y sus requerimientos de hardware. Análisis y estudio de las diversas herramientas de virtualización disponibles en la actualidad, tomando en cuenta lo que cada una de ellas ofrece en comparación a los requerimientos anteriormente señalados, Implementación primaria de la herramienta seleccionada, a fin de estudiar su comportamiento Evaluación de desempeño de la implementación, en cuanto a beneficios y a pérdidas o costos que podrían repostarse tras una implementación definitiva. El resto de esta memoria se ordena de la siguiente forma: El capítulo 2 abordará el tema de virtualización, con su definición y evolución histórica. Además se presentarán de los tipos de virtualización existentes, finalizando con sus ventajas y desventajas. Por su parte, en el capítulo 3 se analizará la situación dentro de la Dirección Central de Servicios Computacionales, desde donde se obtendrán los requerimientos base para la búsqueda de una solución. En el capítulo 4 se presentará el estudio de las herramientas de virtualización existentes en la actualidad, analizándolas según los requerimientos del capítulo 3 para así encontrar una solución final. Por otra parte, en el capítulo 5 se presentará el análisis posterior a la implementación primaria de la herramienta elegida anteriormente. Se realizará una proyección de los beneficios que se obtendrán y de los costos que se deberán asumir. 13

14 Finalmente, en el capítulo 6 se presentarán las conclusiones obtenidas y los futuros trabajos que se podrán realizar tras esta memoria. 14

15 2. REFERENCIAS [1] Domain Name System Wikipedia, the free encyclopedia [en línea] < [consulta: 31 de marzo de 2011] [2] BIND Wikipedia, the free encyclopedia [en línea] < [consulta: 31 de marzo de 2011] [3] ALBITZ, Paul y LIU, Cricket. DNS and BIND. 5 ta Ed Gravenstein Highway North, Sebastopol, CA 95472, Estados Unidos, O Reilly & Associates, [4] VMware customer story, KAZ Computing - VMware. [en línea] < pdf> [consulta: 10 de octubre de 2010] [5] Microsoft case of study, Accenture - Microsoft. [en línea] < [consulta: 10 de octubre de 2010] [6] VMware customer story, nworks VMware. [en línea]. < [consulta: 10 de octubre de 2010] [7] LÓPEZ-VALLEJO M., HUEDO E., GARBAJOSA J. Informe de Vigilancia Tecnológica madri+d Green IT: tecnologías para la eficiencia energética de los sistemas TI. [en línea] Fundación madri+d para el Conocimiento. Madrid (España) < nologias_eficiencia_energetica_sistemas_ti.pdf> [consulta: 11 de octubre de 2010] [8] Reduce Energy Cost and Go Green With VMware Green IT Solutions - VMware. [en línea] < [consulta: 11 de octubre de 2010] 15

16 Capítulo 2 VIRTUALIZACIÓN En este capítulo se describirá en mayor detalle la técnica de virtualización y cuál ha sido su evolución en el tiempo. También se presentarán los distintos tipos de virtualización existentes actualmente y por último, se abordarán las ventajas y desventajas que presenta esta técnica. 1. ASPECTOS DE LA TÉCNICA DE VIRTUALIZACIÓN. Como primera parte, se realizará una definición de lo que trata la de virtualización, describiendo otros términos que ayudarán a comprenderla. Además de esto, se realizará una reseña histórica respecto de ella, desde sus inicios hasta nuestros días, la cual ayudará a comprender su evolución histórica DEFINICIÓN. Tal como se presentó en la introducción, la virtualización es una técnica que permite ejecutar diversos procesos que simulan una máquina real, conocidos como máquinas virtuales (guests), dentro de una máquina física (host). Cada una de estas máquinas virtuales tendrá asignada instancias de cada uno de los recursos de hardware (CPU, memoria RAM, almacenamiento y dispositivos de red) que posea la máquina física y operará de manera independiente del resto de las máquinas virtuales instaladas en el mismo host. El Administrador de Máquinas Virtuales (Virtual Machine Monitor o VMM), es el proceso encargado de administrar los recursos de hardware de la máquina física, asignándolos de manera dinámica y transparente a cada una de las máquinas virtuales. Además de esto, el VMM es el encargado de proveer la independencia a cada una de las máquinas virtuales. La asignación de recursos por parte del VMM, se lleva a cabo mediante algoritmos de planificación o de scheduling. Dentro de los distintos tipos de algoritmos utilizados, se encuentra el Planificador Basado en Créditos [1] (Credit-Based Scheduler).Este algoritmo considera dos valores, el primero es weight, que indica la porción de CPU física que le corresponde a cada CPU de máquina virtual o CPU virtual y el cap, que indica el tiempo de utilización de la CPU física por parte de la CPU virtual. Estos valores son los encargados de asignar prioridad de uso 16

