Introducción á Virtualización

Introducción á Virtualización

A virtualización consiste na creación a través de software dunha versión virtual de algún recurso tecnolóxico, como pode ser unha plataforma hardware, un dispositivo de almacenamento ou outros recursos de rede.

A virtualización é moi diversa. Exemplos de virtualización, son a memoria virtual (na que se mapea no espacio de direccións de memoria RAM espazo de almacenamento situado fora de ella de xeito que o sistema a recoñece como espacio RAM normal), as VPN (Virtual Private Network) na que se emula unha rede local entre equipos situados en redes distintas, ou software que emula determinado hardware no que se poden executar aplicacións nativas como os emuladores de consolas. En xeral, podemos distinguir entre varios tipos de virtualización:

• Virtualización Hardware

Tamén coñecido como virtualización de plataformas, fai referencia á creación de máquinas virtuais que actúan como ordenadores normais co seu propio sistema operativo. O software que se executa nesas máquinas virtuais non accede directamente aos recursos hardware, se non que o fai a través dun software chamado hypervisor ou virtual machine monitor, que é o que vai a determiñar o modo no que o sistema virtualizado actúa co hardware real da máquina.

A máquina real recibe o nome de Host, mentras que a máquina virtualizada denomínase Guest.

Existen dous tipos de hypervisores, aqueles que funcionan directamente sobre o hardware xestionando as máquinas virtuais (tipo 1 ou bare-metal), e os que funcionan sobre un sistema operativo (tipo 2).

Podemos distinguir entre 3 tipos principais de virtualización:

• Full Virtualization ou Virtualización Hardware (HV) - Se virtualiza prácticamente todo o hardware da máquina
• Partial Virtualization - Non é necesario virtualizar certos elementos hardware
• Paravirtualization (PV) - Non se virtualiza o hardware, pero é posible executar aplicacións e sistemas operativos en entornos completamente aillados, como si dispuxeran dunha máquina exclusiva para eles.

Tanto a virtualización parcial, como a paravirtualización precisan de modificacións no sistema emulado (guest) para o seu funcinonamento, mentras que na virtualización completa non. Sen embargo, o rendimento é maior canta menos virtualización se utilice. A virtualización parcial consegue este obxectivo mediante na instalación no sistema guest de drivers paravirtualizados, sobre todo de disco, rede e memoria.

Debido á crecente importancia da virtualización hardware, as modernas CPU proporcionan asistencia hardware para a virtualización (como AMD-V ou VT-X) que proporcionan aos sistemas de Virtualización Hardware un gran rendimento, muy próximo aos sistemas paravirtualizados.

• Virtualización de Desktop (VDI)

Consiste en separar o escritorio sobre o que traballa o usuario do sistema físico. O usuario interactúa co seu sistema utilizando outro ordenador mediante unha conexión de rede, como unha LAN ou a través de Internet. O sistema Host será normalmente un servidor capaz de almacenar e executar múltiples máquinas virtuais ao mesmo tempo para distintos usuarios, e o usuario mediante a conexión de rede obten acceso a unha de elas.

• Virtualizacion a nivel de Sistema Operativo

Consiste en que baixo un kernel común se divide o sistema en varias partes que se comportarán como máquinas individuais. O sistema operativo proporciona entornos aillados baixo os que executarán as distintas aplicacións de usuario. Exemplos son Solaris Zones, OpenVZ/Virtuozzo ou LXC.

• Virtualización de Memoria

Os servizos de virtualización de memoria permiten que o sistema acceda a un rango de direccións de memoria que non se corresponden coa realmente instalada, este rango é mapeado logo por un xestor de memoria ás direccións físicas. Deste xeito se pode por exemplo, utilizar máis RAM da dispoñible simulándoa en outro tipo de dispositivos, ou facilitar que varios programas accedan as mesmas direccións de memoria sen interferir, o que permite a multitarefa real. Outro tipo de virtualización de memoria consiste no uso da memoria RAM de ordenadores de un cluster para crear un Pool de memoria que poderán utilizar todos os equipos e aplicacións do cluster.

