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Máster en Administración y Gestión de
Sistemas Informáticos
Introducción a virtualización
Alejandro Calderón Mateos
UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
Contenidos
¿Qué es la virtualización?
Usos de la virtualización.
¿Para qué utilizar virtualización?
¿Qué opciones hay para virtualizar?
Aspectos en el diseño de un sistema virtualizado
Selección de plataforma tecnológica
Plan de migración
Máster en Administración y Gestión de Sistemas Informáticos
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2
Contenidos
¿Qué es la virtualización?
Usos de la virtualización.
¿Para qué utilizar virtualización?
¿Qué opciones hay para virtualizar?
Aspectos en el diseño de un sistema virtualizado
Selección de plataforma tecnológica
Plan de migración
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‘Googlear’ sobre Virtualización
Es posible buscar información en diversas fuentes:
Wikipedia:
http://en.wikipedia.org/wiki/Virtualization
Foros:
http://virt.kernelnewbies.org/
Curos on-line:
http://www.govirtual.org/docs/DOC-1024
Etc.
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‘Googlear’ sobre Virtualización
Aspectos importantes que encontraremos:
1. El término virtualización no es nuevo:
Se ha usado desde los años 60
2. Se ha aplicado a diferentes aspectos y ámbitos
de la computación:
Componentes, computador completo, servidores,
desktop, etc.
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Virtualización en computación
Virtualización es término muy amplio que se refiere a
la abstracción de los recursos de un computador.
Una técnica para ocultar las características físicas
de los recursos de computación de la forma en la cual otros sistemas,
aplicaciones o usuarios finales interactúan con esos recursos.
Recurso virtual
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Contenidos
¿Qué es la virtualización?
Usos de la virtualización.
¿Para qué utilizar virtualización?
¿Qué opciones hay para virtualizar?
Aspectos en el diseño de un sistema virtualizado
Selección de plataforma tecnológica
Plan de migración
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7
Virtualización en computación
Virtualización es término muy amplio que se refiere a
la abstracción de los recursos de un computador.
Una técnica para ocultar las características físicas
de los recursos de computación de la forma en la cual otros sistemas,
aplicaciones o usuarios finales interactúan con esos recursos.
•
•
•
•
Dispositivo
Proceso
Computador
Etc.
Recurso virtual
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Ejemplos de virtualización
a nivel de dispositivo…
– Almacenamiento:
• Ej.: RAID
– Conectividad:
• Ej.: IP bonding, IP aliasing, NAT
– Procesador:
• Ej.: emulación de juego de
instrucciones diferente
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Ejemplos de virtualización
a nivel de dispositivo…
– Almacenamiento:
163.117.142.54
a54.lab.inf.uc3m.es
• Ej.: RAID
163.117.142.55
a55.lab.inf.uc3m.es
163.117.142.55
– Conectividad:
a55.lab.inf.uc3m.es
bonding
eth0:1
“b0“
3com
eepro100
interfaz
eth0
• Ej.: IP bonding, IP aliasing, NAT
nic
aliases
– Procesador:
• Ej.: emulación de juego de
instrucciones diferente
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Ejemplos de virtualización
a nivel de dispositivo…
– Almacenamiento:
• Ej.: RAID
– Conectividad:
• Ej.: IP bonding, IP aliasing, NAT
– Procesador:
• Ej.: emulación de juego de
instrucciones diferente
Rosetta: usado por Apple en la
transición PowerPC a Intel.
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Ejemplos de virtualización
a nivel de proceso…
– Emulación de entorno privado de la aplicación:
• Ej.: Modo compatibilidad de Windows Vista/7
– Construcción a nivel de lenguaje:
• Ej.: Java y .NET
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Ejemplos de virtualización
a nivel de proceso…
– Emulación de entorno privado de la aplicación:
• Ej.: Modo compatibilidad de Windows Vista/7
– Construcción a nivel de lenguaje:
• Ej.: Java y .NET
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Ejemplos de virtualización
a nivel de computador…
– Escritorio anfitrión:
• Ej.: VMWare, VirtualBox, etc.
– Escritorio remoto:
• Ej.: XEN, VMWare ESX,
VirtualBox Headless, etc.