17 de CPU a cada máquina virtual. Además, cada CPU virtual tiene una variable llamada crédito, la cual puede tomar dos valores over, si la CPU física ya fue utilizada y under, si aún no. El algoritmo funciona de la siguiente forma: Se inicializan todas las variables de crédito de las CPUs virtuales, en estado under. Se atiende a la CPU virtual con mayor weight, por el periodo de tiempo indicado por cap. Una vez finalizado el uso de CPU física, se cambia la variable de crédito de la CPU virtual a estado over y se atiende a la CPU con mayor weight y que se encuentre con variable crédito en estado under. Este algoritmo es utilizado en Xen, un VMM código abierto y en el que se ahondará en detalle en la sección del capítulo 4. Además de este algoritmo, algunos VMM utilizan algoritmos de planificación incorporados en el núcleo (kernel) del sistema operativo, como es el caso del Planificador Completamente Justo [2] (CFS: Completely Fair Scheduler). Este algoritmo busca minimizar los tiempos de espera, sobre todo para los procesos que, por prioridad, se atienden al final. Este algoritmo se utiliza en las últimas versiones de núcleo de Linux, lo cual es aprovechado por el VMM de código abierto KVM, del cual se profundizará con mayor detalle en la sección del capítulo HISTORIA. El concepto de virtualización no es reciente, ya a comienzo de la década de 1960 el proyecto Atlas [3] desarrollado entre la Universidad de Manchester y Ferranti Ltd., constaba en un computador que, entre otras características, ejecutaba un programa supervisor de rutinas de extra código (Supervisor Extracode Routines o S.E.R.), que se ejecutaba en una especie de máquina virtual y otra de estas máquinas virtuales era utilizada para ejecutar programas de usuario [4]. Otra empresa precursora de la virtualización fue IBM, que a mediados de la década de 1960 trabajó en el proyecto M44/44X [5] que constaba de una máquina base (M44) modelo 7044, y el resto eran máquinas virtuales de la máquina 7044 (44X). El objetivo tras esto era el aprovechar al máximo el hardware disponible en los grandes y costosos computadores de la época (mainframes) de manera de ejecutar múltiples tareas (multitasking) en este computador. 17

18 Para finales de la década de 1960 y comienzos de la década de 1970, IBM desarrolló otros proyectos tales como el sistema operativo CP-40 [6], desarrollado para el sistema S360/40 y que permitía ejecutar multiples instancias de sistemas operativos clientes, además es considerado como el primer sistema operativo en implementar virtualización completa. Luego, se desarrolló el CP-67 [7], basado en CP-40, para el sistema S360/67, entre otros [8]. Para finales de la década de 1970 y la década de 1980, la virtualización perdió terreno con la aparición de los computadores de escritorio y los servidores con arquitectura x86. Pero el interés por tener plataformas fáciles de administrar y los intentos por abaratar costos en la infraestructura de tecnologías de la información en las empresas, reimpulsaron la investigación y el desarrollo de esta técnica, lo cual se refleja en el hecho de que para la segunda mitad de la década de 1990, empresas como VMware [9] comenzaran a explotar este nicho, ofreciendo soluciones para servidores y computadores de escritorio. Para la primera década del siglo XXI, la virtualización ha tenido un gran auge, de la mano de soluciones propietarias ofrecidas por empresas como Microsoft [10], VMware, Citrix [11], entre otras. Además de estas, existe una importante cantidad de soluciones de tipo código abierto, tales como Xen [12], KVM [13], OpenVZ [14], entre otras. Además de esto, las empresas desarrolladoras de procesadores como Intel y AMD han contribuido a este auge desarrollando tecnología compatible con virtualización, como Intel VT [15] y AMD-V [16], las cuales han facilitado la implementación de esta técnica tanto en computadores de escritorio como en servidores. 2. TIPOS DE VIRTUALIZACIÓN. En esta sección se describirán los tipos de virtualización existentes: la virtualización a nivel de sistema operativo y la virtualización a asistida por hardware. Se detallan las características principales y los principales exponentes de cada uno de estos tipos VIRTUALIZACIÓN A NIVEL DE SISTEMA OPERATIVO. Esta tipo de virtualización permite al núcleo del sistema operativo tener múltiples copias o instancias de un mismo sistema operativo, tal como se puede apreciar en la figura 1. Cada una de 18

