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

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