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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA
“Júlio de Mesquita Filho”
Pós-Graduação em Ciência da Computação
Daniel Igarashi da Cruz
FLEXLAB: Middleware de virtualização de hardware
para gerenciamento centralizado de computadores em rede
UNESP
2008
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Daniel Igarashi da Cruz
FLEXLAB: Middleware de virtualização de hardware
para gerenciamento centralizado de computadores em rede
Orientador: Prof. Dr. Marcos Antônio Cavenaghi
Dissertação de Mestrado elaborada junto ao
Programa de Pós-Graduação em Ciência da
Computação – Área de Concentração em Sistemas
de Computação, como parte dos requisitos para a
obtenção do título de Mestre em Ciência da
Computação
UNESP
2008
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“One machine can do the work of fifty ordinary men.
No machine can do the work of one extraordinary man.”
Elbert Hubbard (1856 - 1915)
i
AGRADECIMENTOS
Agradeço ao meu orientador Prof. Dr. Marcos Antônio Cavenaghi pelo
incentivo, inspirações, correções e adequações que permeiam todo este trabalho e que
muito contribuíram para que este projeto fosse viabilizado mesmo diante de desafios,
alguns além dos nossos recursos técnicos e financeiros, superados graças a sua
interseção.
Aos meus queridos pais, José Pedro e Teresa Ayako, e minha irmã Juliana, por
todo o esforço, dedicação e carinho que tiveram por mim durante toda a minha vida e
por serem a minha maior referência de valores e ideais.
Ao meu amigo César de Souza Aguiar, pelo companheirismo nas madrugadas e
finais de semana consumidos no desenvolvimento do projeto, por compartilhar idéias e
por oferecer seu apoio às pesquisas.
À UNESP e ao Departamento de Computação da Faculdade de Ciências de
Bauru, por oferecer a infra-estrutura para a realização dos experimentos necessários
para o desenvolvimento do projeto.
À MStech, empresa que sempre ofereceu suporte, recursos e liberdade para que
o projeto pudesse ser desenvolvido.
Ao Professor Eduardo Morgado, coordenador do Laboratório de Tecnologia da
Informação Aplicada, grande amigo e incentivador.
Aos funcionários e professores da UNESP, pelo seu papel e sua
representatividade no desenvolvimento da educação e da sociedade.
E por fim, agradeço a minha querida namorada e companheira Barbara De
Franco, por sua motivação e pela ajuda oferecida nos experimentos realizados no
projeto e, o mais importante, por ter sido compreensiva nos vários momentos em que
estive ausente.
ii
SUMÁRIO
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ...................................................................... v
LISTA DE FIGURAS .................................................................................................... vii
LISTA DE TABELAS .................................................................................................. viii
Resumo ............................................................................................................................ ix
Abstract ............................................................................................................................. x
1.INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 1
1.1. Contextualização ................................................................................................... 1
1.2. Motivação .............................................................................................................. 3
1.3. Objetivos ................................................................................................................ 4
1.4. Estrutura da Monografia ........................................................................................ 5
2.ARQUITETURA DE MÁQUINAS VIRTUAIS ......................................................... 6
2.1.Considerações Iniciais ........................................................................................... 6
2.2.Abstração de Hardware por meio de Máquinas Virtuais ...................................... 6
2.3.Abrangência de Transcrição da ISA .................................................................... 11
2.4.Interface Binária de Aplicação ............................................................................ 11
2.5.Máquinas Virtuais de Linguagens de Alto Nível ................................................ 12
2.6.Máquinas Virtuais de Sistema ............................................................................. 13
2.7.Máquinas Virtuais de Sistema Clássicas ............................................................. 14
2.8.Comportamento das Instruções ............................................................................ 18
2.9.Virtualização por meio de VMM Clássica .......................................................... 20
2.10.Propriedades das MVs ....................................................................................... 21
2.11.Máquinas Virtuais Híbridas ............................................................................... 24
2.12.Tratamento de Instruções Sensíveis ................................................................... 25
2.13.Virtualização Clássica no Contexto da Arquitetura x86 .................................... 26
2.14.Estruturas Primárias e Estruturas Sombreadas .................................................. 27
2.15.Otimizações no modelo Clássico de Virtualização ........................................... 28
2.16.Obstáculos da Arquitetura x86 para a Virtualização ......................................... 29
2.17.Considerações Finais ......................................................................................... 30
3. COMPARAÇÃO ENTRE AS MÁQUINAS VIRTUAIS .......................................... 32
3.1.Considerações Iniciais ......................................................................................... 32
3.2.Tradução Binária na VMM VMware™ ............................................................... 32
3.3.Suporte a Virtualização em Hardware ................................................................. 35
3.4.Discussão sobre as extensões de Virtualização para os processadores x86 ........ 36
3.5.Uma comparação qualitativa ............................................................................... 37
3.6.Semelhanças entre a VMM VMware e o KQEMU ............................................. 39
3.7.Paravirtualização .................................................................................................. 41
3.8.Considerações Finais ........................................................................................... 42
4.SISTEMAS DE VIRTUALIZAÇÃO DISTRIBUÍDA .............................................. 43
4.1.Considerações Iniciais ......................................................................................... 43
4.2.Motivações para o desenvolvimento de Sistemas de Processamento Distribuído44
4.3.Ambientes Distribuídos Virtuais ......................................................................... 45
4.4.Virtualização de Discos ....................................................................................... 49
4.5.O Modelo de Virtualização Distribuída ............................................................... 53
4.6.Considerações Finais ........................................................................................... 55
5. ARQUITETURA DO FLEXLAB .............................................................................. 56
iii
5.1.Considerações Iniciais ......................................................................................... 56
5.2.Gerenciamento Centralizado de Computadores .................................................. 56
5.3.A Proposta do FlexLab ........................................................................................ 59
5.4.Recursos do Middleware FlexLab ....................................................................... 63
5.5.Middleware Virtualizado com Arquitetura Distribuída Multicamada ................. 64
5.6.Arquitetura do Sistema de Arquivos Distribuídos do FlexLab ........................... 68
5.7.Mecanismos de virtualização do middleware do FlexLab .................................. 70
5.8.Funcionamento do FlexLab ................................................................................. 74
5.9.Considerações Finais ........................................................................................... 76
6.EXPERIMENTOS ...................................................................................................... 77
6.1. Considerações Iniciais ......................................................................................... 77
6.2. Experimentos e Avaliação de Desempenho ........................................................ 77
6.3. Experimentos com o Sistema de Arquivos Distribuídos ..................................... 78
6.4.Boot do FlexLab .................................................................................................. 79
6.5.Desempenho da Camada de Virtualização .......................................................... 80
6.6.Desempenho do FlexLab em ambientes heterogêneos ........................................ 83
6.7.Considerações Finais ........................................................................................... 84
7.CONCLUSÃO ............................................................................................................ 85
7.1.Contribuições deste Trabalho .............................................................................. 86
7.2.Trabalhos Futuros ................................................................................................ 87
8.REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 88
ANEXO A ...................................................................................................................... 93
iv
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AMD-V: Advanced Micro Devices – Virtualization Technology
API: Application Programming Interface
ARM: Advanced RISC Machine
CAD: Computer Aided Design
CPL: Current Privilege Level
CPU: Control Process Unit
DDR: Double Data Rating
DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol
DMA: Direct Memory Access
EFI: Extensible Firmware Interface
GPL: GNU General Public License
HLL: High Level Language
HT: Hyper-Threading
HVM: Hybrid Virtual Machine
IBM: International Business Machine
IDE: Integrated Device Electronics
IF: Interruption Flag
IP: Internet Protocol
ISU: Imagem de Sistema Única
JIT: Just-in-time
LAN: Local Area Network
LGPL: Lesser GNU General Public License
MAC: Medium Access Control
MB: Mega Byte
MIPS: Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages
MMU: Memory Management Unit
MV: Máquina Virtual
NFS: Network File System
NOP: No-Operation
P2P: Peert-to-Peer
PNFS: Parallel Network File System
PSW: Program Status Word
v
PTE: Page Table Entry
PVFS: Parallel Virtual File System
PXE: Pre eXecutable Environment
RAM: Random Access Memory
ROM: Read Only Memory
SAD: Sistema de Arquivos Distribuídos
SMP: Symmetric Multi-Processor
SO: Sistemas Operacional
SOC: Sistema Operacional Convidado
SOH: Sistema Operacional Hospedeiro
SPARC: Scalable Processor ARChitecture
SSI: Single System Image
SVM: Secure Virtual Machine
TB: Tradução Binária
TC: Translation Cache
TFTP: Trivial File Transfer Protocol
ULA: Unidade Lógica Aritmética
USB: Universal Serial Bus
UUID: Unique Universal Identifier
VCPU: Virtual CPU
VGA: Video Graphics Adapter
VMCB: Virtual Machine Control Block
VMM: Virtual Machine Monitor
VT-i: Virtualization Technology, Itanium Architecture
VT-x: Virtualization Technology, x86 Architecture
WAN: Wide Area Network