• Virtualización do Almacenamento

Se trata de separar o almacenamento lóxico dos datos do seu almacenamento físico, de xeito que se poda acceder á información sen preocuparse dos dispositivos de almacenamento físicos nin da súa localización. Exemplos de este tipo de virtualización son o manexo lóxico de volumes (LVM en Linux, LDM ou discos dinámicos en Windows), sistemas RAID e JBOD, ou sistemas de rede como iSCSI ou Fiber Channel.

• Virtualización de Acceso aos Datos

Trátase de facilitar o acceso a fontes de datos diversas a través dunha única capa que nos permite non ter en conta o seu sistema de almacenamento empregado realmente, como ODBC ou JDBC.

• Virtualización de Redes

A virtualización de redes consiste na combinacíón de recursos de rede hardware e software nunha única entidade basada en software chamada rede virtual. A rede virtual pode ser externa, combinando múltples redes ou partes de redes nunha unidade virtual, ou interna, proporcionando funcionalidade de rede a contenedores software nun único sistema.

Ferramentas de Virtualización

Existen distintos sistemas que implementan Virtualization Hardware. Os máis importantes son Xen, VMWare, VirtualBox, KVM/Qemu e Microsoft Hyper-V. A maior parte de estes sistemas implementan certo grado de paravirtualización mediante drivers especiais que permiten un acceso máis directo ao hardware real da máquina.

Entre as características principais de estes sistemas de máquinas virtuais atópanse o snapshotting (crear imáxes do estado da máquina virtual nun instante determiñado, permitindo parar e reanudar a mesma) e a migración que permite mover unha máquina virtual dun host a outro, prácticamente sen interrupción da mesma.

Software de Virtualización de CPU

• Xen

Xen é un hypervisor de tipo 1 ou bare-metal capaz de executar máquinas virtuais en modo hardware (HVM ou Full Virtualization) e paravirtualizadas (PVM) si o kernel ten soporte, como é o caso de Linux. No caso das máquinas virtuais HVM Xen precisa de soporte de virtualización na CPU, e dispon de drivers paravirtualizados para disco, rede e memoria.

Xen é un dos sistemas de virtualización máis extendido e a competencia máis directa con VMWare ESXi, soportando infraestructuras complexas como os servizos ofrecidos por Amazon EC2, una das empresas máis importantes de servizos na nube. Citrix ofrece varios productos comerciais basados en Xen, que como maior ventaxa aportan un panel de control de virtualización chamado XenCenter, de funcionalidade similar a vCenter de VMWare.

Xen foi adquirido pola empresa Citrix, aínda que debido a súa licenza atópase dispoñible en múltiples sistemas. Todos os kernels Linux actuais están preparados para funcionar en Xen en modo de paravirtualización.

• VMWare

VMWare é a empresa líder en virtualización de sistemas. Dispón de numerosos productos, gratuitos e de pago, que proporcionan sistemas de virtualización e paravirtualización permitindo a implantación e xestión de servidores virtualizados (virtualización de infraestructuras facilitando servidores e escritorios) e servizos na nube. Os seus productos principais son:

- VMWare WorkStation/Fusion/Player: Permiten a execución de máquinas virtuais baixo o sistema operativo anfitrión (Type 2 Hypervisors).

- VMWare ESXi (VMware vSphere Hypervisor): É un sistema que sustitúe ao sistema operativo proporcionando un entorno para a execución de máquinas virtuais. Estas máquinas se xestionan a través da rede mediante outros productos como VMWare vSphere e VMWare vCenter. Esta aproximación é similar a utilizada por Xen.

• VirtualBox

VirtualBox proporciona virtualización multiplataforma (funcionando baixo Windows e Linux) de xeito similar ao ofrecido por VMware Workstation/Player (Tipo 2). Proporciona ademáis certog rao de paravirtualización instalando os virtualbox guest addons, o que porporciona unha maior velocidade e o acceso a máis características do hardware real.

