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Virtual Machine Manager (VMM)

10.05.2018

Unas instrucciones entorno a la virtualización, hace un mes, me llamaron por un problema en una red virtualizada y quisiera poner una luz, en el enorme cacao que hay acerca de este tema.

Entendemos por virtualización el despliegue de una técnica por la que se recrean entornos y dispositivos virtuales (sistemas de almacenamiento, redes, máquinas, etc...). En todo caso se trata de un software que crea un entorno virtual entre la plataforma física de la computadora y el usuario,permitiendo que éste pueda considerar que dispone de un recurso real y que no lo diferencie por sus funcionalidades finales: lo virtual es aquello que tiene una existencia aparente y no es real.

En el caso de una máquina virtual (VM) el corazón del sistema es conocido como monitor de máquina virtual (VMM); se ejecuta sobre el hardware y el sistema operativo (SO).

Una visión historica de la virtualización

La virtualización no es un tema nuevo, de hecho ronda desde hace 40 años. Los primeros usos de la virtualización incluyen elVirtual Machine Manager

IBM 7044, el Sistema de Tiempo Compartido Compatible (CTSS - Compatible Time Sharing System) desarrollado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT - Massachussets Institute of Technology) en el IBM 704. Y el proyecto Atlas de la Universidad de Manchester (uno de los primeros superordenadores del mundo), que fué pionero en el uso de memoria virtual con paginación y llamadas de supervisor.

Tipos de virtualización

La virtualización y los juegos
Un artículo sobre virtualización no estaría completo sin una referencia a MAME (Multiple-Arcade Machine Emulator). MAME, como su propio nombre explica, es un completo emulador de muchos juegos arcade antiguos. AVirtual Machine Manager

demás de virtualizar los procesadores utilizados en esos juegos, se virtualiza la máquina completa, incluyendo el hardware de gráficos, sonido y controles. MAME es una gran aplicación, es muy interesante revisar su código para entender el alcance de lo que ha logrado.

No existe una sola manera de realizar la virtualización. De hecho, existen diversas técnicas que alcanzan el mismo resultado a través de diferentes niveles de abstracción. Esta sección presenta tres de las técnicas de virtualización más comunes en Linux, identificando sus puntos fuertes y sus debilidades. La industria algunas veces utiliza diferentes términos para describir el mismo método de virtualización. Aquí se utilizará el término más común, con referencias a otras denominaciones.

- Hardware / Sistema Operativo / Hypervisor VMM / Maquina Virtual

Este tipo de hypervisor necesita un Sistema Operativo completo para poder ejecutarse

- Hardware / Hypervisor VMM / Maquina Virtual

Este tipo de hypervisor opera como una capa intermedia entre el hardware y los sistemas operativos invitados (Maquinas Virtuales, guest).

Todas las traducciones binarias (binary translation) de CPU, Memoria, Red, Almacenamiento las hace la capa VMM

- Hardware / Hypervisor VMM / Maquina Virtual Nativa o Modificada

Este tipo de hypervisor opera como una capa intermedia entre el hardware y los sistemas operativos invitados (Maquinas VirtuVirtual Machine Manager

ales, guest).

Todas las traducciones binarias (binary translation) Red, Almacenamiento las hace la capa VMM y las traducciones binarias de CPU, Memoria la hace mediante el hardware (hardware assist).

- Hardware / Hypervisor VMM / Maquina Virtual Nativa o Modificada

El VMM (Virtual Machine Monitor) crea una capa de la abstracción entre el hardware de la maquina física (host) y el Virtual Machine Manager

sistema operativo de la maquina virtual (virtual machine, guest), de tal forma que maneja los recursos de las maquinas físicas subyacentes (designadas por el computador central) de una manera que el usuario pueda crear varias maquinas virtuales presentando a cada una de ellas una interfaz del hardware que sea compatible con el sistema operativo elegido.