vi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: A estrutura de um sistema computacional moderno com a utilização de uma
máquina virtual em nível de software (ROSEMBLUM, 2004) ....................................... 8
Figura 2: Monitor da Máquina Virtual, mecanismo sobre as quais diversas máquinas
virtuais podem executar sobre um mesmo hardware real (ROSEMBLUM, 2004). ........ 9
Figura 3: Arquitetura de um sistema com a divisão Hardware/Software marcada pela
ISA (SMITH & NAIR, 2005). ........................................................................................ 10
Figura 4: Comparação entre a execução gerenciada pelo Sistema Operacional e um
ambiente de MV HLL com um gerenciador próprio. ..................................................... 13
Figura 5: Máquina Virtual Clássica de acordo com a proposta de Goldberg
(GOLDBERG, 1973). ..................................................................................................... 16
Figura 6: O Mapeamento da Máquina Virtual (GOLDBERG, 1973) ............................ 23
Figura 7: Testes comparativos entre a VMM por software e a VMM por hardware
utilizando SPECint 2000 e SPECjbb 2005. Quanto maiores forem as barras melhores
são os resultados (ADAMS & AGESEN, 2006). ........................................................... 39
Figura 8: Avaliações utilizando aplicações com diversas operações de E/S. Quanto
maiores forem as barras melhores são os resultados (ADAMS & AGESEN, 2006). .... 39
Figura 9: Arquitetura de um Cluster (DODONOV, 2006). ............................................ 43
Figura 10: Arquitetura de um Grid heterogêneo (DODONOV, et al. 2005) .................. 45
Figura 11: Arquitetura do middleware VMPlants (FIGUEREDO, et al. 2003) ............. 47
Figura 12: Distribuição normalizada da latência para a criação de imagens medidas
entre o ponto de criação de uma MV e sua iniciação nos nós (KRSUL, et al. 2004). ... 48
Figura 13: Tempo de clonagem para um número total de requisições seqüências para
cada tipo de configuração de imagem (KRSUL, et al. 2004). ........................................ 49
Figura 14: Arquitetura geral de um sistema TransCom de Discos Virtuais Distribuídos
(ZHOU, et al. 2006). ....................................................................................................... 51
Figura 15: Infra-estrutura virtual de Desktops utilizada através de thin-clients
(VMWARE, 2008). ........................................................................................................ 54
Figura 16: Arquitetura de rede utilizando um servidor de gerenciamento e clientes
gerenciados na rede (MORGADO, CRUZ & TWANI, 2008) ....................................... 57
Figura 17: Uma ambiente virtualizado distribuído utilizando o FlexLab. ..................... 60
Figura 18: Diagrama de funcionamento do FlexLab sob o ponto de vista dos
computadores clientes..................................................................................................... 62
Figura 19: Arquitetura multicamada do middleware FlexLab. ...................................... 64
Figura 20: Camadas 1 e 2 do Sistema de Arquivos do FlexLab..................................... 67
Figura 21: Arquitetura do Sistema de Arquivos Distribuídos com Balanceamento de
carga do middleware FlexLab (AGUIAR, et al. 2008)(a). ............................................. 69
Figura 22: Mecanismo de deslocamento do Ring de execução do SOC (ROSEMBLUM
& GARFINKEL, 2005). ................................................................................................. 73
Figura 23: Tempo de boot para 10 clientes utilizando otimizações na cache do
middleware FlexLab (AGUIAR, et al. 2008)(b) ............................................................ 78
Figura 24: Comparação do tempo de boot em segundos em função do mecanismo de
virtualização ................................................................................................................... 82
vii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Latência de Boot remoto do sistema TransCom (ZHOU et al. 2006). ........... 52
Tabela 2: Comparativo entre as MVs. Critério de seleção da MV para o FlexLab pode
utilizar esta tabela como referência. ............................................................................... 71
Tabela 3: Configuração do ambiente de avaliação do sistema de boot do middleware
FlexLab ........................................................................................................................... 78
Tabela 4- Tempo de boot em Segundos de uma ISU composta por um Windows 2003
virtualizado e distribuído para um 1 a 30 computadores clientes. .................................. 80
Tabela 5 - Comparativo de tempo de boot em Segundos com um computador cliente
(AGUIAR, et al. 2008)(a) ............................................................................................... 80
Tabela 6: Configuração dos computadores do ambiente de testes para a camada de
virtualização ................................................................................................................... 81
Tabela 7: Tempo (em segundos) de abertura do aplicativo Microsoft Word 2003 para
observação da degradação de desempenho causada pela camada de virtualização do
FlexLab ........................................................................................................................... 82
Tabela 8: Tipos de configurações dos computadores do ambiente heterogêneo de teste83
Tabela 9: Comparação do tempo de boot em segundos de um ambiente heterogêneo
contra um ambiente homogêneo (30 computadores em cada caso). .............................. 83
viii
Resumo
O gerenciamento de um conglomerado de computadores em rede é uma atividade
potencialmente complexa devido à natureza heterogênea destes equipamentos. Estas
redes podem apresentar computadores com diferentes configurações em sua camada de
software básico e aplicativos em função das diferenças de configuração de hardware em
cada nó da rede. Neste cenário, cada computador torna-se uma entidade gerenciada
individualmente, exigindo uma atividade manual de configuração da imagem de sistema
ou com automatização limitada à camada de aplicativos. Tecnologias que oferecem
gestão centralizada, como arquiteturas thin-client ou terminal de serviços, penalizam o
desempenho das estações e oferecem capacidade reduzida para atender um número
crescente de usuários uma vez que todo o processamento dos aplicativos dos clientes é
executado em um único nó da rede. Outras arquiteturas para gerenciamento centralizado
que atuam em camada de software são ineficazes em oferecer uma administração
baseada em uma imagem única de configuração dado o forte acoplamento entre as
camadas de software e hardware. Compreendendo as deficiências dos modelos
tradicionais de gerenciamento centralizado de computadores, o objetivo deste trabalho é
o desenvolvimento do FlexLab, mecanismo de gerenciamento de computadores através
de Imagem de Sistema Única baseado em um middleware de virtualização distribuída.
Por meio do middleware de virtualização do FlexLab, os computadores em rede de um
ambiente são capazes de realizar o processo de boot remoto a partir de uma Imagem de
Sistema Única desenvolvida sobre um hardware virtualizado. Esta imagem é hospedada
e acessada a partir de um servidor central da rede, padronizando assim as configurações
de software básico e aplicativos mesmo em um cenário de computadores com
configuração heterogênea de hardware, simplificando o gerenciamento de
computadores a uma única entidade gerenciável. Os experimentos do FlexLab
mostraram que o tempo de boot de um computador utilizando a arquitetura virtualizada
através de tradução binária dinâmica associada a um sistema de arquivos multicamada
(camada de middleware e camada de máquina virtual) aumenta o tempo de iniciação em
37,5% em relação a um computador com boot normal (através do disco rígido local),
com degradação de 5% na execução dos aplicativos sobre o middleware virtualizado.
Com a associação do middleware de virtualização distribuída a um sistema de arquivos
distribuídos baseado em pNFS/PVFS, o tempo de boot do FlexLab em um ambiente de
30 computadores é aprimorado em 37% e a degradação de desempenho de execução da
Imagem de Sistema Única em função do middleware de virtualização se mantém entre
5% para um computador e 11% para 30 computadores. Os testes desenvolvidos pelo
projeto mostram que os recursos de gerenciamento centralizado do FlexLab não
penalizam a capacidade de escala do sistema uma vez que o middleware de
virtualização atua de forma distribuída, portanto, desonerando o servidor da rede do
processamento dos aplicativos dos computadores gerenciados.
PALAVRAS-CHAVE: Virtualização Distribuída, Middleware de Virtualização,
Gerenciamento de Computadores, Máquinas Virtuais, Imagem de Sistema Única.
ix
x
Abstract
Computer network management is a potentially complex task due to the heterogeneous
nature of the hardware configuration of these machines. These networks may offer
computers with different configuration in their basic software layer due to the
configuration differences in their hardware layer and thus, in this scenario, each
computer becomes an individual managed entity in the computer network and then
requiring an individual and manually operated configuration procedure or automated
maintenance restricted to application layer. Thin-client or terminal services do offer
architectures for centralized management, however these architectures impose
performance penalties for client execution and offer reduced scalability support in order
to serve a growing number of users since all application processing is hosted and
consume processing power of a single network node: the server. In the other hand,
architectures for centralized management based on applications running over software
layer are inefficient in offer computer management based on a single configuration
image due to the tight coupling between software and hardware layers. Understanding
the drawbacks of the theses centralized computer management solutions, the aim of this
project is to develop the FlexLab, centralized computer management architecture
through a Single System Image based on a distributed virtualization middleware.
Through FlexLab virtualization middleware, the computers of a network environment
are able to remote boot from a Single System Image targeting the virtual machine
hardware. This Single System Image is hosted at a central network server and thus,
standardizing basic software and applications configurations for networks with
heterogeneous computer hardware configuration which simplifies computer
management since all computers may be managed through a Single System Image. The
experiments have shown that the boot over the virtualized architecture through dynamic
binary translation associated with the multitier file system (middleware layer and
software layer) is 37,5% slower than the regular local boot (through the local hard disk),
and the applications run 5% slower over the virtualized middleware. With the
combination of a virtualization middleware with a Distributed File System based on
pNFS/PVFS, the boot time for a computer network environment with 30 computers is
enhanced in 37% and performance degradation for the Single System Image due to the
virtualization middleware é 5% for one computer and 11% for 30 computers. The tests
developed by FlexLab Project show that the centralized management architecture does
not sacrifice the system scalability since the virtualization middleware compromises the
processing resources of computers in a distributed approach and the performance
degradation varies according to the Distributed File System performance, which
decreases as the number of computer increases.
