Introduzione alla virtualizzazione

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Introduzione alla virtualizzazione

Marco Caberletti

Formazione MCloud WP1 – Ancona 18-19 Marzo 2013

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Indice

• Concetti Generali

• Definizioni

• Tipologie di virtualizzazione

• Vantaggi e svantaggi

• Linux KVM e Libvirt

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Concetti Generali (1)

• Informalmente, con virtualizzazione si intende la creazione di una versione virtuale di qualcosa

 Piattaforma hardware, sistema operativo, dispositivo di storage o risorsa di rete.

• Alla base di tutte le tecnologie di virtualizzazione c'è l'astrazione:

 Creare un livello di intermedio tra l'hardware/sistema operativo e le applicazioni che semplifica e nasconde i dettagli sottostanti

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Concetti Generali (2)

• Consente di eseguire un programma in un ambiente sempre identico, detto macchina virtuale, senza

sapere su che hardware/sistema operativo sia effettivamente in esecuzione.

 Es. Java JVM

• Per le applicazioni,

l'ambiente virtuale è del tutto identico ad un

ambiente fisico.

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Tipi di virtualizzazione

• Quando i sistemi virtuali usano un instruction set differente da quello del sistema fisico, si parla di emulazione.

 Esempio: emulare ARM o PowerPC su piattaforma Intel

• Quando invece i sistemi virtuali usano lo stesso set di istruzioni dell'host, si parla propriamente di

virtualizzazione.

 Si differenzia fra virtualizzazione completa e para- virtualizzazione.

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Virtualizzazione completa

• I sistemi operativi delle macchine virtuali (VM), non hanno alcuna consapevolezza di essere eseguite

“sopra” ad un hypervisor.

• I sistemi ospite quindi girano senza alcuna modifica.

• Il virtualizzatore

(hypervisor) è incaricato di un grosso lavoro di

traduzione delle chiamate privilegiate (system call) delle VM per renderle eseguibili.

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Para-virtualizzazione

• L'hypervisor presenta alle VM un'interfaccia diversa da quella dell'hardware sottostante, detta hypervisor call o hypercall.

• Sono necessarie modifiche ai sistemi operativi ospiti.

• La maggior parte delle

richieste arriva in maniera diretta all'hardware

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Hypervisor

• Lo strato software che fornisce l'astrazione viene chiamato Virtual Machine Monitor (VMM) o

hypervisor.

• Il suo compito principale è quello di gestire le istruzioni protette delle macchine virtuali.

• Gli hypervisor sono classificati in due modi:

 Tipo 1 o bare metal

 Tipo 2 o hosted

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Hypervisor bare metal

• Sono hypervisor che vengono direttamente eseguiti sull'hardware

• Le funzionalità di virtualizzazione si fondono in un SO

“leggero” che include anche tutti i driver per le

periferiche ed il sistema di gestione/realizzazione delle macchine virtuali.

• Esempi: XEN, VMware vSphere, Parallels Server 4 Bare Metal e Hyper-V.

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Hypervisor hosted

• Sono hypervisor che vengono eseguiti all'interno di un sistema operativo

• Vengono installati come applicazioni in user-space ed utilizzano le system call per eseguire le istruzioni

privilegiate.

• Esempio: Oracle VirtualBox.

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Linux KVM (1)

• KVM (Kernel-based Virtual Machine) non appartiene a nessuna delle precedenti classificazioni.

• Il sistema di virtualizzazione è realizzato come un modulo del kernel Linux.

• Permette di eseguire processi, oltre che nelle modalità kernel e user, in una modalità chiamata guest mode.

• Quest'ultima trasforma il kernel in un vero e proprio hypervisor, dove le macchine virtuali girano come semplici processi.

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Linux KVM (2)

• Un processo in modalità guest, ha la possibilità di

eseguire codice sia in user che in kernel mode, come permesso dalle estensioni Intel VT e AMD-V dei nuovi processori.

--> Serve supporto hardware per usare KVM

--> Tutti i processori degli ultimi anni lo supportano

• La gestione della memoria è affidata alle tecnologie

EPT e NPT di Intel e AMD, che permettono la gestione diretta delle page table e dei fault da parte delle

macchine virtuali.

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Linux KVM (3)

• Componenti principali di KVM:

 Modulo KVM e il device /dev/kvm

 QEMU

 I processi che rappresentano le VM

• /dev/kvm è un dispositivo a caratteri che fa da interfaccia con il sistema di virtualizzazione.

• QEMU realizza le interfacce di I/O quali dischi, schede di rete e CD-ROM. E' in grado di realizzare via

software tutte le componenti di un PC.

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Linux KVM (4)

• Schema della virtualizzazione con KVM:

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Vantaggi (1)

• Server consolidation

 Molte VM su una sola macchina fisica

 Riduce i costi di acquisizione dell'hardware e semplifica operazioni come monitoring e amministrazione

• Sandboxing

 Isolare applicazioni

 Sviluppo, test e debug di codice

 Creazione ambiente per applicazioni legacy

• Creazione delle VM on demand

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Vantaggi (2)

• Disaccoppia hardware dal software

 Suspend/Resume delle VM

 Migrazione di VM fra server fisici

• Test di nuove versioni di SO e applicazioni

• Emulazione di hardware non presente sulla macchina fisica

• Esecuzione di applicazioni non compatibili col sistema operativo della macchina fisica

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Svantaggi

• Sicurezza

 Si mettono sullo stesso hardware diversi SO, gestiti da un software: è noto che non esiste software privo di bug

• Performance

 Overhead per la macchina fisica

 Minori prestazioni per la VM, soprattutto nell'I/O

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Performance (1)

• Performance CPU:

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Performance (2)

• Performance della banda di rete:

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Performance (3)

• Performance dell'I/O su disco:

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Libvirt (1)

• Hypervisor diversi adottano strumenti di gestione diversi.

• Libvirt è un set di librerie sviluppato con lo scopo di creare una soluzione unica e trasparente per gestire sistemi di virtualizzazione ad alto livello.

• Sono compatibili con i principali sistemi di virtualizzazione:

 Oltre a XEN, KVM, e VirtualBox, supporta anche VMware, LXC, OpenVZ e UML

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Libvirt (2)

• Offrono binding per numerosi linguaggi di

programmazione: questo consente di scrivere script o applicazioni in maniera del tutto indipendente

dall'hypervisor utilizzato.

• Esempi:

 Virsh: una shell che fa uso di file XML per descrivere dominii, reti e storage pool

 Virt-manager: un'interfaccia grafica che si appoggia su libvirt, usa sempre file XML

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Libvirt (3)

• Esempio XML

• Descrive la VM e tutte le sue periferiche Core

Hard Disk

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Libvirt (4)

• Alcune operazioni:

# virsh define centos.xml Definisce una VM (senza avviarla)

# virsh start centos Avvia la VM

# virsh list Elenca le VM attive

# virsh reboot centos Riavvia la VM

# virsh shutdown centos Spegne la VM

# virsh destroy centos Elimina la VM

• Si noti che tutti i comandi sono di alto livello, indipendenti dall'hypervisor

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Libvirt (5)

• Libvirt utilizza una terminologia differente per identificare hypervisor e VM:

 hypervisor --> node

 VM --> domain

• Libvirt consente il controllo sia di VM locali, sia di VM remote

 Usa uno speciale tipo di demone, chiamato libvirtd, in esecuzione sui nodi remoti

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Libvirt (6)

• Schema funzionamento libvirt:

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Grazie per l'attenzione Domande?