[pullquote]Esta capa de software (VMM) maneja, gestiona y arbitra los cuatro recursos principales de una computadora (CPU, Memoria, Red, Almacenamiento) y así podrá repartir dinámicamente dichos recursos entre todas las maquinas virtuales definidas en el computador central.[/pullquote]

Traducción de un artículo publicado en IBM Developerworks, escrito por M. Tim Jones. Fuente original: https://www-128.ibm.com/developerworks/linux/library/l-linuxvirt/

Virtualización significa muchas cosas diferentes para diferentes personas. Un aspecto candente en la virtualización es la virtualización de servidores, o como alojar múltiples sistemas operativos independientes en un único ordenador anfitrion. Este artículo explora las ideas tras la virtualización y discute algunas de las múltiples maneras de implementarla. También se revisan diferentes tecnologias de virtualización, como la virtualización de sistema operativo en Linux.

Virtualizar significar aparentar que algo con una forma tiene otra. Virtualizar un ordenador significa aparentar que se trata de múltiples ordenadores o de un ordenador completamente diferente.

Virtualización tambien puede significar conseguir que varios ordenadores parezcan uno solo. A este concepto se le suele denominar agregación de servidores (server aggregation) o grid computing.

Comencemos con los orígenes de la virtualización.

¿ Qué importancia tiene la virtualización ?

Antes de examinar algunas de las opciones de virtualización disponibles hoy en Linux, vamos a examinar las ventajas de la virtualización.

Desde una perspectiva de negocio, hay muchas razones para utilizar virtualización. La mayoría están relacionadas con la consolidación de servidores. Simple, si puedes virtualizar un número de sistemas infrautilizados en un solo servidor, ahorrarás energia, espacio, capacidad de refrigeración y administración ya que tienes menos servidores. Como puede ser difícil determinar el grado de utilización de un servidor, las tecnologias de virtualización soportan la migración en directo. La migración en directo permite que un sistema operativo y sus aplicaciones se muevan a un nuevo servidor para balancear la carga sobre el hardware disponible.

La virtualización también es importante para los desarrolladores. El núcleo Linux ocupa un solo espacio de direcciones, lo que significa que un fallo en el núcleo o en cualquier driver provoca la caída del sistema operativo completo. La virtualización supone que puedes ejecutar varios sistemas operativos, y si uno cae debido a un fallo, el hipervisor y el resto de sistemas operativos continuarán funcionando. Esto puede hacer que depurar el nucleo sea una tarea más parecida a depurar aplicaciones en el espacio del usuario.

Virtualización de hardware

IBM reconoció la importancia de la virtualización en la década de 1960 con el desarrollo del mainframe System/360 Model 67. El Model 67 virtualizó todas las interfaces hardware a través del Monitor de Máquina Virtual (VMM - Virtual Machine Monitor). En los primeros días de la computación, el sistema operativo se llamó supervisor. Con la habilidad de ejecutar sistemas operativos sobre otro sistema operativo, apareció el termino hypervisor (termino acuñado en la década de 1970).

El VMM se ejecutaba directamente sobre el hardware subyacente, permitiendo múltiples máquinas virtuales (VMs). Cada VM podía ejecutar una instancia de su propio sistema operativo privado -- al comienzo este era CMS, o Conversational Monitor System. Las máquinas virtuales han continuado avanzando, y hoy se pueden encontrar ejecutándose en el mainframe System z9. Lo que proporciona compatibilidad hacia atrás, incluso hasta la línea System/360.

Virtualización del procesador

Java Virtual Machine (JVM)
El lenguaje Java ha seguido el modelo P-code en su máquina virtual. Esto ha permitido la amplia distribución de programas Java sobre incontables arquitecturas simplemente portando la JVM.

Otro de los usos iniciales de la virtualización, en este caso de un procesador simulado, es la máquina de pseudo-código (P-code machine). P-code es un lenguaje máquina que se ejecuta en una máquina virtual en lugar de en hardware real. P-code alcanzó la fama en la década de 1970 en el sistema Pascal de la Universidad de California, San Diego (UCSD), que compilaba programas Pascal en P-code (o pseudo-código), y luego los ejecutaba en una máquina virtual P-code. Esto permitió que los programas P-code fuesen muy portables y pudiesen ejecutarse en cualquier lugar donde estuviese disponible una máquina virtual P-code.

El mismo concepto se utilizó en la decada de 1960 para el Basic Combined Programming Language (BCPL), un antepasado del lenguaje C. En este caso, un compilador compilaba código BCPL en un código máquina intermedio llamado O-code. En un segundo paso, el O-code era compilado en el lenguaje nativo de la máquina de destino. Este modelo se utiliza en los compiladores modernos para proporcionar flexibilidad al portar los compiladores hacia nuevas arquitecturas destino (separando el front-end y el back-end por un lenguaje intermedio).