KEYWORDS: Distributed Virtualization, Virtualization Middleware, Computer
Management, Virtual Machines, Single System Image.
1.INTRODUÇÃO
1.1. Contextualização
A presença maciça de computadores nas organizações é um reflexo do seu
impacto no aumento de produtividade e capacidade de gerar valor das empresas.
Entretanto, o maior número de computadores nas organizações também criou demanda
para ferramentas de gerenciamento de redes de computadores capazes de reduzir o custo
total de propriedade (ELENBOGEN, 1999). A existência de redes locais de alta
velocidade e processadores de baixo custo vêm favorecendo organizações a adotarem
soluções de gerenciamento centralizado de computadores, como as soluções thin-client
que exploram a arquitetura cliente-servidor (BARATTO, KIM & NIEH, 2005). Mesmo
organizações como instituições de ensino, com laboratórios de informática com
computadores em rede, podem se beneficiar amplamente de um planejamento e
gerenciamento de computadores para promover um nível dinâmico de maturidade
computacional (MORGADO, CRUZ & TWANI, 2008), onde as ferramentas de
provisão e gerenciamento da configuração de software favorecem um ambiente de
execução estável e padronizado.
Soluções de gerenciamento centralizado de computadores baseadas na
arquitetura cliente-servidor, entretanto, oferecem limitações intrínsecas a sua
arquitetura, com a maior parte do processamento dos clientes centralizado no servidor, o
que limita a capacidade de se adicionar novos nós na rede e não favorecem o
desempenho para a execução de aplicações que exijam cálculos matemáticos
complexos, como aplicações para reprodução de vídeo. Outras arquiteturas para
gerenciamento centralizado também esbarram no forte acoplamento entre o hardware e
software de um computador, fazendo com que o gerenciamento dos computadores seja
individualizado para cada conjunto de hardware/software e dificultando a sua execução
em escala.
Embora diversas tecnologias de virtualização, como VMware (VMWARE,
1998), QEMU (BELLARD, 2004), XEN (BARHMAN, 2003) e VirtualPC
(MICROSOFT, 2003), estejam disponíveis também para computadores pessoais, as
1
suas aplicações procuram explorar a utilização da virtualização em plataformas de
grande porte, como servidores multi-processados, com o objetivo de maximizar o seu
uso por meio da execução de múltiplas instâncias de sistemas operacionais sobre sua
plataforma. Neste contexto, a virtualização é usada não como ferramenta de
gerenciamento, mas sim como ferramenta de otimização para data-centers e outros
ambientes de computação de alto-desempenho. Por outro lado, as redes locais de alta
velocidade, a redução no custo dos processadores e a possibilidade de aplicação de
técnicas de computação em grid e cluster em computadores commodity criam condições
para que as tecnologias de virtualização sejam aplicadas também dentro do contexto de
gerenciamento centralizado de computadores (KRSUL, et al. 2004). Neste cenário, a
virtualização pode ser aplicada em computadores pessoais como forma de se abstrair as
complexidades de configuração de uma rede adotando-se um único conjunto de
hardware padronizado, o da máquina virtual. Com isso, todos os computadores utilizam
uma única imagem padronizada de software, desenvolvida a partir do conjunto do
hardware da máquina virtual (MV).
As atuais soluções de mercado que empregam o conceito de virtualização para
gerenciamento de computadores utilizam a virtualização para a criação de uma infra-
estrutura virtual de desktops (VMWARE, 2007), em uma arquitetura similar a
arquitetura thin-client e que, portanto, oferece as mesmas limitações de escala em
função da maior parte do processamento ficar localizado no servidor central de
virtualização. Neste caso a virtualização é utilizada para se criar desktops virtuais no
servidor de virtualização e estes desktops são utilizados por meio de um cliente Web
pelos computadores da rede. Como estes computadores agem apenas como terminais,
eles podem compartilhar a mesma infra-estrutura com thin-clients.
Outras soluções, como o Citrix Provisioning Server for Desktops (CITRIX,
2008) e o Ardence Desktop Streaming (ARDENCE, 2007) propõem a virtualização do
disco rígido das estações e mecanismo de boot remoto. Neste caso, apenas o disco
rígido é virtualizado por meio de um arquivo binário único que é montado pela rede
como um dispositivo de acesso a blocos pelas estações em tempo de boot, como se
fosse um disco rígido normal. Por meio do protocolo PXE (INTEL, 1999) os
computadores realizam o boot utilizando remotamente este arquivo que representa o
disco rígido, como se este estivesse no computador. Esta solução oferece um ótimo
compromisso entre desempenho e requisitos de hardware oferecendo uma grande
capacidade de escala, porém, também sofre com o forte acoplamento entre hardware e
2
software, o que pode exigir que cada computador de uma rede heterogênea de hardware
tenha a sua própria Imagem de Sistema Única (ISU).
A proposta do FlexLab é a combinação das técnicas de virtualização com a
utilização de sistemas de arquivos distribuídos, utilizados em clusters de computadores,
e que permite a criação de uma solução de gerenciamento centralizada com
processamento distribuído nos computadores da rede sem a necessidade de que cada
computador tenha sua própria imagem individualizada de software. Esta abordagem
representa uma nova perspectiva em soluções para gerenciamento de computadores e
propõem uma nova utilização para a tecnologia de virtualização.
1.2. Motivação
Tendências recentes da indústria, como a consolidação de servidores e ambientes
mais tolerantes a falhas, associados à diminuição do custo de processadores e memórias,
o surgimento dos processadores de múltiplos núcleos para computadores pessoais e a
necessidade de aumentar a eficiência operacional de data-centers têm motivado o
ressurgimento do interesse nas tecnologias de virtualização de hardware,
particularmente as máquinas virtuais (ROSENBLUM, 2004). Dentre as diversas
possibilidades da virtualização de hardware, o melhor aproveitamento do poder
computacional ocioso dos equipamentos é apenas uma das vantagens desta tecnologia
(SMITH & NAIR, 2005).
A virtualização de hardware permite, resumidamente, que diversas instâncias de
sistemas operacionais distintos ou iguais operem concorrentemente sobre um mesmo
conjunto de hardware, sendo que cada sistema operacional “enxerga” o computador
virtualizado como sendo real e de uso exclusivo da sua instância de execução. Para as
aplicações, todo o hardware virtualizado apresenta as mesmas interfaces e
funcionamento do real, o que permite a utilização desta tecnologia em diversas soluções
sem a necessidade de alteração do código fonte da aplicação.
Além de permitir a execução de múltiplas instâncias de máquinas virtuais sobre
um mesmo equipamento, a tecnologia de virtualização também cria uma interessante
padronização de hardware, abstraindo as suas complexidades do sistema operacional e
da camada de aplicações (GOLDBERG, 1973). Esta característica peculiar às máquinas
virtuais, associada aos sistemas de arquivos distribuídos, permite a proposta de novas
soluções para gerenciamento de computadores envolvendo virtualização onde é
3
desejável a padronização de hardware. Nestes cenários, é possível a utilização de uma
imagem de software única, onde uma configuração de software é capaz de atender a
todos os computadores de um determinado ambiente (ZHOU, et al. 2006),
simplificando o gerenciamento e a disponibilização destes computadores.
1.3. Objetivos
O objetivo deste trabalho é desenvolver o FlexLab, proposta de middleware de
virtualização distribuída para gerenciamento de computadores, e avaliar o seu
desempenho e a aplicabilidade da virtualização em um ambiente distribuído, onde ao
invés de concentrar diversas máquinas virtuais em um único nó, os nós de virtualização
são distribuídos entre estações de pequeno porte, neste caso, computadores pessoais
com processadores de arquitetura x86. Embora o foco deste trabalho seja avaliar a
utilização da virtualização distribuída como middleware para gerenciamento de
computadores, o FlexLab também serviu de base para outro projeto de pesquisa
concluído que estudou e avaliou a aplicação do middleware e o impacto dos diferentes
mecanismos de Sistemas de Arquivos Distribuídos como ferramenta para a criação de
clusters multiuso (AGUIAR, 2008).
Este projeto de pesquisa tem por objetivos específicos:
• Desenvolver um middleware que funcione como uma camada de virtualização
entre o hardware real e a Imagem de Sistema Única contendo o sistema
operacional e os aplicativos desktop;
• Desenvolver para o middleware a capacidade de execução de uma máquina
virtual sobre um sistema de arquivos distribuído, permitindo assim que a
arquitetura da aplicação possa explorar a execução distribuída de máquinas
virtuais (MVs);
• Desenvolver um mecanismo de boot remoto para o middleware, permitindo
assim que o computador cliente gerenciável não precise armazenar nem o
middleware e nem a Imagem de Sistema Única;
• Realizar experimentos para analisar o desempenho da arquitetura proposta pelo
middleware de virtualização distribuída;
• Realizar experimentos para analisar o desempenho da camada de virtualização
em função do tipo de mecanismo de virtualização adotado.