19 estas copias es independiente de la otra, es decir, un proceso que se encuentra ejecutándose en una copia A no afectará directamente a otro proceso que se encuentra en la copia B. Para conseguir esta independencia, el núcleo del sistema operativo es quien maneja la asignación de los recursos a fin de que no existan problemas entre las copias. Copia A Copia B Copia N Sistema Operativo Hardware Figura 2.1: Esquema de virtualización a nivel de sistema operativo Dentro de las ventajas de este tipo de virtualización se cuenta el no introducir mayor sobrecarga en el sistema, ya que al ser copias del mismo sistema operativo, no se necesita hardware emulado, a diferencia de la técnica de virtualización asistida por hardware, que si lo necesitan. La desventaja de este tipo de virtualización consiste en que sólo permite copias del mismo sistema operativo, dado que el núcleo es el mismo para todas estas copias. Por lo tanto, en el caso de que necesitaran máquinas virtuales con sistemas operativos de distinto núcleo (por ejemplo, una máquina con Microsoft Windows y otra con FreeBSD), este tipo de virtualización no servirá. Ejemplos de herramientas que usan este tipo de virtualización son: FreeBSD jails [17], Solaris Zones [18] y OpenVZ [14] VIRTUALIZACIÓN A NIVEL DE HARDWARE. La virtualización de hardware permite ejecutar diversos sistemas operativos dentro de una misma máquina física, lo cual marca una diferencia con lo visto anteriormente. Dentro de esta modalidad existen dos subtipos de virtualización, los cuales son: fullvirtualización y para-virtualización. 19

20 FULL-VIRTUALIZACIÓN. En este subtipo, el administrador de máquinas virtuales o VMM, es el encargado de permitir el acceso de cada máquina virtual a los recursos de hardware físico existentes en la máquina física, entregando un acceso transparente a los recursos de hardware a cada una de las máquinas virtuales existentes. Como se explicó en un comienzo, el acceso al hardware se realiza mediante algoritmos de planificación o de scheduling, los cuales asignan los recursos de hardware entre las máquinas virtuales. La figura 2 presenta un esquema de cómo funciona este subtipo de virtualización. Dentro de los componentes se destaca el administrador de máquinas virtuales (VMM), compuesto generalmente por un sistema operativo base y alguna herramienta de virtualización (como Xen o KVM) y las herramientas de administración, que brindan utilidades extra, las cuales dependerán de la herramienta de virtualización (ver Cap. 4). Guest 1 Guest 2 Admin. Tools VMM Hardware Figura 2.2: Esquema de full-virtualización Esta técnica tiene como principal desventaja que el acceso a hardware mediante algoritmos de scheduling introduce cierta sobrecarga en el sistema, ya que por cada máquina virtual que requiere acceso a los recursos de hardware, el administrador de máquinas virtuales debe ejecutar dicho algoritimo. Sin embargo, en la actualidad esto se ha visto mejorado de cierta forma, especialmente con la aparición de las tecnologías de virtualización desarrolladas por los distintos fabricantes de hardware, como lo es en el caso de Intel y AMD, quienes han desarrollado procesadores con tecnología Intel VT-x [15] y AMD-V [16] respectivamente, tecnologías que permiten un mejor desempeño en la asignación de CPU a las máquinas virtuales. Ejemplos de herramientas de virtualización que utilizan esta subclase de técnica son: VMware ESXi [20], Citrix Xenserver [21] y KVM [13]. 20

21 PARAVIRTUALIZACIÓN. Esta subclase se caracteriza por proveer una API (Application Programming Interface o Interfaz de Programación de Aplicaciones) [22] especial, la cual busca optimizar el acceso a los recursos de hardware, agilizándolo. Para utilizar esta API, tanto el sistema operativo que reside en la máquina física o host, como el sistema operativo a virtualizar o guest, deben modificarse. La figura 3 presenta un esquema de este tipo de virtualización, destacándose la API que debe tener cada sistema operativo guest. Los roles del VMM y de las herramientas de administración (Admin. Tools) son iguales a los expuestos en full-virtualización Modif. Guest 1 Modif. Guest 2 Admin. API API Tools VMM Hardware Figura 2.3: Esquema de paravirtualización La principal ventaja que tiene esta subclase es que provee de tiempos de respuesta mejores que en el caso de las máquinas virtuales que se encuentran full-virtualizadas especialmente en aquellas máquinas físicas que no cuentan con tecnologías que apoyan la virtualización. La principal desventaja es que sólo admiten la ejecución de sistemas operativos de código abierto, ya que solo estos pueden ser modificados a fin de tener la API de paravirtualización. Ejemplos de herramientas de virtualización que pertenecen a esta subclase son: Xen [12] y Denali [23]. 3. VENTAJAS DE LA VIRTUALIZACIÓN. A continuación se abordarán las principales ventajas que ofrece la virtualización, profundizando en cada una de ellas. 21