Virtualización del juego de instrucciones

La virtualización del juego de instrucciones, o la traducción binaria, es un aspecto nuevo. En este modelo, un juego de instrucciones virtual se traduce al juego de instrucciones físico del hardware subyacente, normalmente de forma dinámica. Cuando se va a ejecutar el código se realiza la traducción de una porción. Si se produce una ramificación (salto), se obtiene y traduce una nueva porción de código. Este proceso es similar a las operaciones que se realizan con memoria cache, donde bloques de instrucciones se mueven desde la memoria hasta una memoria cache local rápida antes de su ejecución.

La CPU Crusoe diseñada por Transmeta es un ejemplo reciente de este modelo. Esta arquitectura implementa traducción Virtual Machine Manager

binaria bajo la marca registrada Code Morphing. Un ejemplo similar es el análisis de código en tiempo de ejecución utilizado en las soluciones de virtualización completa, que buscan y redirigen instrucciones privilegiadas (para evitar algunos problemas con ciertos juegos de instrucciones).

Emulación Hardware

La virtualización más compleja consiste en la emulación de hardware. Con esta técnica, en el sistema anfitrión se utiliza una máquina virtual que emula el hardware, como muestra la Figura 1.

Emulación y desarrollo
Uno de los usos más interesantes de la emulación hardware es el codesarrollo de firmware y hardware. En lugar de esperar hasta que el hardware real esté disponible, los desarrolladores del firmware pueden utilizar una máquina virtual del hardware para validar muchos detalles de su código en una simulación.

Como puede suponer, el principal problema con la emulación hardware es que puede resultar terriblemente lenta. Ya que cada instrucción debe ser simulada por el hardware subyacente, no es extraño obtener una velocidad 100 veces más lenta. Si se pretende conseguir una emulación muy fiel que incluya precisión en los ciclos, simulación de los pipelines de la CPU, y comportamiento de cache, la diferencia de velocidad real puede ser 1000 veces más lenta.

La emulación de hardware tiene sus ventajas. Por ejemplo, utilizando la emulación hardware, es posible ejecutar un sistema operativo sin modificar diseñado para un PowerPC sobre una máquina anfitrión con procesador ARM. Incluso es posible ejecutar múltiples máquinas virtuales, cada una simulando un procesador diferente.

Virtualización completa

La virtualización completa, también llamada virtualización nativa, es otra interesante técnica de virtualización. Este modelo utiliza una máquina virtual que media entre el sistema operativo invitado y el hardware nativo (ver Figura 2). "Mediar" es la palabra clave aquí porque la VMM está entre el sistema el sistema operativo invitado y el hardware real. Algunas instrucciones protegidas deben capturarse y manejarse dentro del hipervisor ya que el hardware subyacente no es propiedad de un sistema operativo sino que es compartido a través del hipervisor.

Proyectos de virtualización relacionados con Linux

La Tabla 1 muestra diferentes posibilidades de virtualización en Linux, centrándose en aquellas soluciones de código abierto.


Bochs (emulación)

Virtualización a nivel de biblioteca
Aunque aquí no se haya tratado, otro método de virtualización que emula porciones de un sistema operativo a través de una biblioteca es la virtualización a nivel de biblioteca. Algunos ejemplos son Wine (parte de la API Win32 para Linux) y LxRun (parte de la API Linux para Solaris)

Bochs simula un ordenador x86, es portable y se ejecuta sobre diferentes plataforas, incluyendo x86, PowerPC, Alpha, SPARC y MIPS. El interés de Bochs es que no solo emula el procesador sino el ordenador entero, incluyendo los periféricos, como el teclado, ratón, hardware gráfico, adaptadores de red, etc.

Bochs puede configurarse como un antiguo Intel 386, o sucesores como el 486, Pentium, Pentium Pro, o una variante de 64 bits. Incluso emula instrucciones gráficas opcionales como MMX y 3DNow.