4
1.4. Estrutura da Monografia
A monografia está organizada em sete capítulos e os assuntos abordados neste
trabalho de pesquisa estão divididos da seguinte forma:
Capítulo 1: Contém a introdução ao trabalho e apresenta a contextualização da
pesquisa, sua motivação e os objetivos pretendidos.
Capítulo 2: Descreve as principais técnicas de virtualização em nível de hardware e
as arquiteturas de máquinas virtuais, abordando as principais dificuldades dos
mecanismos de virtualização sobre a arquitetura x86, a mais comumente utilizada em
computadores pessoais e que é o objetivo desta pesquisa.
Capítulo 3: Apresenta uma comparação entre as técnicas de virtualização e as
máquinas virtuais clássicas estudadas neste trabalho.
Capítulo 4: Apresenta trabalhos relacionados e conceitos e mecanismos utilizados
para o gerenciamento de máquinas virtuais distribuídas em ambientes de Cluster,
apresentando brevemente os modelos de Sistemas de Arquivos Distribuídos e formas
para se aprimorar o desempenho de acesso concorrente a blocos de dados.
Capítulo 5: Descreve o FlexLab, middleware de virtualização distribuída para
gerenciamento de computadores, sua aplicação e detalha o seu funcionamento.
Capítulo 6: Apresenta os resultados dos experimentos e realiza uma análise dos
resultados obtidos.
Capítulo 7: Conclui a dissertação apresentando as contribuições deste trabalho e
apresenta os trabalhos futuros com base nos estudos desenvolvidos a partir do FlexLab.
5
2.ARQUITETURA DE MÁQUINAS
VIRTUAIS
2.1. Considerações Iniciais
Os sistemas de máquinas virtuais (MV) representaram um grande avanço no
desenvolvimento de novos sistemas computacionais, oferecendo uma eficiente
transcrição de sistemas computacionais completos e assim, permitindo o
desenvolvimento de sistemas multi-programados e multi-processados (GOLDBERG,
1973). De certa forma, todos os benefícios até então desfrutados apenas por
desenvolvedores de aplicação, como a multi-programação (SILBERSCHATZ, et al.
1991), através dos sistemas operacionais modernos, passaram a ser oferecidos também
para os desenvolvedores de sistemas com o multi-processamento (POPEK, 1975) criado
pela virtualização. A máquina virtual introduz também uma capacidade interessante de
oferecer abstração de hardware, tanto através de máquinas virtuais em nível de software
como Java e Inferno (SIRER, et al. 1999), como com a utilização de mecanismos de
virtualização em nível de hardware através de monitores de máquina virtual como
VMware, VirtualPC e KQEMU (BELLARD, 2005). Este capítulo apresenta uma breve
revisão sobre os mecanismos de virtualização, descrevendo os modelos utilizados em
arquitetura virtualizáveis e não virtualizáveis, como a arquitetura x86, as técnicas de
virtualização e sua aplicação ao desenvolvimento do middleware do FlexLab.
2.2. Abstração de Hardware por meio de Máquinas Virtuais
O uso das máquinas virtuais, de forma geral, introduz a capacidade de:
• Aprimorar o desenvolvimento e teste de software;
• Operar diversos sistemas operacionais simultaneamente;
• Permitir o funcionamento de MVs com diversas configurações de E/S, memória,
etc;
6
• Aferição de sistemas operacionais;
• Utilização de discos virtuais para armazenamento persistente de dados;
• Isolação de aplicações através de endereçamento de memória;
• Execução segura de aplicações com isolação entre processos;
• Acesso a recursos de E/S do hardware real.
Para promover a virtualização de hardware, ao fim da década de 60 o mecanismo de
Virtual Machine Monitors (VMM) foi introduzido como forma de oferecer uma
pequena camada de abstração de hardware, permitindo que diversos sistemas
operacionais pudessem funcionar concorrentemente sobre um mesmo hardware real.
Cada uma dessas MVs oferecia uma interface virtualizada de execução suficientemente
similar ao hardware real sob o qual funcionava, o que garantia um nível suficiente de
similaridade com o sistema real para uma execução consistente das aplicações sem a
necessidade de modificá-las em função da virtualização.
O mecanismo de VMM é bastante flexível e permite a virtualização de diversas
arquiteturas de computadores, desde computadores com arquitetura x86 de baixo custo
até arquiteturas de alto desempenho como os processadores vetoriais (BELLARD,
2000).
Porém, com o surgimento dos sistemas operacionais modernos e com suporte a
execução de multi-tarefas, associado ao notável crescimento do poder computacional
dos computadores comerciais, a importância das MVs foi decaindo, passando de uma
área promissora para uma mera curiosidade acadêmica por décadas. Muito do foco na
última década foi dedicado as MVs em nível de software, como mostra a Figura 1,
empregando os mesmos conceitos de virtualização, porém para um escopo de execução
limitado a camada de aplicativos, e não de sistema operacional.
7
Figura 1: A estrutura de um sistema computacional moderno com a utilização de uma máquina
virtual em nível de software (ROSEMBLUM, 2004)
Hardware Real (CPU, RAM, E/S)
Sistema Operacional (Linux, Windows)
Compilador Internet MV (Java, .Net)
Aplicação 1 Aplicação 2
Hardware
Software
Passada a década de 90, tanto o mundo acadêmico quanto as grandes empresas
do setor passaram a manifestar novamente interesse pelas máquinas virtuais em nível de
hardware. Para efeito de simplificação, a menos que seja indicado ao contrário, o
trabalho sempre vai se referir às máquinas virtuais em nível de hardware como MVs.
O ressurgimento das MVs se deu na área acadêmica através dos sistemas de
processamento massivamente paralelo (MPP), difíceis de programar e que necessitavam
de um sistema operacional diferente dos sistemas comerciais. Com as MVs, os
pesquisadores puderam utilizar estes sistemas através de aplicações desenvolvidas para
os sistemas operacionais convencionais, que por sua vez executavam sobre uma MV
representando os sistemas convencionais com execução direta sobre os computadores de
arquitetura MPP (FARREL, 1995).
A combinação de sistemas operacionais modernos com o hardware de baixo
custo e grande capacidade computacional fez com que a proliferação de máquinas
virtuais fosse possível. Com o desperdício computacional cada vez maior e com as
diversas fragilidades impostas pelos sistemas operacionais modernos, a abordagem de
virtualização parece ser uma proposta eficiente para se resolver diversos problemas em
troca de uma deterioração no desempenho da execução virtualizada (MENON at el.
2005) em função da tecnologia e abordagem adotada. Desta forma, como mostra a
Figura 2, a virtualização é um importante componente para promover a abstração do
hardware, mantendo a compatibilidade com a ISA de uma determinada arquitetura e
permitindo a execução de múltiplas instâncias de sistemas operacionais.
8
Figura 2: Monitor da Máquina Virtual, mecanismo sobre as quais diversas máquinas virtuais
podem executar sobre um mesmo hardware real (ROSEMBLUM, 2004).
Hardware Real (CPU, RAM, E/S)
Sistema Operacional
Aplicação Aplicação
Hardware
Máquinas Virtuais
Monitor da Máquina Virtual
Sistema Operacional Sistema Operacional
Aplicação Aplicação
Aplicação Aplicação
Embora sejam sistemas complexos, os sistemas computacionais são baseados
em interfaces de comunicação bem definidas, criando níveis coerentes de abstração
(SMITH & NAIR, 2005) que permitem a redução da complexidade durante a
programação. Por exemplo, embora os circuitos de controle de uma interface de E/S
sejam complexos, a definição clara de seu fluxo de operação e mecanismos de
funcionamento, endereçamento e bits de controle permite que a sua programação seja
simples e feita através de chamadas a interfaces padrão de programação, reconhecidas
pela arquitetura do processador e também pelo sistema operacional. Para o
programador, não importa a complexidade da implementação eletrônica, a forma de
programação é sempre baseada em uma interface bem definida de controle.
Um conjunto de instruções de uma arquitetura (ISA) também segue estes mesmo
princípios de abstração. Ao longo do tempo, diversas empresas vêm desenvolvendo
hardware e software sob a arquitetura IA-32, que é a arquitetura x86 originalmente
proposta pela Intel para os microprocessadores. Empresas, como Microsoft e AMD,
desenvolvem produtos de acordo com a ISA IA-32, e mesmo sendo produtos diferentes,
todos observam as disposições da IA-32 e em função disto todos os produtos
interoperam. Entretanto, o nível de definição das ISA é limitado a um conjunto de
instruções específicas da arquitetura de um processador, ficando os demais subsistemas
e periféricos de E/S de fora de uma padronização mais formal quanto à interface de seus
componentes. Esta falta de total definição de parâmetros, e até mesmo a abrangência de
sua complexidade, ainda não permitem total interoperabilidade entre os diversos
fornecedores. O escopo deste estudo é válido para a arquitetura x86, embora a
9
virtualização seja uma técnica também amplamente empregada em outras ISAs
(FARELL, HIERONSKA & KORDA, 1995).
