Virtualización de plataforma: conceptos, tipos de hypervisor y técnicas

U1-Conceptos de la computación en la nube

Virtualización de plataforma

Fundamentos de Computación en la Nube (1ºDAM/1ºDAW) Álvaro García Sánchez (cc CC POR 4.0 Atribución 4.0 Internacional

Introducción 3 Requerimientos 3 Conceptos/componentes 3 Máquina real 3 Software de virtualización 4 Máquina virtual (Virtual Machine) 4 Anfitrión (Host) 4 Invitado (Guest) 5 Hipervisor (Hypervisor) 6 Tipo 1 ("nativo"/"bare-metal"/"unhosted") 7 Tipo 2 ("hosted") 7 Virtualización en clase 9 ¿Qué usan los gigantes? 9 Tipos de virtualización 9 Introducción 9 Emulación 10 Características 10 Arquitectura 10 Ventajas e inconvenientes 10 Ejemplos 11 Completa (y asistida por hardware) 11 Características 11 Arquitectura 11 Extensiones de virtualización x86 12 Ventajas e inconvenientes 13 Ejemplos 13 Paravirtualización 14 Características 14 Arquitectura 14 Ventajas e inconvenientes 14 Ejemplos 15 A nivel de SO (Contenedores) 15 Fundamentos de Computación en la Nube (FCN) - IES Leonardo Da Vinci - Álvaro García 1U1-Conceptos de la computación en la nube Características 15 Tipos 15 Arquitectura 16 Ventajas e inconvenientes 16 Comparativa 17 Ejemplos 17 Virtualización anidada (nested) 17 Usos 19 Ventajas 19 Inconvenientes 20 Comparativa de software de virtualización 20 Referencias 20 Fundamentos de Computación en la Nube (FCN) - IES Leonardo Da Vinci - Álvaro García 2U1-Conceptos de la computación en la nube

Introducción a la virtualización

La virtualización de plataforma consiste en crear múltiples "máquinas virtuales" sobre la misma máquina física. Se abstrae el hardware, sistema completo (máquina) y los usuarios tienen la impresión de tener hardware separado en un único sistema físico.

Máquina virtual Máquina virtual Máquina virtual Máquina real (Hardware)

Requerimientos de virtualización

• Equivalencia / Fidelidad ○ Un programa corriendo bajo un MV debe tener un comportamiento esencialmente idéntico a cuando se ejecuta en una máquina física equivalente.
• Control de recursos / Seguridad ○ El hipervisor debe tener control completo de los recursos virtualizados.
• Eficiencia / Rendimiento ○ Un subconjunto estadísticamente dominante de las instrucciones del procesador virtual debe ser ejecutado por el procesador real (sin intervención del hipervisor).

Conceptos y componentes de virtualización

Máquina real

Máquina real (física) = Hardware real. Aportará los recursos hardware que utilizarán las máquinas virtuales. Fundamentos de Computación en la Nube (FCN) - IES Leonardo Da Vinci - Álvaro García 3U1-Conceptos de la computación en la nube

Máquina virtual (Hardware virtual) Máquina virtual (Hardware virtual) Máquina virtual (Hardware virtual) Máquina real (Hardware)

Software de virtualización

Software que permite realizar la virtualización. Dependiendo de cómo se realice la virtualización este software se "ubicará/ejecutará/situará" de forma diferente.

Máquina virtual (Hardware virtual) Máquina virtual (Hardware virtual) Máquina virtual (Hardware virtual) Software de virtualización Máquina real (Hardware)

Máquina virtual (Virtual Machine)

• Creadas y gestionadas por el software de virtualización.
• Hardware virtual.

Anfitrión (Host)

• Sistema operativo que se ejecuta sobre el hardware real.
• Ejecuta el software de virtualización.
• Controla el hardware real. Fundamentos de Computación en la Nube (FCN) - IES Leonardo Da Vinci - Álvaro García 4U1-Conceptos de la computación en la nube

SO Guest (Invitado) SO Guest (Invitado) SO Guest (Invitado) Máquina virtual (Hardware virtual) Máquina virtual (Hardware virtual) Máquina virtual (Hardware virtual) SO Host (Anfitrión) Máquina real (Hardware)

