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SISTEMAS OPERATIVOS VIRTUALIZACION

Richard Eliseo Mendoza Gafaro
Richard Eliseo Mendoza Gafaro
Richard Eliseo Mendoza GafaroGerente general en NorteTIC SAS, CAPM, PSP Developer at NorteTIC SAS

SISTEMAS OPERATIVOS VIRTUALIZACION

SISTEMAS OPERATIVOS VIRTUALIZACION

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VIRTUALIZACION
Mg.Richard E. Mendoza G.
Agenda
2
1.Introducción
2.Requerimientos para la virtualización
3.Virtualización de CPU
4.Virtualización de la memoria
5.Virtualización de la E/S
Introducción
3
• A efectos de aumentar la confiabilidad de un centro de
cómputos es usual mantener varios servidores
independientes (ej: correo, FTP
, web, DBMS, etc).
• Permite mantener estabilidad en el centro
• Si un servidor cae, no falla todo el sistema
• Altos costos de mantenimiento (hardware duplicado)
• Baja eficiencia en uso de recursos (CPU, discos, memoria,
etc)
• El hardware evoluciona rápidamente y muchas veces se
desea mantener en funcionamiento software diseñado
sobre arquitecturas actualmente obsoletas
• En un equipo de desarrollo se desea testear software
sobre un conjunto importante de sistemas operativos (y
sus diferentes versiones)
Introducción
4
• Solución: Virtualización
• Permite que un único equipo (hardware) soporte N
máquinas virtuales (VM,Virtual Machine)
• Cada máquina virtual es independiente
• Ejecuta su propio SO
• Maneja los recursos del sistema como si fuera una
máquina independiente
• Permite migrar datos fácilmente de un equipo a otro (ej:
balanceo de carga)
• Permite ejecutar aplicaciones heredadas (legacy) en
sistemas operativos que no funcionan en el hardware
actual.
Introducción
• Virtualización introducida en 1972 por IBM en el sistema
VM/370
• SO: CMS (Conversational Monitor System)
• Cada CMS/App ejecuta sobre una máquina 370 virtual
• Cuando CMS intenta utilizar una instrucción privilegiada,
ésta es atrapada por el VMM (VM/370)
5
Introducción
6
• Hipervisor: ejecuta en modo kernel y da soporte a las
máquinas virtuales
• El sistema operativo que ejecuta en la máquina virtual se
denomina Sistema operativo invitado (Guest OS)
• El hipervisor realiza las operaciones que requieren
privilegios en nombre del SO invitado