A abstração de hardware deve ser suficientemente abrangente com relação a sua
ISA. Esta é uma forma de garantir que o conjunto de instruções de uma determinada
arquitetura esteja integralmente transcrita dentro do conjunto de instruções expressadas
por uma MV. Dessa forma, tanto aplicações quanto sistemas operacionais compilados
para esta ISA funcionarão corretamente e de forma previsível dentro da MV. Uma
discussão de uma MV é necessariamente uma discussão sobre arquitetura de
computadores. Para ser confiável, uma MV precisa exprimir a especificação formal das
interfaces do sistema, incluindo o comportamento lógico de todo os subsistemas. A
Figura 3 mostra os níveis de abstração e as interfaces implementadas para exprimir o
funcionamento lógico da arquitetura x86, também aplicável a diversas arquiteturas.
Figura 3: Arquitetura de um sistema com a divisão Hardware/Software marcada pela ISA (SMITH
& NAIR, 2005).
Memória Principal Dispositivos de E/S
ISA
Unidade de
Gerenciamento de
Memória
Barramento de
Sistema
Unidade de
Execução
Ambiente de Execução
Aplicações
Bibliotecas
Sistema Operacional
ABI
API
ISA
Desta forma, cada subsistema pode ser adicionado ao sistema principal de
execução de forma a ser reconhecido pelo SO e pelas aplicações como parte deste
sistema, permitindo também a comunicação de dados através de interfaces que definem
o funcionamento lógico de cada sistema. Para uma MV, a fidelidade da transcrição das
interfaces de cada sistema e subsistema é fundamental para oferecer uma correta
abstração de hardware. Para a construção de uma MV, três interfaces são de
fundamental importância (BREY, 2003):
10
• O conjunto de instruções da arquitetura, ou instruction set architecture (ISA);
• A interface binária das aplicações ou application binary interface (ABI);
• A interface de programação da aplicação ou application programming interface
(API).
Essas interfaces serão detalhadas nas seções a seguir.
2.3. Abrangência de Transcrição da ISA
A ISA marca a divisão entre o hardware e o software. A ISA é composta na
maioria das arquiteturas de dois conjuntos; um conjunto de instruções para execução em
modo usuário, ou ISA Usuário, e que oferece um subconjunto de instruções visível às
aplicações de usuário, e também de um conjunto de instruções ISA Supervisor, que
constituem o conjunto completo de instruções visível ao Sistema Operacional e aos
mecanismos de controle e gerenciamento dos recursos de hardware apenas.
Processadores modernos oferecem também um conjunto de instruções
especialmente desenvolvidas para aprimorar o funcionamento da virtualização,
reduzindo a complexidade do software da VMM (NEIGER, et al. 2006). Um exemplo é
a tecnologia Intel Virtualization, disponível nas versões VT-x para processadores x86 e
VT-i para processadores Itanium de 64-bits (ROSENBLUM, 2004). Estas tecnologias
têm como objetivo superar as dificuldades de virtualização presente em cada uma destas
arquiteturas de forma a oferecer um conjunto adicional de instruções que simplificam as
operações realizadas pela VMM.
2.4. Interface Binária de Aplicação
A ABI oferece uma interface para que aplicações tenham acesso aos recursos de
hardware através da ISA Usuário e a interface de chamada de sistema. A ABI não
oferece as instruções de sistema e todos os acessos aos recursos de hardware são feitos
através de chamadas aos procedimentos de acesso a hardware do SO, como mostra a
Figura 3. Esta interface do SO é suficientemente abstraída para cada conjunto de
subsistemas (placa de rede, interface com portas seriais, USB, etc) de forma a permitir
11
que cada aplicação consiga acessar os subsistemas de hardware sem ter conhecimento
completo sobre a sua implementação.
2.5. Máquinas Virtuais de Linguagens de Alto Nível
Máquinas Virtuais de Linguagens de Alto Nível (High Level Language – HLL),
ou máquinas virtuais em nível de linguagem, como o ambiente de execução Java (SUN
MICROSYSTEMS, 1999) e o .Net Framework (MICROSOFT CORPORATION, 2002)
emulam uma arquitetura padrão sobre diversas outras arquiteturas reais de hardware,
desde que haja um porte específico do ambiente de execução virtual para estas diversas
arquiteturas. Esta abordagem oferece uma série de vantagens do ponto de vista de
interoperabilidade de software entre diversas arquiteturas distintas.
Embora este tipo de MV não seja de interesse principal para este estudo, elas
também apresentam características comuns aos demais tipos de MVs, como a
necessidade de implementarem uma camada de abstração capaz de expor uma ISA.
A definição de uma arquitetura virtual completa para uma MV de Linguagem de
Alto Nível não corresponde diretamente a nenhuma arquitetura real de hardware, ao
contrário, procura definir um conjunto de interfaces capaz de exprimir todos os recursos
disponibilizados pelo ambiente de execução virtual para um processo. Na comparação
da Figura 4, o lado direito da figura mostra mais claramente o processo. Em uma
aplicação com execução nativa (lado esquerdo da Figura 4), o código-fonte compilado
dá origem a um código objeto ligeiramente similar ao da máquina, porém mais
abstraído em linguagem de programação, e então este código objeto dá origem aos
binários compatíveis com as instruções da arquitetura da máquina.
No compilador para uma MV HLL (lado direito da Figura 4), o código fonte
gerado para uma ISA virtual, que especifica as interfaces de programação da MV, é
compilado e este código intermediário a linguagem de montagem da MV é distribuído
para execução em diversas plataformas.
12
Figura 4: Comparação entre a execução gerenciada pelo Sistema Operacional e um ambiente de
MV HLL com um
gerenciador próprio.
Programa HLL
Código Intermediário
Código Objeto
Memória
(Gerenciada pelo Sistema
Operacional)
Programa HLL
Código Portável
Memória (Gerenciada
pela MV)
Instruções Nativas
(Interface entre a VM e o Sistema
Operacional)
Compilador (Código Fonte)
Compilador (Código Objeto)
Distribuição
Gerenciador de Processor - SO
Compilador
Gerenciador de Processos MV
Distribuição
Interpretador
A MV HLL executa sobre o sistema operacional como um processo, e dentro
deste processo todo o ambiente virtual é emulado, de forma a garantir as aplicações
dentro deste ambiente total isolamento com relação ao sistema operacional do
computador. Esta abordagem, entretanto, não deixa de exigir para a MV HLL uma
definição rigorosa da ISA emulada, garantindo a mesma especificação para ISA para
execução sobre diferentes plataformas.
2.6. Máquinas Virtuais de Sistema
Uma máquina virtual de sistema implementa um ambiente completo na qual o
sistema operacional e os processos podem co-existir. Através de máquinas virtuais, um
único hardware pode suportar diversos sistemas completos operando concorrentemente,
sendo que cada sistema, a rigor, não tem conhecimento da execução do outro sistema.
As MVs de sistema surgiram durante a década de 1960 e começo da década de
1970. Naquele tempo, o contexto da computação era dominado pelos mainframes,
servidores de grande porte, caros e geralmente com uso compartilhado entre diversos
usuários. A conveniência da tecnologia de MVs permitia que múltiplos usuários
13
utilizassem os mainframes com diferentes SOs. À medida que os hardwares ficaram
mais acessíveis e mais poderosos, a tecnologia de virtualização foi lenta e
consistentemente abrangendo também os computadores comerciais de baixo custo
equipados com processadores x86.
A possibilidade de virtualização da arquitetura x86 apresenta vantagens
interessantes, pois se trata de uma arquitetura com grande adoção de mercado, de baixo
custo e com diversos softwares já desenvolvidos para ela. É também a arquitetura mais
presente nas diversas áreas da economia, como ciências, educação, indústria em geral e
mercado financeiro (ZHAO, et al. 2006).
Provavelmente a aplicação mais importante das MVs de Sistema seja a isolação
de aplicações, permitindo que múltiplos sistemas funcionem concorrentemente sobre o
mesmo hardware. Em um sistema virtualizado através de VMM, as interfaces virtuais
de cada instância da MV são replicadas para cada instância, permitindo que cada SO
enxergue o computador como sendo inteiramente seu (LEVASSEUR, et al, 2005).
Desta forma, cabe a VMM ter acesso, controlar e gerenciar todos os recursos de
hardware. Um SO convidado (executando sobre uma instância da MV) possui
autonomia para gerenciar suas aplicações, mas a sua execução dentro do escalonador de
instruções do processador é controlada pela VMM. Quando o SO convidado executa
uma instrução privilegiada com interatividade direta sobre um recurso possivelmente
compartilhado de hardware, a VMM intercepta a operação e avalia as condições de
execução segura. Se a execução for segura, a VMM executa a instrução protegida como
se fosse o SO convidado, retornando o resultado novamente para o mecanismo de write
back do processador virtualizado. Para as aplicações executando dentro do SO
convidado, toda a operação é transparente.