• KVM

KVM (Kernel Virtual Machine) e o heredeiro de qemu, un sistema de máquina virtual multiplataforma. KVM é un dos pilares sobre os que se pretende asentar a nova infraestructura virtual baseada en Linux, en sustitución de Xen, que anteriormente era a adoptada por RedHat na súa plataforma de virtualizacion Red Hat Enterprise Virtualization Server. KVM proporciona certo grado de paravirtualización gracias aos seus drivers paravirtualizados VirtIO para rede, almacenamento e memoria RAM.

De xeito similar ao ofrecido por plataformas como Citrix XenServer, ou VMWare vServer, Red Hat Virtualization Server proporciona un entorno sobre o que se xestionan as distintas máquinas e servidores virtuais.

En xeral, en Linux se dispon de xeito estándar dunha librería de xestión de virtualización chamada libvirt que ofrece unha API que permite xestionar múltiples máquinas virtuais nunha rede, configurando redes virtuais, espazos de almacenamento, migración de máquinas entre hosts... etc. Sobre esta librería se constrúen numerosos sistemas de virtualización como OpenNebula, OpenStack, ou o mesmo RHEVS. libvirt permite xestionar máquinas virtuais de diversos hypervisors, como Xen, VirtualBox, VMWare, LXC ou KVM. Temén existen entornos gráficos de usuario de xestión sinxelos, como virt-manager.

• LXC;

LXC (LinuX Containers) é un sistema de virtualización a nivel de sistema operativo que permite a execución de múltiples entornos baixo un kernel común dun xeito completamente aillado, de xeito que se poden executar servizos de modo independente. A velocidade de execución é idéntica ao do host, sen existir retrasos debidos a algún tipo de emulación hardware (que non existe).

Outra ventaxa é a posibilidade de executar entornos LXC dentro de máquinas virtuais en Full-Virtualization ou paravirtualizadas ao non precisar de acceso as características de virtualización das CPU.

Virtualización de Rede

Cando virtualizamos máquinas, normalmente estas están conectadas en rede seguindo unha topoloxía determiñada. As máquinas virtuais (Guests) están dotadas dunha tarxeta de rede que ten unha correspondencia na máquina real (Hosts), normalmente utilizando parellas de ethernet virtuais (virtual ethernet pairs).

Estas ethernet virtuais se conectan no Host coa rede real mediante pontes que combinadas con regras no firewall ofrencen distintos tipos de conectividade.

Si se teñen switches que o soporten, incluso é posible conectar en redes ailladas máquinas virtuais executándose en distintos Hosts facendo uso de VLANS 802.11q

Pontes

As pontes (bridges) son un xeito de agrupar varios interfaces de rede de xeito que a información que salga por un de eles é vista polos demais. Sería algo similar a un Hub físico no que a saída de un porto pode ser recollida polos demáis. As pontes son un medio moi cómodo para establecer redes virtuais nunha LAN, e para enlazar as máquinas virtuais a rede física de distintos xeitos. Podemos distinguir entre varias configuracións virtuais:

1.- As máquinas virtuais están ailladas.

Non se inclúen as ethernet virtuais correspondentes ás máquina virtuais en ningunha ponte do Host. Deste xeito as máquinas virtuais quedan completamente ailladas a nivel de rede tanto do Host como da LAN/WAN e do resto de máquinas virtuais.

2.- As máquinas virtuais non son accesibles dende a LAN/WAN, pero sí dende o Host. Dende as máquinas virtuais so se accede ao Host.

Se configura unha ponte no Host á que se agrega a ethernet virtual correspondente á máquina virtual, esa ponte terá unha IP correspondente coa LAN virtual que estamos creando e que nos proporcionará conectividade dende o Host hacia a LAN virtual. Poderemos agregar tantas interfaces de máquinas virtuais como desexemos á mesma ponte, co que estarán na mesma LAN, con visibilidade completa entre elas.