Utilizando el emulador Bochs, puedes ejecutar cualquier distribución Linux en Linux, Microsoft Windows 95/98/NT/2000 (y una variedad de aplicaciones) en Linux, incluso los sistemas operativos BSD (FreeBSD, OpenBSD, etc...) sobre Linux.

QEMU (emulación)

QEMU es otro emulador, como Bochs, pero tiene algunas diferencias que son bienvenidas. QEMU soporta dos modos de operación. El primero es el modo de emulación de sistema completo. Este modo es similar a Bochs ya que emula todo un ordenador personal (PC) con su procesador y periféricos. Este modo emula varias arquitecturas, como x86, x86_64, ARM, SPARC, PowerPC y MIPS, con velocidad razonable utilizando traducción dinámica. Utilizando este modo es posible emular los sistemas operativos Windows (incluyendo XP) y Linux sobre Linux, Solaris y FreeBSD. Tambien se soportan otras combinaciones de sistemas operativos (consulte la sección recursos para obtener más información).

QEMU también soporta un segundo modo llamado User Mode Emulation. En este modo, que sólo puede ser alojado en Linux, puede lanzarse un binario para una arquitectura diferente. Esto permite, por ejemplo, que se ejecute en Linux sobre x86 un binario compilado para la arquitectura MIPS. Entre las arquitecturas soportadas por este modo se encuentran ARM, SPARC, PowerPC y otras que están en desarrollo.

VMware (virtualización completa)

VMware es una solución comercial para la virtualización completa. Entre los sistemas operativos alojados y el hardware existe un hipervisor funcionando como capa de abstracción. Esta capa de abstracción permite que cualquier sistema operativo se ejecute sobre el hardware sin ningún conocimiento de cualquier otro sistema operativo alojado.

VMware también virtualiza el hardware de entrada/salida disponible y ubica drivers para dispositivos de alto rendimiento en el hipervisor.

El entorno virtualizado completo se respalda en un fichero, lo que significa que un sistema completo (incluyendo el sistema operativo alojado, la máquina virtual y el hardware virtual) puede migrarse con facilidad y rapidez a una nueva máquina anfitrión para balancear la carga.

z/VM (virtualización completa)

Aunque el IBM System z estrena nombre, realmente tiene una larga historia que se origina en la decada de 1960. El System/360 ya soportaba virtualización utilizando máquinas virtuales en 1965. Es interesante observar que el System z mantiene la retrocompatibilidad hasta la antigua línea System/360.

En el System z, se utiliza como hipervisor del sistema operativo a z/VM. En su interior está el Programa de Control (CP - Control Program), que proporciona la virtualización de los recursos físicos a los sistemas operativos alojados, incluyendo Linux (ver Figura 5). Esto permite que varios procesadores y otros recursos sean virtualizados para un número de sistemas operativos alojados.

Xen (paravirtualización)

Xen es la solución de fuente abierta proporcionada por XenSource para obtener paravirtualización a nivel de sistema operativo. Recuerde que en la paravirtualización el hipervisor y el sistema operativo colaboran en la virtualización, se requieren cambios en el sistema operativo pero se obtiene un rendimiento próximo a la ejecución nativa.

Como Xen precisa colaboración (modificaciones en el sistema operativo alojado), solo pueden virtualizarse en Xen sistemas operativos parcheados. Desde el punto de vista de Linux, que es de fuente abierta, se trata de un compromiso razonable porque se consigue un mejor rendimiento que con la virtualización completa. Pero desde el punto de vista de un soporte amplio (que incluya otros sistemas operativos que no sean de fuente abierta), se trata de un claro inconveniente.

Es posible ejecutar Windows como SO alojado en Xen, pero solo en sistemas hardware que soporten la tecnología Vanderpool de Intel o Pacifica de AMD. Otros sistemas operativos soportados por Xen son: Minix, Plan 9, NetBSD, FreeBSD y OpenSolaris.

User-mode Linux (paravirtualización)

User-mode Linux (UML) permite que un sistema operativo Linux ejecute otros sistemas operativos Linux en el espacio del usuario. Cada sistema operativo Linux alojado existe como un proceso en el sistema operativo Linux anfitrión (ver Figura 6). Lo que permite a varios núcleos Linux (con sus propios espacios de usuario asociados) ejecutarse en el contexto de un solo núcleo Linux.