2.7. Máquinas Virtuais de Sistema Clássicas
Atualmente, diversos mecanismos de virtualização aplicam técnicas que
oferecem os recursos de abstração de hardware e transcrição de instruções de uma ISA,
sendo, portanto, candidatos a aplicação no middleware do FlexLab. Entretanto, em
função do mecanismo de virtualização adotado, características como desempenho,
fidelidade e segurança, todas necessárias para o funcionamento esperado do middleware
14
de virtualização do FlexLab, podem não estar presentes em função dos desafios
apresentados pela arquitetura x86 de processadores aos mecanismos de virtualização. A
virtualização através de VMMs, também consideradas Máquinas Virtuais de Sistema
Clássicas, envolve um conjunto de definições e características necessárias para o
funcionamento do FlexLab e cujo entendimento é necessário para a definição do modelo
de virtualização a ser utilizado pela proposta de middleware de virtualização, conforme
o trabalho apresenta nesta seção.
Do ponto de vista das aplicações em execução dentro do SO Convidado, todos
os mecanismos de virtualização apresentam o mesmo comportamento (ou seja, o
comportamento de um computador real), e os detalhes de implantação variam de acordo
com a técnica adotada de virtualização. Os modelos clássicos de virtualização
(GOLDBERG, 1973) previam a VMM funcionando diretamente sobre o hardware, com
cada MV funcionando diretamente sobre a VMM. Toda a VMM executa com o maior
nível de privilégio no sistema, enquanto que as demais camadas de software (MV, SO
Convidado, Aplicações) possuem gradualmente menores níveis de privilégio.
De acordo com a definição de Popek e Goldberg (POPEK & GOLDBERG,
1974), três características são essenciais para um software ser considerado uma VMM, a
saber:
1. Fidelidade: Com exceção da degradação de desempenho, o software
executando sobre a VMM deve possuir o mesmo comportamento do software
executando sobre o hardware real, mesmo em um ambiente onde haja
concorrência entre múltiplas instâncias de MVs em execução – este requisito faz
com que os Sistemas Operacionais de tempo real não sejam qualificados
também como VMMs;
2. Desempenho: A grande maioria das instruções do SO convidado deve executar
diretamente sobre o processador real sem a intervenção direta da VMM – esta
característica faz com que os emuladores não sejam também qualificados
erroneamente como uma VMM, embora sejam capazes de introduzir um nível de
virtualização da arquitetura;
3. Segurança: A VMM deve ser a responsável por gerenciar o acesso e uso de
todos os recursos de hardware – desta forma, nenhuma aplicação executando
sobre uma MV pode acessar diretamente os recursos de hardware previamente
alocados para uma outra instância de MV.
15
A MV é o ambiente criado pela VMM, como mostra a Figura 5, servindo também
para a criação de um sistema com suporte a multi-tarefa, uma importante característica
mantida pela VMM e que permite com que ela suporte sistemas operacionais modernos,
como Linux e Microsoft Windows.
Embora o modelo de virtualização de Popek e Goldberg parta de afirmações
simplificadas a respeito da arquitetura de computadores da terceira geração, este modelo
de virtualização proposto é bastante conveniente para analisarmos a eficiência de uma
arquitetura quanto à possibilidade de virtualizá-la.
Dentro deste modelo, ambos determinaram quais são as principais características
que uma ISA deve apresentar para oferecer suporte a virtualização atendendo às
necessidades inerentes de um sistema virtualizado. Além disso, a MV também pode
apresentar um ou mais processadores, diversos dispositivos de E/S, segmentação e
paginação de memória e suporte a memória virtual.
Uma MV é apresentada como sendo composto de um processador clássico, que
disponibiliza dois modos de execução: modo supervisor e modo usuário. No modo
supervisor, o escalonador de instruções pode executar todas as suas instruções
disponibilizadas pela arquitetura. Em modo usuário, algumas instruções privilegiadas
possuem sua execução negada. Esta característica de execução é comum a todos os
computadores derivados da terceira geração, como os baseados na arquitetura x86.
Figura 5: Máquina Virtual Clássica de acordo com a proposta de Goldberg (GOLDBERG, 1973).
VMM
Hardware
MV1 MVnMV2
O processo de virtualização parte do princípio de que existe um número finito de
estados para a MV, sendo que cada estado possui quatro componentes que o qualificam:
Instrução de memória E, modo do processador M, contador de programa P e registrador
de realocação R, que indica qual a posição de memória equivalente ao “zero” para
determinação do off-set para a área de memória virtual, configurando assim como um
16
registrador para realocação da área limite de memória da MV. Desta forma, o estado da
MV é dado por:
S = <E, M,P,R>
O registrador E aponta para a i-ésima posição da área de dados da MV no
formato E[i] somente se E’[i] para qualquer 0≤ i < q. Por exemplo, se for necessário
que a MV acesse toda a área de memória do computador, então o registrador de
realocação R receberá a posição relativa de memória 0 (em relação a VMM) e o limite
superior de memória será q-1. Desta forma, se uma instrução gera um endereço a
qualquer, seu processamento é dado por:
if a + 1≥ q then memorytrap else
if a > b then memorytrap
else do E[a + 1];
O contador de programa P é um endereço relativo para o conteúdo apontado por
R, que age como um índice dentro do registrador E indicando qual a próxima instrução a
ser executada dentro da MV. O estado de S indica o estado atual do sistema real do
computador, e não da MV. O conteúdo desta tripla também é chamado de PSW, ou
palavra de status do programa, desta forma, troca de contextos entre VMs são arbitradas
pela VMM com operações store old-PSW e fetch new-PSW para cada estado S[i].
Cada componente de S pode utilizar somente um número finito de valores, que
podemos definir como um conjunto de estados C sem perda de generalização
(GOLDBERG, 1973). Desta forma, uma instrução i é uma função que define um estado
C
s
inicial e um estado C
f
final onde:
i: C
s
→ C
f
,
Por exemplo, i(S
1
) = S
2
, ou i(E
1
, M
1
, P
1
, R
1
) = (E
2
, M
2
, P
2
, R
2
).
Embora sejam naturalmente complexos, os sistemas computacionais em geral
revelam um mecanismo de certa forma bastante simples de proteção ao redor do
conceito de execução em modo usuário ou modo supervisor, além de um mecanismo de
17
endereçamento e alocação de memória simples, construído em torno do sistema de
realocação de limites (representado no nosso sistema virtualizado pelo registrador R).
A VMM do tipo “trap-and-emulate” era o modelo mais comum de virtualização
(ADAMS & AGESEN, 2006), principalmente no período de 1970, quando havia sido
proposta originalmente por Goldberg para os computadores de terceira geração.
2.8. Comportamento das Instruções
A possibilidade de virtualização de uma arquitetura depende de uma função
definida pelo seu estado S. Uma instrução é privilegiada se e somente se para qualquer
par de estados S
1
= <e, s, p, r> e S
2
<e, s, p, r> na qual i(S
1
) e i(S
2
) não causam um trap
de memória e i(S
2
) causa um trap e i(S
1
) não, onde S
1
é uma instrução de modo
supervisor e S
2
de modo usuário. O trap que ocorre dentro destas circunstâncias é
chamado de trap de uma instrução privilegiada.
Assim, de acordo com a definição, uma instrução privilegiada precisa ser
executada através do mecanismo de trap, o que elimina a possibilidade de utilização de
outras técnicas, como simplesmente atribuir a esta instrução privilegiada uma
equivalente a NOP. Uma instrução NOP que não causa trap pode ser chamada
simplesmente de NOP em modo usuário (POPEK & GOLDBERG, 1974).
Alguns exemplos de instruções privilegiadas e computadores de terceira
geração:
(1) if M = s then load_PSW // IBM System/360 LPSW
else trap;
(2) if M = s then load_R // Honeywell 6000 LBAR, DEC PDP-10
else trap;
É particularmente interessante também definir os tipos de traps. Um trap de
memória é causado, como pode-se inferir logicamente, por uma instrução que requisita
um endereço de memória que está além dos limites definidos no registrador de
realocação do endereço de limite da memória, o registrador R.
18
if a + l ≥ q then trap;
if a ≥ b then trap
Outro tipo de trap é o trap de instruções privilegiadas, em função de uma
instrução a ser executada em modo supervisor ou modo privilegiado.
As instruções privilegiadas dizem respeito a características específicas da
máquina e não dizem respeito ao ambiente de execução virtual. Outro grupo importante
de instruções são as instruções sensíveis, as quais podem ser classificadas de duas
maneiras:
1. Instruções Sensíveis ao Controle: Instruções que podem mudar a quantidade de
memória e recursos disponíveis, ou afetam o modo do processador sem causar
uma seqüência de trap de memória;
2. Instruções sensíveis ao Comportamento: Instruções que podem mudar o estado
do processador ou a área de endereçamento da VMM em função da resposta
obtida por uma determinada operação. Um exemplo de instrução sensível ao
contexto são as instruções que fazem referência a um endereço real de memória.
Uma instrução é sensível ao controle se existe um estado S
1
= <e
1
, m
1
, p
1
, r
1
> e
i(S
1
) = S
2
= <e
2
, m
2
, p
2
, r
2
> tal que i(S
1
) não sofre um trap de memória e nem (a) r
1
≠ r
2
ou (b) m
1
≠ m
2
, ou ambos.
Em uma definição intuitiva de uma VMM, define-se que o controle completo sobre
os recursos do sistema é um requisito. Entretanto, instruções sensíveis ao controle são
instruções que podem potencialmente afetar este controle dos recursos.