Aplicaciones Aplicaciones Aplicaciones SO Guest (Invitado) SO Guest (Invitado) SO Guest (Invitado) Máquina virtual (Hardware virtual) Máquina virtual (Hardware virtual) Máquina virtual (Hardware virtual) Aplicaciones SO Host (Anfitrión) Máquina real (Hardware)

Invitado (Guest)

• Invitado o huésped (guest).
• El SO que se ejecuta sobre una máquina virtual. Fundamentos de Computación en la Nube (FCN) - IES Leonardo Da Vinci - Álvaro García 5U1-Conceptos de la computación en la nube

SO Guest (Invitado) SO Guest (Invitado) SO Guest (Invitado) Máquina virtual (Hardware virtual) Máquina virtual (Hardware virtual) Máquina virtual (Hardware virtual) SO Host (Anfitrión) Máquina real (Hardware)

Aplicaciones Aplicaciones Aplicaciones SO Guest (Invitado) SO Guest (Invitado) SO Guest (Invitado) Máquina virtual (Hardware virtual) Máquina virtual (Hardware virtual) Máquina virtual (Hardware virtual) Aplicaciones SO Host (Anfitrión) Máquina real (Hardware)

• Pueden existir múltiples máquinas virtuales sobre la misma máquina real.
• Por lo tanto, puede haber varios invitados en un mismo anfitrión.
• Los invitados no deben interferir entre ellos ni con el anfitrión.

Hipervisor (Hypervisor)

Al software de virtualización se le llama: Hipervisor (Hypervisor). Antiguamente también "supervisor" o Virtual Machine Manager (VMM) Es el anfitrión o se ejecuta sobre el sistema operativo anfitrión. Existen dos tipos de hipervisores: Fundamentos de Computación en la Nube (FCN) - IES Leonardo Da Vinci - Álvaro García 6U1-Conceptos de la computación en la nube

Hipervisor Tipo 1 ("nativo"/"bare-metal"/"unhosted")

• Software que se ejecuta sobre el hardware real.
• Es el anfitrión.
• Gran rendimiento y estabilidad.
• Ideal para entornos empresariales donde es muy importante el rendimiento y la estabilidad.

SO Guest (Invitado) SO Guest (Invitado) SO Guest (Invitado) Máquina virtual (Hardware virtual) Máquina virtual (Hardware virtual) Máquina virtual (Hardware virtual) Software de virtualización Hipervisor (Tipo 1) (Anfitrión) Máquina real (Hardware)

Hipervisor Tipo 2 ("hosted")

• Software que se ejecuta sobre el SO anfitrión.
• Para pruebas y desarrollo. Ideal para experimentar.

SO Guest (Invitado) SO Guest (Invitado) SO Guest (Invitado) Máquina virtual (Hardware virtual) Máquina virtual (Hardware virtual) Máquina virtual (Hardware virtual) Software de virtualización Hipervisor (Tipo 2) SO Host (Anfitrión) Máquina real (Hardware) Fundamentos de Computación en la Nube (FCN) - IES Leonardo Da Vinci - Álvaro García 7U1-Conceptos de la computación en la nube

os OS os HYPER VISOR HYPER VISOR HYPER VISOR OS OS OS HARD WARE HARD WARE TYPE 1 native (bare metal) TYPE 2 hosted

Aplicaciones Aplicaciones Sistema operativo Sistema operativo Hardware Hardware Hipervisor Hardware real

Ejemplos de hipervisores

• Tipo 1 ○ KVM. ○ VMWare EXSi/vSphere. ○ Xen/Citrix Xen Server. ○ Oracle VM Server. ○ Hyper-V Server.
• Tipo 2 vSphere Windows Server Hyper-V" ○ VirtualBox. ○ VMware Workstation. ○ VMWare Player. ○ Quemu. QEMU open source processor emulator VMWARE WORKSTATION 10 La clasificación de un hipervisor como Tipo 1 o Tipo 2 no está siempre clara. Incluso hay productos que pueden actuar tanto como hipervisor de Tipo 1 como de Tipo 2 ( http://en.wikipedia.org/wiki/Hypervisor). Fundamentos de Computación en la Nube (FCN) - IES Leonardo Da Vinci - Álvaro García 8

COS OS OS ¿KVMU1-Conceptos de la computación en la nube

Funciones del Hipervisor

• Permite que diferentes SOs, tareas y configuraciones de software coexistan en una misma máquina física.
• Abstrae los recursos físicos de la máquina anfitriona para las distintas "máquinas virtuales".
• Garantiza el nivel de aislamiento entre los invitados.
• Proporciona una interfaz única para el hardware. En ocasiones se habla de hipervisor de tipo 3 para hablar de virtualización a nivel de sistema operativo (contenedores).

