Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”
Facoltà di Ingegneria
• M. Boari, M. Balboni, “Tecniche di virtualizzazione:
teoria e pratica”, Mondo Digitale, Marzo 2007.
• J. Daniels, “Server virtualization architecture and
implementation”, Crossroads, September 2009.
• M. Rosenblum, T. Garfinkel, “Virtual machine
monitors: current technology and future trends”, IEEE
Computer, May 2005.
• J.E. Smith, R. Nair, “The architecture of virtual
machines”, IEEE Computer, May 2005.
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• Virtualizzazione: un livello alto di astrazione che
nasconde i dettagli dell’implementazione sottostante
• Virtualizzazione: astrazione di risorse computazionali
– Si presenta all’utilizzatore una visione diversa da quella reale
• Le tecnologie di virtualizzazione comprendono una varietà
di meccanismi e tecniche usate per risolvere problemi di:
– Sicurezza, affidabilità e prestazioni (isolamento della QoS), …
• Come? Disaccoppiando l’architettura ed il comportamento
delle risorse percepiti dall’utente dalla loro realizzazione
fisica
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• 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 dell’infrastruttura
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• 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 completamente
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
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• 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/360-67
• 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
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• 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’ oggigiorno una delle tecnologie abilitanti del Cloud
computing
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• 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
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• Permette il consolidamento dei server in un data
center, con vantaggi economici ed ambientali
– Uso più efficiente delle risorse dei server nell’ottica di ridurre
il numero totale di server necessari ad una azienda e di
utilizzarli in modo più efficiente
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• 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
– Partizionamento delle risorse di sistema
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• 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
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Riferimento: “The architecture of virtual machines”
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• In base alle interfacce di astrazione distinguiamo:
– Macchina virtuale di processo: virtualizzazione a livello di
processo
– Monitor della macchina virtuale (VMM, Virtual Machine
Monitor) o anche hypervisor: virtualizzazione a livello di
sistema
– Virtualizzazione a livello di sistema operativo
• Considerando il VMM, distinguiamo:
–
–
–
–
VMM di sistema
VMM ospitato
Virtualizzazione completa
Paravirtualizzazione
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• Virtualizzazione solo per un singolo processo
– La VM di processo è una 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: Java VM, Wine, .NET CLR Istanze multiple di combinazioni
<applicazione, sistema runtime>
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• 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
Istanze multiple di combinazioni
<applicazioni, sistema operativo>
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• Host: piattaforma di base sulla quale si realizzano
le VM; comprende:
– Macchina fisica
– Eventuale sistema operativo nativo
– VMM
• Guest: tutto ciò che riguarda ogni VM
– Sistema operativo ed applicazioni
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• In quale livello dell’architettura di sistema collocare il
VMM?
guest
guest
– direttamente sull’hardware (VMM di sistema o classico)
– come applicazione su un SO esistente (VMM ospitato)
host
host
VMM di sistema
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VMM ospitato
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• VMM di sistema: eseguito direttamente sull’hw, offre
funzionalità di virtualizzazione integrate in un SO
semplificato
– E’ necessario corredare il VMM dei driver necessari per
gestire le periferiche
– Esempi: VMware ESX, Xen
• VMM ospitato: eseguito sul SO host, accede alle
risorse hw tramite le chiamate di sistema del SO host
– Installazione più semplice
– Può usare il SO sottostante per gestire le periferiche e può
utilizzare altri servizi offerti dal SO sottostante (es.
scheduling, gestione delle risorse)
– Degrado delle prestazioni rispetto a VMM di sistema
– Esempi: VMware Server, VirtualBox, Virtual PC, Parallels
Desktop
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• 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 ogni richiesta di accesso privilegiato all’hw
e ne emula il comportamento atteso
– Il VMM gestisce un contesto di CPU per ogni VM
– Il VMM condivide le CPU fisiche tra tutte le VM
• Il VMM comprende uno scheduler di VM
– Esempi: KVM, VMware ESX
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• 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: PikeOS, Oracle VM, Xen
Per un confronto qualitativo delle diverse soluzioni per VM
http://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_platform_virtual_machines
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• Principale vantaggio
– SO guest non modificato (non sa dell’esistenza del VMM)
• Svantaggi
– VMM più complesso
– Collaborazione del processore per implementazione efficace
• Perché?
• L’architettura del processore opera secondo almeno 2
livelli (ring) di protezione: supervisore e utente
– Solo il VMM opera nello stato supervisore, mentre il SO guest
e le applicazioni (quindi la VM) operano nello stato utente
• 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
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• Come risolvere il ring deprivileging
– Trap-and-emulate: se il SO guest tenta di eseguire un’istruzione
privilegiata, 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
– Si ha invece un’esecuzione diretta delle istruzioni non
privilegiate eseguite dall’ambiente guest
• Ma il meccanismo di notifica al VMM per ogni istruzione
privilegiata è offerto solo dai processori con supporto
nativo alla virtualizzazione (Intel VT, AMD-V)
– IA-32 non lo è! Come realizzare la virtualizzazione completa in
mancanza del supporto hw?