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http://redmonk.com/cote/2006/06/21/apples-new-cluefull-test-parallels/
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Ejemplos de virtualización
a nivel de computador…
– Escritorio anfitrión:
• Ej.: VMWare, VirtualBox, etc.
– Escritorio remoto:
• Ej.: XEN, VMWare ESX,
VirtualBox Headless, etc.
Coherence mode, fluid view, etc.
No una ventana con todo el escritorio, ventana por aplicación.
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http://michaelverdi.com/index.php/2006/12/02/parallels-screencast/
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Ejemplos de virtualización
a nivel de computador…
– Escritorio anfitrión:
• Ej.: VMWare, VirtualBox, etc.
– Escritorio remoto:
• Ej.: XEN, VMWare ESX,
VirtualBox Headless, etc.
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Ejemplos de virtualización
a nivel de computador…
– Escritorio anfitrión:
• Ej.: VMWare, VirtualBox, etc.
– Escritorio remoto:
• Ej.: XEN, VMWare ESX,
VirtualBox Headless, etc.
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Resumen:
Virtualización en computación
Virtualización es término muy amplio que se refiere a
la abstracción de los recursos de un computador.
Una técnica para ocultar las características físicas
de los recursos de computación de la forma en la cual otros sistemas,
aplicaciones o usuarios finales interactúan con esos recursos.
•
•
•
•
Proceso
Dispositivo
Plataforma
Etc.
Recurso virtual
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Resumen:
Virtualización en computación
Esto incluye:
Hacer un único recurso físico (como un servidor, un sistema
operativo operativo, una aplicación, etc.) se presente
como un recurso lógico diferente.
Hacer un único recurso físico (como dispositivos de
almacenamiento, servidores, etc.) aparentar que funciona
como varios recursos lógicos.
Hacer que múltiples recursos físicos (como dispositivos de
almacenamiento, servidores, etc.) aparezcan
como un único recurso lógico.
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Virtualización de plataforma
Nos centraremos en la virtualización
de una plataforma en términos de
máquinas virtuales
Para la clase, usaremos Windows como
sistema operativo anfitrión (host)
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Ejemplo: Windows sobre Linux
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http://www.kitty.in.th/files/376/qemu.png
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Contenidos
¿Qué es la virtualización?
Usos de la virtualización.
¿Para qué utilizar virtualización?
¿Qué opciones hay para virtualizar?
Aspectos en el diseño de un sistema virtualizado
Selección de plataforma tecnológica
Plan de migración
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Razones por las que usar virtualización
Consolidación de servidores
Aislamiento de servicios
Recuperación de desastres
Pruebas o formación
Portabilidad de aplicaciones
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23
Consolidación
Consolidación de servidores:
Ahorro de costes (y mejor aprovechamiento)
Simplificación de la administración y gestión
1000 €
1000 €
1000 €
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1000 €
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Consolidación
Consolidación de servidores:
Ahorro de costes (y mejor aprovechamiento)
Simplificación de la administración y gestión
3000 €
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Aislamiento
Mejora de la seguridad:
Aislar servicios en máquinas diferentes.
Diferente política de seguridad a cada máquina.
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Aislamiento
Mejora de la seguridad:
Aislar servicios en máquinas diferentes.
Diferente política de seguridad a cada máquina.
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27
Tolerancia a fallos
Recuperación de desastres:
Ejecución de una máquina en espera
Rearranque automático
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Tolerancia a fallos
Recuperación de desastres:
Ejecución de una máquina en espera
Rearranque automático
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Tolerancia a fallos
Recuperación de desastres:
Ejecución de una máquina en espera
Rearranque automático
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30
Entornos de prueba
Pruebas o formación:
Ejecución de otro entorno de trabajo
Facilitar restauración del sistema (no inmediato, pero si fácil)
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Entornos de prueba
Pruebas o formación:
Ejecución de otro entorno de trabajo
Facilitar restauración del sistema (no inmediato, pero si fácil)
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Portabilidad de aplicaciones
Portabilidad de aplicaciones:
Ejecución de aplicaciones del sistema X en el sistema Y
Ejecución de aplicaciones del sistema X versión A en versión A+1
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Resumen de las principales ventajas
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http://www.intel.com/technology/magazine/computing/intel-virtualization-0405.htm
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Razones por las que NO usar virtualización
Dificultad en el dimensionamiento
Necesidad de mayores recursos en un solo ordenador
Doble nivel de administración
Pérdida de rendimiento
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Dimensionamiento
Necesidad de un correcto dimensionamiento:
Los servidores (virtuales) cambian sus necesidades (uso de memoria, cpu, etc.)