Virtualización en clase

CentOS ubuntu® SO Guest (Invitado) SO Guest (Invitado) debian SO Guest (Invitado) x86-64 Máquina virtual (Hardware virtual) x86-64 Máquina virtual (Hardware virtual) x86-64 Máquina virtual (Hardware virtual) Software de virtualización Hipervisor (Tipo 2) SO Host (Anfitrión) x86-64 Máquina real (Hardware)

¿Qué usan los gigantes?

Investiga qué hipervisores usan AWS, Google Cloud y Microsoft Azure.

Tipos de virtualización

Introducción a los tipos de virtualización

Podemos distinguir cuatro tipos principales de virtualización de plataforma: · Emulación. · Virtualización completa (o nativa) Virtualización asistida por hardware. · Paravirtualización. ○ · Virtualización a nivel de sistema operativo (contenedores). Fundamentos de Computación en la Nube (FCN) - IES Leonardo Da Vinci - Álvaro García 9U1-Conceptos de la computación en la nube

Emulación

Características de la emulación

El hipervisor (realmente un emulador) emula TODO el hardware (incluyendo instrucciones de CPU) de la máquina virtual (de una arquitectura completa, procesador, comunicaciones, ... )

• La máquina virtual puede emular cualquier arquitectura hardware.
• La misma o diferente arquitectura que la máquina real. Por ejemplo: ○ X86 sobre x86. ○ PowerPC sobre x86.
• El SO invitado (sin modificar)/programa se ejecuta sobre la máquina virtual y puede estar diseñado para la misma o distinta arquitectura que el SO anfitrión (sin modificar).

Arquitectura de emulación

Aplicaciones Aplicaciones Aplicaciones SO sin modificar (Invitado) SO sin modificar (Invitado) SO sin modificar (Invitado) Máquina virtual (Hardware Virtual A) Máquina virtual (Hardware Virtual B) Máquina virtual (Hardware Virtual C) Emulador Aplicaciones SO Host (Anfitrión) Máquina real (Hardware A)

Ventajas e inconvenientes de la emulación

• Ventajas ○ Simular hardware que no está físicamente disponible. ○ Se puede emular cualquier arquitectura hardware. ○ Se puede usar cualquier sistema operativo (sin modificar).
• Inconvenientes ○ Bajo rendimiento y alto coste. Fundamentos de Computación en la Nube (FCN) - IES Leonardo Da Vinci - Álvaro García 10U1-Conceptos de la computación en la nube

Ejemplos de emuladores

• Qemu
• Bochs
• Basilisk II Basilisk II PearPC
• PearPC
• MAME
• ScummVM ● Snes9x EX 1.5.33 para Android Robert Broglia

QEMU bochs think inside the bochs. MAME Scumm /M

Virtualización completa (y asistida por hardware)

Características de la virtualización completa

Parecida a la emulación, pero el hipervisor emula el hardware suficiente de la máquina virtual.

• Mejor rendimiento que con emulación. No es necesario emular todo.
• El hypervisor "baja" a un nivel más cercano al hardware.
• Muchas instrucciones se ejecutan directamente en el hardware. La máquina virtual tiene la misma arquitectura hardware que la máquina real. Ejemplo: x86 sobre x86 También denominada virtualización nativa. El SO invitado (sin modificar) se ejecuta sobre la máquina virtual y tiene que estar diseñado para la misma arquitectura que el SO anfitrión (sin modificar). Se suele hablar de:
• Virtualización por hardware cuando se usa un hipervisor de tipo 1.
• Virtualización completa cuando se usa un hipervisor de tipo 2.

Arquitectura de virtualización completa

Aplicaciones Aplicaciones Aplicaciones SO sin modificar (Invitado) SO sin modificar (Invitado) SO sin modificar (Invitado) Máquina virtual (Hardware Virtual A) Máquina virtual (Hardware Virtual A) Máquina virtual (Hardware Virtual A) Aplicaciones Software de virtualización Hipervisor (Tipo 1) (Anfitrión) Máquina real (Hardware A) Fundamentos de Computación en la Nube (FCN) - IES Leonardo Da Vinci - Álvaro García 11