3.- As máquinas virtuais non son accesibles dende a LAN/WAN, pero sí dende o Host. Dende as máquinas virtuais temos acceso completo á LAN/WAN.

Se configura igual que no caso 2, pero agregando ademáis no Host reglas SNAT na interface de saída a LAN/WAN.

4.- As máquinas virtuais forman parte da LAN/WAN.

Se configura no Host unha ponte coa IP da rede local do Host e se lle agrega a ethernet de conexión coa LAN/WAN sen IP. As ethernet virtuais correspondentes coas maquinas virtuais que queiramos situar na LAN/WAN se agregarán a esta ponte.

OpenVSwitch

Open vSwitch é un switch virtual multicapa licenciado baixo a licencia libre Apache 2.0. Está diseñado para a automatización da configuración das redes mediante programa, dando soporte a protocolos e ferramentas de control estándar (NetFlow, sFlow, SPAN, RSPAN, CLI, LACP, 802.1ag...). Tamén soporta a súa distribución a través de varios servidores físicos dun xeito similar ao Switch virtual de VMWare ou a Nexus 1000V de Cisco.

As súas características son as seguintes:

• Visibilidade e comunicación entre máquinas virtuais mediatne NetFlow, sFlow, SPAN, RSPAN e túneis GRE.
• LACP (IEEE 802.1AX-2008)
• VLAN 802.1q con trunking
• Un subconxunto do estándar 802.1ag para monitorización de enlaces CCM
• STP (IEE 802.1D-1998)
• QoS fino
• HFSC qdisc
• Políticas de tráfico por cada máquina virtual.
• Soporte de OpenFLow con múltiples extensións para virtualización
• IPv6
• Soporta varios protocolos de tunneling (Ethernet over GRE, CAPWAP, IPsec, GRE over IPsec).
• Protocolo de configuración remota, con interface en Python
• Compatibilidade coas pontes (bridges) de Linux
• Opción de forwarding a nivel de Kernel e de usuario.
• Capa de abstracción do forwarding para facilitar portar as aplicacións.

Os hypervisores necesitan dirixir o tráfico entre as máquinas virtuais e co exterior. Nos hypervisores basados en Linux, normalmente de utiliza un switch da capa 2 (L2), o bridge de Linux, que é rápido e fiable. Open vSwitch está pensado para instalacións de virtualización con múltiples servidores, para o que o bridge de Linux non está tan ben preparado. Entre outras cousas, Open vSwitch ofrece:

• Movilidade do estado: Todo o estado asociado cunha entidade da rede (máquina virtual) é migrable entre distintos hosts. Si unha máquina virtual migra entre varios hosts non so é posible migrar a información da rede asociada, si non tamén o estado actual da rede.

• Resposta dinámica á rede: As redes de máquinas virtuais están sometidas a continuos cambios. As máquinas virtuais se encienden e apagan, cambian de redes lóxicas... etc. OpenvSwitch permite ao sistema de control da rede responder a estes cambios ofrecendo tecnoloxías como NetFlow, sFlow ou OVSDB. Deste xeito, o software de control pode examinar varios aspectos da configuración da rede e responder aos cambios.

• Soporta tags nos paquetes IP para a xestión de VLANS 802.11q
• Soporta múltiples túneis GRE xestionables de modo remoto.
• Open vSwitch se está integrando en algúns dispositivos hardware. Co que a xestión dos mesmos estará máis integrada co entorno virtual.