Fast binary translation: il VMM scansiona a runtime il codice prima della
sua esecuzione per sostituire blocchi contenenti istruzioni
problematiche con blocchi equivalenti dal punto di vista funzionale e
contenenti istruzioni per la notifica di eccezioni al VMM ! maggiore
complessità del VMM e minori prestazioni
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• Xen è l’esempio più noto di paravirtualizzazione
http://xen.org (sviluppato all’università di Cambridge)
– Il VMM offre al SO guest un’interfaccia virtuale (hypercall API)
alla quale il SO guest deve riferirsi per aver accesso alle
risorse fisiche della macchina
– Occorre rendere compatibile con Xen il kernel ed i driver del
SO guest
• Soluzione preclusa ai sistemi operativi commerciali, a meno di
non avere un processore che supporti la virtualizzazione nativa
(gestita a partire da Xen 3.0)
– Le applicazioni rimangono invece invariate
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• Vantaggi
– Overhead minimo: in grado di fornire prestazioni molto
simili a quelle dell’esecuzione non virtualizzata
– Supporta la migrazione live di macchine virtuali
• Usato come VMM da molti provider di Cloud
pubbliche
– Ad es. Amazon EC2, Rackspace Cloud
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• Finora considerata virtualizzazione a livello di sistema (ISA)
• 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 Virtual Environment (VE), container, partition, …
– Ciascun VE ha un
proprio insieme di
processi, file system,
utenti, interfacce di rete
con indirizzi IP, tabelle di
routing, …
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• Vantaggi
– Degrado di prestazioni pressoché nullo
• Normali chiamate di sistema
– Elevata densità
• Centinaia di istanze su una singola macchina fisica
• Svantaggio: minore flessibilità
– Non permette di eseguire allo stesso tempo kernel di differenti SO
• Esempi: FreeBSD Jail, Solaris Zones/Containers, LinuxVServer, OpenVZ (per Linux), Parallels Virtuozzo
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• Validi per virtualizzazione sia a livello hw sia a livello
di SO
• In ambito personale
• In ambito didattico
• In ambito professionale
– Per ambienti di test e sviluppo di applicazioni
• In ambito aziendale
– Per il consolidamento dei server e dei data center
– Per business continuity: ridurre i costi e la complessità
incapsulando interi sistemi in singoli file (system image)
che possono essere replicati e reinstallati su qualsiasi
server
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• PlanetLab: un sistema distribuito collaborativo
caratterizzato da virtualizzazione distribuita
http://www.planet-lab.org/
– Ampio insieme di macchine sparse su Internet
• Più di 1000 nodi in oltre 500 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, …)
Virtualizzazione ed isolamento (Denali, …)
Multicast di livello applicativo (Scribe, …)
Misure di rete (Scriptroute, I3, …)
• M-Lab: nuova piattaforma per lo sviluppo di strumenti
di misura in Internet, è un’evoluzione di PlanetLab
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• 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: ambiente separato 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. 2006.
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• 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
di server virtuali
• 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
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• Migrazione di codice
– In sistemi omogenei
– In sistemi eterogeni
• Migrazione di macchine virtuali
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• 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
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• 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 a Sistemi Informatici Mobili
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• 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?
Usare una macchina virtuale
– Macchina virtuale di processo
– Monitor di macchina virtuale
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• Migrazione di istanze di macchine virtuali tra macchine
fisiche
– Live migration: la VM è in funzione durante la migrazione
– Occorre migrare memoria, storage e connessioni di rete in
modo trasparente alle applicazioni in esecuzione
• Per migrare lo storage:
– Il VMM salva tutti i dati della VM sorgente in un file di
immagine, che viene trasferito sulla VM di destinazione
• Per migrare la memoria:
– Fase di warm-up: il VMM copia le pagine da VM sorgente a VM
di destinazione mentre la VM sorgente è in esecuzione
– Fase di stop-and-copy: la VM sorgente viene fermata e
vengono copiate soltanto le pagine dirty
– Tempo di downtime: da qualche msec a qualche sec, in
funzione della dimensione della memoria, delle applicazioni e
della banda di rete tra le VM
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• Vantaggi rispetto alla migrazione del codice
– La macchina fisica originale può essere smantellata
– Trasferimento consistente ed efficiente dello stato inmemory
• Esempi:
– Supportata da alcune soluzioni già considerate (KVM,
OpenVZ, Xen, VirtualBox, Virtuozzo)
– Come prodotto extra: VMware vMotion
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