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  • 2. Agenda 2 1.Introducción 2.Requerimientos para la virtualización 3.Virtualización de CPU 4.Virtualización de la memoria 5.Virtualización de la E/S
  • 3. Introducción 3 • A efectos de aumentar la confiabilidad de un centro de cómputos es usual mantener varios servidores independientes (ej: correo, FTP , web, DBMS, etc). • Permite mantener estabilidad en el centro • Si un servidor cae, no falla todo el sistema • Altos costos de mantenimiento (hardware duplicado) • Baja eficiencia en uso de recursos (CPU, discos, memoria, etc) • El hardware evoluciona rápidamente y muchas veces se desea mantener en funcionamiento software diseñado sobre arquitecturas actualmente obsoletas • En un equipo de desarrollo se desea testear software sobre un conjunto importante de sistemas operativos (y sus diferentes versiones)
  • 4. Introducción 4 • Solución: Virtualización • Permite que un único equipo (hardware) soporte N máquinas virtuales (VM,Virtual Machine) • Cada máquina virtual es independiente • Ejecuta su propio SO • Maneja los recursos del sistema como si fuera una máquina independiente • Permite migrar datos fácilmente de un equipo a otro (ej: balanceo de carga) • Permite ejecutar aplicaciones heredadas (legacy) en sistemas operativos que no funcionan en el hardware actual.
  • 5. Introducción • Virtualización introducida en 1972 por IBM en el sistema VM/370 • SO: CMS (Conversational Monitor System) • Cada CMS/App ejecuta sobre una máquina 370 virtual • Cuando CMS intenta utilizar una instrucción privilegiada, ésta es atrapada por el VMM (VM/370) 5
  • 6. Introducción 6 • Hipervisor: ejecuta en modo kernel y da soporte a las máquinas virtuales • El sistema operativo que ejecuta en la máquina virtual se denomina Sistema operativo invitado (Guest OS) • El hipervisor realiza las operaciones que requieren privilegios en nombre del SO invitado
  • 8. Requerimientospara la virtualización 7 • Una máquina virtualizada debe comportarse igual que una máquina real • Debe tener dos modos: kernel y usuario • Instrucciones sensibles (Popek, Goldberg): • Operaciones E/S • Configuración de MMU • Administración de interrupciones • Las instrucciones sensibles deben ejecutarse en modo kernel • Instrucciones privilegiadas: disparan una trap si son ejecutadas en modo usuario • Para que un sistema pueda soportar virtualización las instrucciones sensibles deben ser un subconjunto de las instrucciones privilegiadas
  • 9. Requerimientospara la virtualización 8 • Intel 386 (486, Pentium, etc hasta 2005) NO cumple dicha propiedad • Se ignoran instrucciones sensibles en modo usuario (POPF no modifica bit de habilitación de interrupciones) • Hay instrucciones que pueden leer el estado sensible en modo usuario sin producir una trap. • Ej: El SO virtualizado puede detectar que está en realidad en modo usuario • Intel con tecnología VT (Virtualization Technology) agrega soporte para generar trap al ejecutar instrucciones sensibles.
  • 11. Virtualizaciónde CPU 11 • Se definen varios mecanismos de virtualización • Hipervisores de tipo 1 (y tipo 0) • Hipervisores de tipo 2 • Paravirtualización • Emulación de plataforma • Virtualización de aplicaciones
  • 12. Virtualizaciónde CPU - Hipervisores de tipo 1 • El hipervisor de tipo 1 ejecuta en modo kernel • Cada VM se ejecuta como un proceso de usuario en modo usuario • Modo kernel virtual • Modo usuario virtual • Cuando la VM ejecuta una instrucción sensible, se produce una trap que procesa el hipervisor. • Instrucción sensible ejecutada por SO invitado, se ejecuta a través del hipervisor • Instrucción sensible ejecutada por programa de usuario en VM, emula funcionamiento del hardware real 12
  • 13. Virtualizaciónde CPU - Hipervisores de tipo 2 • El hipervisor de tipo 2 ejecuta en modo usuario como un proceso más del SO anfitrión • Permite la virtualización en arquitecturas que no cumplen con las hipótesis de Popek & Goldberg • Aplican traducción binaria • El hipervisor analiza el flujo de ejecución (bloques de código) y “traduce” las instrucciones sensibles por llamadas al hipervisor. • Los bloques traducidos son ejecutados por la CPU directamente. 13
  • 14. Virtualizaciónde CPU - Hipervisores de tipo 2 14 • Todas las instrucciones sensibles se sustituyen mediante llamadas a procedimientos que emulan estas instrucciones. • Cada bloque de código es traducido y almacenado en un cache • Un único punto de entrada por bloque • Sin saltos ni llamadas ni interrupciones • Cada bloque termina en un salto, llamada o interrupción • Se inspecciona el bloque y se traducen las instrucciones sensibles por llamadas al hipervisor, y la instrucción final (salto, llamada o interrupción) por llamada al hipervisor