Un incorrecto dimensionamiento puede tener impacto en todos los servidores
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Mayores recursos
Necesidad de mayores recursos en un solo ordenador:
8 servidores de 1 GB consolidados en 1 servidor de 8 GB
No siempre es fácil (y barato) comprar un servidor con n tarjetas de red,
n GB de RAM, n TB de disco, etc.
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Mayores recursos
Necesidad de mayores recursos en un solo ordenador:
8 servidores de 1 GB consolidados en 1 servidor de 8 GB
No siempre es fácil (y barato) comprar un servidor con n tarjetas de red,
n GB de RAM, n TB de disco, etc.
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Más administración
Doble nivel de administración:
Administración de las máquinas reales
Administración de las máquinas virtuales
Monitorización y control de la asociación máquina virtual y máquina real
Si una máquina real presenta problemas,
entonces es necesario migrar las máquinas virtuales asociadas a ella
ssh real
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Pérdida de rendimiento
‘Ligera’ pérdida de rendimiento:
En CPU puede ser poco: entre un 3% y un 12%
¿Tarjeta gráfica?
¿Disco duro compartido entre varias máquinas virtuales?
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Contenidos
¿Qué es la virtualización?
Usos de la virtualización.
¿Para qué utilizar virtualización?
¿Qué opciones hay para virtualizar?
Aspectos en el diseño de un sistema virtualizado
Selección de plataforma tecnológica
Plan de migración
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Muchas opciones…
User Mode Linux
OpenVZ
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Muchas opciones…
Conocer cómo es internamente.
Dependencias, restricciones, etc.
Conocer las arquitecturas de los
sistemas de virtualización.
Agrupar soluciones por
características comunes.
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Cómo es internamente…
Apps
Apps
Guest OS
…
Apps
Apps
Apps
Guest OS
Guest OS
Guest OS
…
Monitor/Hipervisor
Hardware
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Hardware
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Cómo es internamente…
…
Apps
Apps
Apps
Guest OS
Guest OS
Guest OS
…
Monitor/Hipervisor
Hardware
Se añade una capa entre el sistema operativo y el hardware
Se encarga de hablar con todo tipo de hardware
Arbitra los recursos hardware entre los distintos sistemas operativos
El sistema operativo (o los sistemas operativos) se ejecutan en
modo privilegiado pero el monitor/hipervisor intercepta sus
peticiones para atenderlas
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Tipos de virtualización
arquitectura de monitores
Emulación Hardware
Virtualización completa
Paravirtualización
Vitualización a nivel del sistema operativo
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http://www-128.ibm.com/developerworks/library/l-linuxvirt/index.html
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Emulación Hardware
Se crea una M.V. en el sistema
host para emular el hardware
que interesa
Ventaja: se puede ejecutar un
sistema operativo para CPU1
en CPU2 sin ser modificado
Apps
Apps
Apps
Guest OS
Guest OS
Guest OS
Hardware VM A
Desventaja: lentitud
(del orden de x100)
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…
Hardware VM B
Hardware
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Emulación Hardware
Bochs
Linux/W95
W95/WXP
Qemu
W2k/Linux(F)
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Linux(K)/WXP
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Virtualización completa
El hardware es compartido por todos
los sistemas operativos invitados
(Guests) a través del hipervisor
Ventaja: no se necesita modificar
el sistema operativo
Desventaja: es necesario usar
trampas para capturar los accesos
del sistema operativo invitado al
hardware
Soporte hardware
Interpretación de binarios y sustitución al vuelo
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Virtualización completa
VMware
WXP/MacOS
WXP/Linux
z/VM
z/Linux sobre z/VM
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Paravirtualización