Operación Básica con OpenVSwitch

OpenVSwitch opera creando pontes que funcionarán como switches virtuais. A cada ponte, se lle poderá asignar unha dirección IP, que será a IP de xestion do switch virtual. A esas pontes se lle irán agregando portos, que se corresponden coas interfaces de rede que formarán parte da ponte. Deste xeito, as operacións máis comúns con OpenVSwitch son:

Visualizar a configuración actual

ovs-vsctl show

Crear un switch

ovs-vsctl add-br nomeSwitch

Agregar un porto (interface) a un switch (ponte)

ovs-vsctl add-if nomeSwitch interface

Poñer unha etiqueta 802.1q a un porto

ovs-vsctl set port interface tag=PVID

Quitar a etiqueta 802.1q de un porto

ovs-vsctl remove port interface tag PVID

Eliminar un porto de un switch

ovs-vsctl del-if interface

Eliminar un switch

ovs-vsctl del-br nomeSwitch

Hoxe en día pódese operar ao mesmo tempo con pontes (bridges) e OpenVSwitch, aínda que non é aconsellable.

A configuración feita nos switches (as pontes e interfaces, non as IP) se almacenan nunha base de datos, de xeito que se conserva entre reinicios da máquina.

Existe un módulo de compatibilidade (openvswitch-brcompat) que fai que as operacións que se realizarían sobre unha ponte, se realicen sobre OpenVSwitch de xeito automático, o que evita a reconfiguración de aplicacións que actualmente utilizan o bridge

VLANS 802.1q

Unha LAN (Local Area Network) é un conxunto de ordenadores conectados entre sí mediante switches ou hubs. Unha LAN inclúe todos os sistemas no dominio broadcast. E decir, todos os sistemas nunha LAN recibirán os paquetes de broadcast emitidos por calqueira membro da LAN. Segundo esta definición os límites da LAN estan definidos polos routers ou outros dispositivos da Capa 3 OSI (Capa de Rede).

Unha VLAN é unha LAN virtual. Consiste en aillar determinados equipos dunha LAN de xeito que únicamente teñan conectividade entre eles. Un switch con capacidade VLAN poderá participar en varias LAN ao mesmo tempo.

Algunhos switches implementan VLAN Trunking. Un Trunk é un porto que permite extender unha VLAN entre varios switches incorporando un identificador a cada paquete que o atravesa, de modo que no destiño se poda identificar a que VLAN corresponde.

Existen diversos modods de implementar Trunks VLAN. Os dous principais protocolos son ISL e 802.1q. ISL foi creado por Cisco e é unha tecnoloxía propietaria, posterioremente se desenvolveu o estándar aberto 802.1q.

Funcionamento de 802.1q

Nunha VLAN 802.1q os portos poden ser de dous tipos: Trunks ou Access Ports. En un Trunk (tagged) os paquetes IP que saen do switch conservarán a marca da VLAN que os orixina, mentras que nos Access Ports (untagged) os paquetes saen sen marcar. Cando un paquete IP chega a un porto, se examina a súa marca e únicamente se lle permite dirixirse aos portos da VLAN correspondente, no caso de que o paquete non estivera marcado, se lle pon a marca correspondente co PVID do porto receptor.

Cando utilizamos VLANS 802.1q temos que distinguir entre a VLAN nativa ou default, que non leva asociada ningunha marca e utiliza normalmente como VID e PVID 1, e o resto de VLAN que sí levan asociadas marcas identificativas.

Un porto untagged únicamente pode estar presente nunha VLAN, mentras que os portos tagged poden estar presentes en varias

802.1q en Linux

Linux dispón de soporte para VLAN 802.1q. O soporte a nivel de usuario ven proporcionado tanto polo switch virtual openvswitch, como polo paquete vlan.

soporte mediante vlan (vconfig)

O paquete linux vlan nos proporcionará a utilidade vconfig, que se pode utilizar para manexar a pertencia dos dispositivos de rede a VLANS 802.11q. Si utilizamos vconfig precisamos o módulo do kernel 8021q.