Instruções sensíveis ao comportamento ocorrem normalmente quando o efeito da
execução de uma instrução depende do valor apontado pelo registrador de realocação de
limite de memória, ou seja, depende de um valor armazenado em uma região de
memória real ou depende do modo de operação do processador. Exemplos de instruções
sensíveis ao comportamento são instruções que têm como parâmetro um endereço de
uma instrução anterior.
19
2.9. Virtualização por meio de VMM Clássica
Mesmo nas MVs mais recentes, a VMM é a porção de software que exerce o
papel de Programa de Controle. Este programa exibe certas características e é
composto por diversos módulos que permitem a virtualização da arquitetura x86, que
podem ser representados por três grupos diferentes (GOLDBERG, 1973).
O primeiro grupo é um Dispatcher D. A sua instrução inicial P é alocada na
posição 1. Este mecanismo despachante pode ser considerado um módulo de controle de
alto nível e decide quais outros módulos devem ser chamados. O segundo grupo é um
Alocador. São as tarefas executadas pelo Alocador que decidem quais recursos de
hardware serão oferecidos para a MV. No caso para a execução de uma única VM, o
Alocador precisa manter a VM e a VMM isoladas. No caso de um ambiente com
múltiplas MVs executando concorrentemente, é o Alocador que gerencia a alocação de
recursos, evitando que um recurso seja compartilhado simultaneamente por duas MVs.
O Alocador é chamado pelo Módulo Despachante sempre que houver uma tentativa de
execução de uma instrução privilegiada na qual seu resultado pode provocar mudanças
nos recursos da máquina dentro de um ambiente de uma MV. Um exemplo é uma
instrução que escreve no registrador R. Se o processador for tratado como um recurso
(no caso de um sistema multiprocessado), uma instrução de halt seria outro exemplo.
O terceiro módulo no programa de controle pode ser chamado de Interpretador,
já que é responsável por definir uma rotina de tratamento para cada instrução
privilegiada que realiza um trap. Cada rotina do interpretador tem como objetivo
simular o efeito da instrução privilegiada que foi capturada pela VMM. Se i(S
1
) = S
2
significa que o estado S
1
está mapeado no estado S
2
pela instrução i, então concordamos
que ij(S
1
) = S
2
significa que existe um estado S
3
tal que i(S
1
) = S
3
e j(S
3
) = S
2
.
Usando v
i
para representar uma série de instruções, então para representar uma
série de rotinas de interpretação nós temos {v
i
}, i = 1 até m, onde m é o número de
instruções privilegiadas. Assim como as instruções privilegiadas, o Dispatcher e o
Alocador também são seqüências de instruções. Um Programa de Controle é então
definido como sendo CP = <D, A, {v
i
}> em função dos seus três módulos. Qualquer
programa de controle de interesse para nós serão aqueles que satisfizerem algumas
condições. O Programa de Controle em um modelo clássico irá executar em modo
supervisor, assim, o PSW no endereço 1 é carregado por hardware quando um trap
20
ocorrer, seu modo é ajustado para supervisor e o contador de programa ajustado para a
primeira posição do Despachante, iniciando a MV. Observamos também que todos os
demais programas executam em modo usuário. Assim, o PSW, que o programa de
controle carrega como sua última operação devolvendo o controle de execução do
sistema de volta para o programa em operação, terá o seu modo de operação ajustado
para usuário.
Neste modelo, a VMM executa em modo supervisor, fazendo com que todos os
outros programas tenham execução em modo usuário. Todas as instruções em modo
supervisor dos programas são, portanto, interpretadas pela VMM. Desta forma, a VMM
exige a alocação de uma área de memória usada para registrar as operações do modo
simulado da MV, uma característica que persiste mesmo nas VMM mais recentes.
2.10. Propriedades das MVs
Existem três propriedades de interesse para qualquer programa executando sobre
o programa de controle residente (RUTH, et al. 2005):
1. Eficiência: Todas as instruções consideradas inócuas (ou seja, que
não exigem um trap) são executadas diretamente por hardware sem
intervenção por parte do programa de controle;
2. Controle de Recursos: Deve ser impossível para a aplicação rodando
sobre o Programa de Controle alterar qualquer recurso do sistema,
como por exemplo, a quantidade de memória alocada.
3. Equivalência: Qualquer programa K executando sobre um programa
de controle residente, com duas possíveis exceções, executa de forma
indistinguível caso estivesse rodando sem o programa de controle e K
possui liberdade para acessar qualquer instrução privilegiada.
As únicas duas exceções são caracterizadas por problemas de disponibilidade de
recursos e temporização. Em função de alguma penalização sobre o tempo original de
execução das instruções de K induzidas pelo Programa de Controle, uma seqüência de
instruções em K pode demorar mais do que o previsto para ser executada, assim,
qualquer suposição sobre o tempo de execução de um dado conjunto de instruções pode
ser inválida sob determinadas condições. Problemas com disponibilidade de recursos
21
ocorrem quando o Alocador não consegue atender a uma requisição de alocação de
memória, por exemplo, alterando o valor do registrado R. Esta situação pode ocorrer
uma vez que uma MV é logicamente igual ao hardware, mas oferece menos recursos
disponíveis para as aplicações. Assim, qualquer VMM deve atender a estes três
requisitos de forma que qualquer programa rodando sobre a VMM enxergue uma MV.
Assim sendo, o Teorema 1 (GOLDBERG, 1973) define:
Teorema 1: Para qualquer computador convencional de terceira
geração, um monitor de máquina virtual pode ser construído se o conjunto de
instruções sensíveis para este computador é um subconjunto do conjunto de
instruções privilegiadas.
Ao considerar a VMM como um Programa de Controle capaz de manter o
homomorfismo (que em álgebra, é uma aplicação que preserva uma estrutura) sobre um
conjunto de estados de máquina possíveis C, então teríamos Cv contendo todos os
estados para as quais a VMM está presente na memória e o valor de P na PSW
armazenada na posição 1 é igual a primeira posição da VMM. O segundo conjunto Cr
contém os demais estados reais. Os dois conjuntos refletem os possíveis estados da
máquina real com e sem a VMM, respectivamente. Cada instrução no conjunto de
instruções do processador pode ser pensada como uma operação unária sobre o conjunto
de estados i(S
j
) = S
k
. Assim, cada seqüência de instruções pode ser pensada como um
operador unário no estado C. Sobre este conjunto de instruções, um mapeamento pode
ser verificado de forma a atender aos requisitos de uma MV.
Um Mapeamento da Máquina Virtual (VM Map) f: Cr → Cv é um
homomorfismo um para um para todos os operadores e
i
em uma seqüência de instruções
I, assim, para cada estado Si
∈
Cr e para qualquer seqüência e
i
de instruções, existe uma
seqüência e
i
’ tal que f(e
i
(S
i
) = e
i
’(f(S
i
)). Esta correspondência é mostrada na Figura 6,
relacionando a seqüência de instruções para um conjunto de estados Cr real e um
conjunto de estados Cv virtual.
22
S
i
S
j
S’
i
S’
j
e’
i
(S’
i
)
e
i
(S
i
)
f(S
i
)
Cr
Cv
Figura 6: O Mapeamento da Máquina Virtual (GOLDBERG, 1973)
Existe, portanto, um mapeamento matemático dos estados Cv da máquina virtual
sobre os estados Cr da máquina real. Além disso, vemos a existência de uma seqüência
de instruções e’
i
no domínio dos estados virtuais Cv que corresponde à seqüência e
i
no
domínio dos estados reais Cr, o que indica que para cada seqüência de instruções reais
e
i
existe também uma seqüência de instruções virtuais e’
i
equivalente.
Esta definição da Figura 6 também garante a equivalência de funcionamento
entre a máquina real e a virtual, onde todas as seqüências de instruções presentes no
hardware virtual refletem em uma operação similar realizada no hardware real. Como
apresentado no Teorema 1, um Programa de Controle construído com base nestes
fundamentos demonstra as propriedades de equivalência, controle de recursos e
eficiência.
Pela definição de instruções sensíveis mostrada anteriormente, é possível definir
que apenas instruções inócuas (que não são consideradas instruções sensíveis) podem
executar diretamente sobre o processador. Todas as instruções sensíveis sofrem trap e
são executadas por uma rotina de tratamento de instruções que executam em modo
privilegiado ou podem alterar o estado de alocação dos recursos.
Desta forma, a eficiência também é contemplada nas VMMs. A equivalência
também é facilmente demonstrada através da Figura 6. Através da aplicação do
mapeamento da máquina virtual, todas as instruções inócuas são executadas diretamente
sobre o processador sob o conjunto de instruções reais do processador. Todas as
23
instruções que realizam trap são executadas sob um mapeamento similar, entretanto
através de rotinas de tratamento do trap. Considerando estas características, é possível
estabelecer quais as condições necessárias para que uma máquina seja virtualizável,
definindo todas as características desejáveis. Em diversos aspectos, a arquitetura x86
não é a rigor totalmente virtualizável, mas a flexibilidade do modelo trap-and-emulate
permite que uma arquitetura seja virtualizável mesmo não atendendo plenamente aos
requisitos do Teorema 1.