Desde el núcleo Linux 2.6, UML se encuentra en la rama principal del núcleo, pero debe ser activado y recompilado antes de utilizarse. Estos cambios proporcionan, entre otras cosas, virtualización de dispositivos. Lo que permite a los sistemas operativos alojados compartir los dispositivos físicos disponibles, como los dispositivos de bloques (floppy, CD-ROM, y sistemas de ficheros), consolas, dispositivos NIC, hardware de sonido y otros.

Puesto que los núcleos alojados se ejecutan en el espacio del usuario deben estar compilados para este uso (aunque puede tratarse de diferentes versiones del núcleo). Existirá un núcleo anfitrión (que se ejecutará sobre el hardware) y uno o varios núcleos alojados (que se ejecutarán en el espacio de usuario del núcleo anfitrión). Es posible anidar estos núcleos, de manera que un núcleo alojado actúe como anfitrión de otro.

Linux-VServer (virtualización a nivel de sistema operativo)

Linux-VServer es una solución de virtualización a nivel de sistema operativo. Linux-VServer virtualiza el núcleo Linux de manera que varios entornos de espacio de usuario, también llamados Virtual Private Servers (VPS), se ejecutan de foma independiente sin tener conocimiento del resto. El aislamiento del espacio de usuario se consigue gracias a diferentes modificaciones del núcleo Linux.

Para aislar cada uno de los espacios de usuario del resto hay que estudiar el concepto de un contexto. Un contexto es un contenedor para los procesos de un VPS, de manera que herramientas como ps solo muestran información sobre los procesos del VPS. Para el arranque inicial el núcleo define un contexto por defeto. Tambien existe un contexto espectador para la administración (ver todos los procesos en ejecución). Como puede suponer, tanto el núcleo como las estructuras internas de datos se han modificado para dar soporte a esta técnica de virtualización.

Con Linux-VServer también se utiliza un tipo de chroot para aislar el directorio raíz de cada VPS. Recuerde que una chroot permite que se especifique un nuevo directorio raíz, además se utilizan otras funciones (llamadas Chroot-Barrier) para que un VPS no pueda escapar desde su confinamiento en el directorio raíz. Cada VPS cuenta con su propia raíz y lista de usuarios y contraseñas.

Linux-VServer está soportado en los núcleos Linux v2.4 y v2.6, pudiendo funcionar sobre diferentes plataformas: x86, x86-64, SPARC, MIPS, ARM y PowerPC.

OpenVZ (virtualización a nivel de sistema operativo)

OpenVZ es otra solución de virtualización a nivel de sistema operativo, como Linux-VServer, pero tiene algunas diferencias interesantes. OpenVZ es un núcleo modificado para la virtualización que soporta espacios de usuario aislados, VPS, con un conjunto de herramientas de usuario para la administración. Por ejemplo, es fácil crear un nuevo VPS desde la línea de comandos:

Listado1. Creación de un VPS desde la línea de comandos

$ vzctl create 42 --ostemplate fedora-core-4 Creating VPS private area VPS private area was created $ vzctl start 42 Starting VPS ... VPS is mounted

También puede listar los VPSs creados con vzlist, que opera de una forma similar al comando ps.

Para planificar los procesos, OpenVZ utiliza un planificador de dos niveles. Primero se determina qué VPS debe obtener la CPU. Después, el segundo nivel del planificador escoge el proceso a ejecutar basándose en las prioridades standard de Linux.

OpenVZ también incluye los llamados beancounters. Un beancounter consiste en un número de parámetros que definen la distribución de recursos para un VPS. Esto proporciona cierto nivel de control sobre un VPS, definiendo la cantidad de memoria y el número de objetos para la comunicación entre procesos (IPC) disponibles.

Una característica única de OpenVZ es la habilidad de establecer un punto de control y migrar un VPS desde un servidor físico a otro. Establecer un punto de control significa que el estado de un VPS en ejecución se congela y se guarda en un fichero. Este fichero puede llevarse a un nuevo servidor para restaurar la ejecución del VPS.

Entre las arquitecturas soportadas por OpenVZ se encuentran: x86, x86-64 y PowerPC.