Normalmente, si queremos que un equipo conectado á rede mediante eth0 se conecte a unha (ou varias) VLANS 802.1q, lle quitaremos a IP a tarxeta real (eth0) cuidando que se active e poñemos a IP no interface virtual da VLAN desexada:

   ifconfig eth0 0.0.0.0 up
   vconfig add eth0 2   #Creamos unha ethernet virtual que corresponde coa eth0 na VLAN 2 (trunk)

Esto creará unha ethernet virtual, á que lle poñeremos a IP desexada para a VLAN 2 (normalmente se chamará eth0.2, pero podemos averigualo con ifconfig -a)

Para eliminar unha interface dunha VLAN utilizaremos o comando rem de vconfig:

  vconfig rem eth0.2

Outras opcións de este comando nos permitirán por exemplo incluír información de QoS (Quality Of Service).

soporte mediante openvswitch

OpenVSwitch inclúe xa soporte 802.1q, polo que non precisa da utilidade vconfig. Para que un porto agregado a o switch pertenzca a unha VLAN determiñada, o indicamos do seguinte xeito:

   ovs-vsctl set port veth0 tag=2

Si queremos quitar o porto da VLAN:

   ovs-vsctl remove port veth0 tag 2

Virtualización do Almacenamento

Cando falamos de virtualización do almacenamento podemos estar referíndonos a múltiples sistemas con obxectivos diversos, como o RAID, ou os volumes de disco. Neste caso, nos referimos a provisionar almacenamento para a execución de máquinas virtuais.

As máquinas virtuais poden almacenarse de diferentes xeitos:

• Nunha partición do disco: Se instala o sistema nunha partición do disco, e se arranca desde un sistema de virtualización.
• Nun volume lóxico LVM: É similar ao anterior, pero aproveitando as características ofrecidas por LVM, como o snapshotting ou o dinamismo do espazo.
• Nun arquivo que actúa como un disco para a máquina virtual
• Nun SAN mediante tecnoloxías do tipo iSCSI: E similar ao caso dunha partición, salvo que o "disco" reside nun sistema remoto.
• Nun NAS mediante un protocolo de compartición de arquivos NFS,SMB/CIFS: E similar ao caso do arquivo, pero neste caso, o arquivo reside nun sistema remoto.

O sistema máis flexible (aínda que non o máis eficiente, que sería a almacenaxe directa no espazo físico, xa sexa nunha partición ou nun volume lóxico) é sin duda o almacenamento en un arquivo, xa que permite a copia e distribución das máquinas virtuais con moita facilidade. Cada hypervisor ten o seu propio formato de arquivo, aínda que hoxe en día é moi común que un hypervisor poda traballar con varios. Os principais formatos son:

RAW

O ficheiro se trata como si fora un disco real. E o formato que proporciona máis velocidade, pero non dispón de ningunha característica extra.

QCOW2

Este formato é o principal do hypervisor KVM, e nos ofrece as seguintes posibilidades:

• Crecimento dinámico (Sparse Disk): Aínda que creemos un disco enorme, a imaxe sempre ocupará o mínimo imprescindible.
• Snapshotting/Copy on Write: É posible crear unha imaxe que sexa unha instantánea de outra xa dispoñible. A instantánea pode utilizarse como unha nova máquina virtual idéntica á orixinal, e únicamente almacenará as diferencias producidas con esta durante o seu uso. Esto permite a rápida creación de novas máquinas virtuais (menos de un segundo) a partir de instalacións base ou plantillas.
• Xestión do espazo: Este tipo de imaxenes nos permiten a redimensión do espazo asignado dun xeito simple.

VMDK

E o formato principal do hypervisor Vmware, ademáis do propio disco garda información da máquina virtual e do hardware instalado. Permite Crecimento dinámico (Sparse), Snapshotting e Xestión do espazo.

VDI

E o formato principal do hypervisor Virtualbox. Soporta Crecimento dinámico, Snapshotting, Discos compartibles (utilizables por varias VM ao mesmo tempo) e Discos Inmutables (descartan os cambios producidos ao apagar a VM).

OVF e un formato aberto estándar para a distribución de máquinas virtuais (virtual appliances) independente do hypervisor a utilizar. Hoxe en día está soportado por gran parte da industria da virtualización, como VMWare, Oracle (Virtualbox) e Citrix XenServer