Similar a la virtualización completa,
pero los invitados colaboran
Ventaja: El sistema operativo
colabora con el hipervisor
(el tiempo perdido en trampas para
interceptar peticiones se
disminuye)
Desventaja: El sistema operativo
ha de modificarse para interactuar
con el hipervisor
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Paravirtualización
XEN
Linux(S,F,D)/Linux(F)
Hiper-v
Windows S2008+Vista+Suse / Windows
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Paravirtualización
User Mode Linux (UML)
Linux/Linux
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Virtualización a nivel del sistema operativo
Enfoque totalmente diferente:
el sistema operativo en si mismo
ofrece servidores virtuales
Desventaja: NO es posible
ejecutar distintos sistemas
operativos
Ventaja: Mejor rendimiento y
más cantidad de máquinas
virtuales ejecutadas (ahorro de
memoria)
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Virtualización a nivel del sistema operativo
OpenVZ
Densidad de OpenVZ en un
equipo de 768 Mb (¾ Gb) de RAM
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Cómo es internamente…
…
Apps
Apps
Apps
Guest OS
Guest OS
Guest OS
…
Monitor/Hipervisor
Hardware
Se añade una capa entre el sistema operativo y el hardware
2
3
Se encarga de hablar con todo tipo de hardware
Arbitra los recursos hardware entre los distintos sistemas operativos
El sistema operativo (o los sistemas operativos) se ejecutan en
modo privilegiado pero el
1 monitor/hipervisor intercepta sus peticiones para atenderlas
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1
Virtualización completa/Paravirtualización
Interceptar peticiones…
User
Kernel
Level 0
Level 1
Level 2
El sistema operativo ha sido diseñado
para ejecutar en el hardware a nivel
privilegiado
En procesadores x86, en el anillo 0
Hay que ejecutar código privilegiado
como si no lo fuera (el hipervisor lo es
ahora)
Binary patching
Nuevas instrucciones de virtualización
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http://pdc-amd01.poly.edu/~wein/cs6243/ppts/CPUVirtualization.pptx
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1
Virtualización completa/Paravirtualización
Interceptar peticiones…
Binary translation/patching:
Guest
Code
Parcheado de instrucciones al vuelo
Se analiza el código del sistema invitado y
Translator
TC
Index
Translation
Cache
se cambia las instrucciones privilegiadas por
llamadas al hipervisor
Aceleración mediante caché de los
fragmentos parcheados
Callouts
Guest Code
vPC
CPU
Emulation
Routines
mov
cli
and
mov
sti
ret
ebx, eax
ebx, ~0xfff
ebx, cr3
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Translation Cache
mov
call
and
mov
call
call
jmp
ebx, eax
HANDLE_CLI
ebx, ~0xfff
[CO_ARG], ebx
HANDLE_CR3
HANDLE_STI
HANDLE_RET
start
58
1
Virtualización completa/Paravirtualización
Interceptar peticiones…
Instrucciones hardware:
Anillo -1 donde se ejecuta el hipervisor
User
Permitiría la mínima penalización en
Kernel
rendimiento al evitar traducción.
Intel y AMD han desarrollado extensiones
para virtualización, no compatibles entre sí
pero son similar funcionalidad.
monitor
Level -1
Level 0
Level 1
Level 2
•
Intel ofrece:
•
VT-x como las extensiones IVT para IA-32 (Vanderpool)
•
VT-i como las extensiones IVT para IA-64 (Silvervale)
•
VT-d en 32/64 para ‘Directed I/O’
•
AMD ofrece:
•
AMD-V (Pacifica) para 32/64
•
IOMMU para ‘Directed I/O’ o ‘PCI-Passthrough’
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http://en.wikipedia.org/wiki/Virtualization_Technology
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2
Virtualización completa/Paravirtualización
Despliegue del hipervisor…
El monitor/hipervisor ha de ser capaz
de tratar con todo tipo de hardware
Ha de tener drivers para todos
Es muy difícil conseguir que se escriban
drivers/controladores para un S.O.
Usar un sistema operativo modificado:
Hosted o Split
Hipervisor
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http://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-pci-passthrough/
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2
Virtualización completa/Paravirtualización
Despliegue del hipervisor…
Hosted o Split.