  • 15. Virtualizaciónde CPU - Hipervisores de tipo 2 15 • Comparación de performance de hipervisores de tipo 1 vs tipo 2 • Tipo 1: todas las instrucciones sensibles generan una trap que debe atender el hipervisor (arruina “localidad”, caché de CPU, TLBs, predicción de bifurcación, etc) • Tipo 2: todo el flujo de instrucciones debe ser traducido (costo inicial alto) pero luego quedan en cache y no se produce cambio de contexto al ejecutar instrucción sensible • Hipervisores de tipo 1 también pueden realizar traducción binaria
  • 16. Virtualizaciónde CPU- Paravirtualización • Hipervisores de tipo 1 y tipo 2 funcionan con SO invitados sin modificar • Si permitimos que se modifique el SO invitado para evitar las instrucciones sensibles (llamando, en cambio, al hipervisor) obtenemos paravirtualización. • El SO invitado realiza llamadas al hipervisor en vez de ejecutar instrucciones sensibles a través de una API, ej VMI (Virtual Machine Interface) • Ejemplo: VMI Linux • Si el hipervisor solo soporta SO invitados paravirtualizados estamos ante un microkernel 16
  • 17. VirtualizacióndeCPU-Emulacióndeplataforma– Virtualización de aplicaciones 17 • Emulación de plataforma • Permite crear máquinas virtuales con un hardware distinto del nativo • Lento, debe traducir todas las instrucciones del hardware destino al nativo, emular periféricos, etc • Ejemplo: QEMU • Virtualización de aplicaciones • Aumento de portabilidad (diferentes SO y arquitecturas de hardware) • Ej: Java VM, .NET CLR
  • 18. Virtualización de CPU - Emulaciónde plataforma – Virtualización de aplicaciones
  • 20. Virtualizaciónde la memoria 17 • Manejo de memoria virtual • Tabla de páginas (multinivel) en VM • Debe mapearse a tablas de páginas del hardware real • Ej:SO invitado A crea tabla de páginas con la siguiente asignación • 5 ⇒ 10,8 ⇒ 11,2 ⇒ 12 • SO invitado B ahora crea tabla de páginas con la siguiente asignación • 4 ⇒ 10,5 ⇒ 11,6 ⇒ 12 • El VMM (hipervisor) debe mantener una tabla de páginas oculta (shadow) porque no puede darle los mismos marcos a dos VMs.
  • 21. Virtualizaciónde la memoria 18 • La creación de la tabla de páginas es una acción “sensible”(modifica MMU que genera trap), pero la posterior actualización de la tabla no es sensible. • Posible solución: marcar las paginas de tabla como de solo lectura • Caso SO paravirtualizado: • Se cambian las instrucciones de manejo de MMU por llamadas al hipervisor • Las actualizaciones sobre la tabla de páginas se pueden hacer en modo batch, llamando al hipervisor luego que el SO invitado ha realizado todos los cambios.
  • 22. Virtualizaciónde la memoria- soporte de hardware • Implementa tabla de páginas anidada por hardware (nested page table) 19
  • 24. Virtualizaciónde la E/S 24 • Cada VM piensa que tiene todo el hardware disponible para sí • Ej: discos, impresoras etc • Las operaciones de E/S son sensibles por lo que son tratadas por el hipervisor • Para algunos recursos es preferible virtualizar el dispositivo • Discos representados como un archivo en el FS del SO anfitrión • Permite utilizar nuevo hardware sobre SO que no saben manejarlo
  • 25. Virtualizaciónde la E/S 25 • DMA utiliza direcciones absolutas (físicas), por lo que deben ser traducidas por el hipervisor antes de efectivizarse el DMA. • MMU de E/S virtualizada • Direcciones de red (IP address) • Bridging • Network address translation (NAT)
  • 26. Virtualizaciónde la E/S • Otro método es utilizar una de las máquinas virtuales para que refleje la E/S de todas las VM • A esta VM a veces se le llama dominio 0 • Mayor facilidad para este esquema en sistemas paravirtualizados • Hipervisores de tipo 2 pueden utilizar los drivers del SO anfitrión • Hipervisores de tipo 1 pueden utilizar los drivers del dominio 0 22
  • 27. Otros escenarios de uso para virtualización • Dispositivos virtuales (virtual appliances) • Empaquetan un software junto con sus dependencias dentro de una VM • El usuario final solamente debe ejecutar la VM y con ella el programa que desea • Máquinas virtuales en CPUs multinúcleo • Permiten definir multiprocesadores virtuales • El programador puede determinar cuantas CPUs necesita para su software y armar una configuración de VMs para dar soporte a dicha configuración 23
  • 28. Formando líderes para la construcción de un nuevo país en paz