Soporte hardware para la virtualización completa y la paravirtualización

Recuerde que la arquitectura IA-32 (x86) crea ciertos problemas cuando se intenta virtualizar. Algunas instrucciones del modo privilegiado no se pueden capturar y pueden devolver diferentes resultados en función del modo. Por ejemplo, la instrucción STR recupera el estado de seguridad, pero el valor que retorna depende del nivel de privilegios de quien realizó la ejecución. Lo que es problemático cuando se intenta virtualizar diferentes sistemas operativos en diferentes niveles. Por ejemplo, la arquitectura x86 soporta cuatro anillos de protección, el nivel 0 (mayor privilegio) normalmente ejecuta el sistema operativo, los niveles 1 y 2 dan soporte a los servicios del sistema operativo, y el nivel 3 (el menor de los privilegios) soporta las aplicaciones. Los fabricantes de hardware han detectado este defecto (y otros), y han producido nuevos diseños que soportan y aceleran la virtualización.

Intel está produciendo una nueva tecnologia de virtualización que soportará hipervisores en dos de sus arquitecturas, tanto en x86 (VT-x) como en Itanium (VT-i). VT-x soporta dos nuevos modos de operación, uno para la VMM (root) y otro para los sistemas operativos hospedados (no root). En el modo root se cuentan con todos los privilegios, mientras que en el modo no root no se tienen privilegios (incluso para el nivel 0). La arquitectura también permite cierta flexibilidad al definir las instrucciones que provocan que una VM (sistema operativo hospedado) retorne al VMM y almacene el estado del procesador. También se han añadido otras capacidades, consulte la sección recursos.

AMD está produciendo la tecnologia Pacifica en la que el hardware asiste a la virtualización. Entre otras cosas, Pacifica mantiene un bloque de control para los sistemas operativos hospedados que se guarda con la ejecución de instrucciones especiales. La instrucción VMRUN permite a una máquina virtual (y sus sistema operativo hospedado asociado) ejecutarse hasta que el VMM recupere el control (lo que también es configurable). Las opciones de configuración permiten que el VMM adapte los privilegios de cada uno de los huespedes. Pacifica también compensa la traducción de direcciones con unidades de gestión de memoria (MMU) para el anfitrion y los huespedes.

Estas nuevas tecnologias pueden utilizarse en varias de las técnicas de virtualización que se han discutido, como Xen, VMware, User-mode Linux y otras.

Linux KVM (Kernel Virtual Machine)

Las notícias más recientes que provienen de Linux son la incorporación de KVM en el núcleo (2.6.20). KVM es una completa solución de virtualización única al convertir al núcleo Linux en un hipervisor utilizando un módulo del núcleo. Este módulo permite a otros sistemas operativos alojados ejecutarse en el espacio de usuario del núcleo Linux anfitrión (ver Figura 7). El módulo KVM en el núcleo expone el hardware virtualizado a través del dispositivo de carácteres /dev/kvm. El sistema operativo alojado se comunica con el módulo KVM utilizando un proceso que ejecuta un QEMU modificado para obtener la emulación de hardware.

El módulo KVM introduce un nuevo modo de ejecución en el núcleo. Donde el kernel vanilla (standard) aporta el modo kernel y el modo user, KVM aporta el modo guest. Este modo es utilizado para ejecutar todo el código del huesped en el que no se utiliza entrada/salida, y el modo normal de usuario proporciona la entrada/salida para los huespedes.

La presentación de KVM es una interesante evolución de Linux, ya que es la primera tecnologia de virtualización que pasa a formar parte del propio núcleo Linux. Existe en la rama 2.6.20, pero puede utilizarse como un módulo del núcleo en la versión 2.6.19. Cuando se ejecuta en hardware que soporta la virtualización es posible hospedar a Linux (32 y 64 bits) y Windows (32 bits). Para más información sobre KVM consulte la sección de recursos.

Resumen

La virtualización es la nueva estrella, si se puede llamar "nuevo" a algo con unos 40 años de antiguedad. Históricamente se ha utilizado en diferentes situaciones, pero en la actualidad su principal interés es la virtualización de servidores y sistemas operativos. Como Linux, la virtualización proporciona muchas opciones de rendimiento, portabilidad y flexibilidad. Lo que significa que puede escoger la solución que mejor se ajusta a sus necesidades y a su aplicación.

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