Transformar un sistema operativo existente
en un hipervisor
Una M.V. es un proceso en el sistema host
I: Doble planificación
I: Acceso al hardware costoso
V: Fácil instalación (otra aplicación más)
1. Device I/O
Guest OS (Linux)
User App
Kernel
Module
2. CPU/Mem
Host OS (Window XP)
Virtual Machine Monitor
Hardware
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http://www.govirtual.org/servlet/JiveServlet/download/1024-4-1042/IntroToVMs.pptx
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2
Ejemplo de sistema hosted o split
KVM
KVM está incluido en el kernel de Linux desde la versión 2.6.20
KVM transforma el kernel de Linux en un hipervisor usando un módulo
Otros sistemas operativos invitados puedan ejecutar en espacio de usuario
Se usa un proceso QEMU modificado
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2
Virtualización completa/Paravirtualización
Despliegue del hipervisor…
Hipervisor.
Quitar a un sistema operativo existente todo
lo que le sobra para convertirlo en un
hipervisor.
Se precisa arrancar el hipervisor primero y
luego cada máquina virtual lo usa
V: menos interferencias entre máquinas
I: más difícil instalación
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2
Ejemplo de sistema hipervisor
XEN
XEN no está incluido en el kernel de Linux (XEN PVops en 2.6.23)
XEN es un sistema Linux al que se le ha dejado lo necesario para que
funcione como hipervisor.
Inicialmente diseñado como sistema paravirtualizado
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http://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-xen/
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3
Virtualización completa/Paravirtualización
Acceso a los dispositivos…
El monitor/hipervisor ha de ser capaz
de tratar con todo tipo de hardware
Ha de tener drivers para todos
Ha de ofrecer el acceso al hardware
subyacente.
Ofrecer el hardware al S.O. invitado:
Emulación de dispositivo en el hipervisor
Emulación de disp. en espacio de usuario
Pasarela a dispositivo
SR-IOV y MR-IOV
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http://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-pci-passthrough/
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3
Virtualización completa/Paravirtualización
Acceso a los dispositivos…
Emulación de dispositivo en hipervisor.
Ej.: VMware workstation
V: fácil de migrar
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3
Virtualización completa/Paravirtualización
Acceso a los dispositivos…
Emulación de dispositivo en espacio de usuario.
Ej.: KVM
V: fácil migrar (incluso a otro hipervisor) y seguro (no privilegiado)
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Virtualización completa/Paravirtualización
Acceso a los dispositivos…
Pasarela a dispositivo.
Ej.: VMware, XEN, etc.
V: eficiente
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3
Virtualización completa/Paravirtualización
Acceso a los dispositivos…
SR-IOV y MR-IOV.
Single-Root I/O Virtualization (servidor único)
Multi-Root I/O Virtualization (blades)
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Resumen
Apps
Apps
Apps
Guest OS
Apps
Apps
Guest OS
Guest OS
Guest OS
…
…
Monitor/Hipervisor
¿qué opciones hay para virtualizar?
Guest Code
v
P
C
mov
Hardware
Translation Cache
ebx, eax
mov
cli
Emulación Hardware
Hardware
call
ebx, eax
HANDLE_CLI
and
ebx, ~0xfff
and
ebx, ~0xfff
mov
ebx, cr3
mov
[CO_ARG], ebx
sti
call
ret
call
HANDLE_STI
jmp
HANDLE_RET
s
t
a
r
t
HANDLE_CR3
Binary translation (patching)
Emulación del disp. en
el hipervisor
Emulación del disp. en
espacio de usuario
Pasarela a dispositivo
SR-IOV y MR-IOV
User
Kernel
monitor
Level -1
Level 0
Level 1
Level 2
Virtualización completa
Nuevas instrucciones
User
App
K
e
r
n
e
l
Paravirtualización
1.
Devi
ce
I/O
1
Guest OS (Linux)
M
o
d
u
l
e
Host OS (Window XP)
Virtual Machine Monitor
Hardware
Virtualización a nivel
del sistema operativo
Hosted o split
Hipervisor
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Contenidos
¿Qué es la virtualización?
Usos de la virtualización.
¿Para qué utilizar virtualización?
¿Qué opciones hay para virtualizar?
Aspectos en el diseño de un sistema virtualizado
Selección de plataforma tecnológica
Plan de migración
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Contenidos
¿Qué es la virtualización?
Usos de la virtualización.
¿Para qué utilizar virtualización?
¿Qué opciones hay para virtualizar?
Aspectos en el diseño de un sistema virtualizado
Selección de plataforma tecnológica
Plan de migración
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