2.11. Máquinas Virtuais Híbridas
Poucas máquinas de terceira geração foram projetadas para serem virtualizadas.
Um relaxamento nas definições de uma máquina virtual permite a criação de modelos
híbridos, que embora não ofereçam a mesma classe de desempenho, oferecem ainda
todas as possibilidades oferecidas pela virtualização e podemos chamar de Máquinas
Virtuais Híbridas. Para simplificar a qualificação dos modelos híbridos, é possível
agrupar as instruções sensíveis em dois conjuntos, sem necessariamente dividi-las em
duas novas categorias (GOLDBERG, 1973):
- Uma instrução i é dita sensível para o usuário se existe um estado S = <E, u, P,
R> para o qual i é sensível ao controle ou sensível ao comportamento. Ou seja, mesmo
aplicações executando em modo usuário oferecem execução de instruções que são
sensíveis ao controle ou a localização.
- Uma instrução i é dita sensível para o modo supervisor se existe um estado S =
<E, s, P, R> para o qual i é sensível ao controle ou ao comportamento.
Ou seja, tanto o modo usuário quanto o modo supervisor apresentam instruções
que do ponto de vista da virtualização apresentam a necessidade de execução através de
uma rotina de tratamento para instruções sensíveis e não podem ser executadas
diretamente pela MV no processador. Com isso, Goldberg estabelece um segundo
teorema (GOLDBERG, 1973):
24
Teorema 2: Um monitor híbrido de máquina virtual pode ser construído a partir
de uma máquina de terceira geração na qual o conjunto de instruções sensíveis
para o usuário é um subconjunto do conjunto de instruções privilegiadas.
Assim, para pontuar a principal diferença entre uma MV Híbrida (ou HVM) e
uma VMM podemos considerar que em um monitor de HVM, todas as instruções no
modo supervisor virtual são interpretadas. Com exceção deste detalhe, todas as demais
características de um HVM são iguais as de um VMM. Assim, todas as instruções
sensíveis são interceptadas pelo HVM e simuladas.
Em um computador com uma instrução hipotética JSRT 1, cuja função é
retornar para o modo usuário, e supondo que esta instrução não é privilegiada, apenas
sensível a comportamento, então em função desta instrução um computador não poderia
abrigar uma VMM. Entretanto, usando o mecanismo híbrido com interpretação de todas
as instruções sensíveis, é possível realizar a virtualização de acordo com os Teoremas 1
e 2 apresentados.
O principal objetivo do mecanismo de virtualização proposto por Goldberg é
diminuir qualquer forma de degradação do desempenho devida à execução de um
VMM. Com sua proposta baseada no mecanismo de trap-and-emulate, um sistema
virtualizado ofereceria o máximo de proximidade em termos de funcionamento lógico e
aparente ao de um sistema real sem a necessidade de uma camada de interpretação
muito extensa e ineficiente, mesmo em casos como o de uma MV Híbrida.
2.12. Tratamento de Instruções Sensíveis
Como observado através dos Teoremas de Goldberg, determinadas
características oferecidas por uma ISA não necessariamente atendem aos requisitos de
um sistema totalmente virtualizável. Esta deficiência foi contornada por máquinas
virtuais híbridas sem, no entanto, conseguir atender plenamente a propriedade de
eficiência. Para ser eficiente, uma VMM em arquiteturas não virtualizáveis deve tratar
corretamente a execução de instruções sensíveis (WHITAKER, et al. 2005).
Uma técnica para tratar instruções sensíveis é conhecida como patching, também
normalmente usada em recompilação dinâmica. As instruções críticas são descobertas e
analisadas em tempo de execução e recolocadas com uma trap dentro da VMM. Este
25
processo é pouco eficiente e para minimizar os problemas de desempenho, mecanismos
para cache do código a ser emulado pelo trap ou mesmo assistência em hardware tem
sido proposta, como a tecnologia Intel Virtualization VT-x e VT-i (UHLIG, et al. 2005).
Uma outra abordagem, porém sem exigir mecanismos especiais de virtualização
na arquitetura x86 é a da paravirtualização, que nem sempre é atraente em determinadas
situações por exigir alterações no Sistema Operacional Hospedeiro (SOH), embora
ofereça a menor degradação possível de desempenho.
2.13. Virtualização Clássica no Contexto da Arquitetura x86
Historicamente os sistemas x86 sofreram da falta de suporte para virtualização
(ROBIN & IRVINE, 2000), o que exige que a VMM explore técnicas como patching
que deterioram o desempenho. Outras técnicas baseadas em paravirtualização, aplicadas
em máquinas virtuais como o XEN (MENON, et al. 2003), exigem a adaptação do
sistema operacional para funcionarem corretamente, o que, embora seja uma das
técnicas que permite o melhor desempenho, nem sempre é a melhor alternativa em
função das necessidades da solução (BARHAM et al, 2000).
Para promover a virtualização clássica do tipo trap-and-emulate, Goldberg e
Popek definiram parâmetros para medir a capacidade de uma dada ISA de oferecer
suporte para a virtualização. De acordo com Adams e Agesen (ADAMS & AGESEN,
2006), uma confusão entre “arquitetura virtualizável” e “arquitetura favorável a
execução de trap-and-emulate” tem sido feita. Para evitar a confusão entre os dois
conceitos, Adams e Agesen sugerem o termo “classicamente virtualizável” para definir
as arquiteturas que podem ser virtualizadas totalmente com a adoção de trap-and-
emulate. Neste caso, a arquitetura x86 não é classicamente virtualizável nos critérios
adotados por Popek e Goldberg.
Em uma VMM clássica, o sistema operacional convidado é executado em um
nível de privilégio inferior ao da VMM. A VMM é capaz de interceptar todas as
instruções que executam leitura ou escrita em áreas protegidas (ou privilegiadas) de
contexto. Exemplos destas instruções são as instruções de escrita em uma área de
memória mapeada de um dispositivo de E/S. Uma VMM clássica executa o SO
diretamente sobre o processador e intercepta as instruções privilegiadas, causando um
trap e então emulando a sua execução através do mecanismo de execução da VMM,
26
retornando a resposta da execução para a chamada de instrução do sistema operacional.
Esse mecanismo é possível, pois a VMM é executada em um nível de maior prioridade
do que o do sistema operacional e esta técnica, explorada por Popek e Goldberg, é
conhecida como “desprivilegização”.
2.14. Estruturas Primárias e Estruturas Sombreadas
Por definição, a VMM possui um estado de privilégio inferior ao da camada de
hardware sob o qual executa. Para o sistema operacional convidado, esta diferença não
deve existir e para atender as expectativas do sistema operacional, a VMM cria
estruturas sombreadas derivadas das estruturas primárias do hardware. A CPU contém
em seus registradores internos dados que estão dentro do estado de privilégio, por
exemplo, o registrador para os ponteiros das tabelas de páginas ou o registrador de
status do processador.
Para criar uma estrutura sombreada, a VMM mantém uma imagem do
registrador do sistema convidado, e faz referência a essa imagem sempre que uma
instrução for emulada após um trap. Entretanto, alguns dados fora da CPU e que são
privilegiadas, como as tabelas de páginas, podem residir em memória. Neste caso, o
acesso por parte do SO convidado através de uma estrutura sombreada pode não
coincidir com as instruções de trap sobre a estrutura primária.
Exemplos são as entradas de uma tabela de paginação, que estão em memória e
são de acesso privilegiado em função das permissões de acesso. Operações de E/S
através de DMA podem alterar a PTE tornando a estrutura sombreada do SO convidado
inconsistente com a estrutura primária (BREY, 2003).
Para manter coerência com as estrutura primárias, um mecanismo de
“Rastreamento de Memória”, ou Memory Trace é implementando em conjunto com as
Estruturas de Sombra (SMITH & NAIR, 2005). As VMMs em geral utilizam
mecanismos em hardware para proteção de paginação para realizar o trap de operações
em estruturas de dados em memória. Por exemplo, as estruturas de sombra da PTE do
SO convidado derivadas das PTEs em memória são construídas com proteção de escrita,
assim como dispositivos de E/S mapeados em memória também possuem suas páginas
protegidas para leitura e escrita. Esta técnica de proteção de página é conhecida como
tracing ou rastreamento. VMMs clássicas tratam uma exceção de tracing de forma
27
similar a um trap de uma instrução privilegiada: decodifica a instrução do sistema
operacional que gerou o trap e emula o seu efeito sobre a estrutura primária,
propagando manualmente as alterações também na estrutura sombreada. Em um sistema
x86, para proteger o sistema hospedeiro do SO convidado, a VMM constrói algumas
estruturas de sombra, como uma tabela de páginas de sombra sobre a qual ficam
alocadas as tabelas de páginas de endereçamento de 2, 3 ou 4 níveis. O ponteiro que
armazena o endereço desta tabela fica em uma área protegida dos registradores.
Quando a VMM passa a gerenciar a tabela de páginas sombreadas, ela trata esta
tabela como uma cache das tabelas de páginas do SO convidado (ADAMS & AGESEN,
2006). Conforme o SO convidado acessa áreas ainda não alocadas do endereçamento
virtual, falhas de paginação geradas por hardware são vetorizadas pelo controle da
VMM. A VMM então identifica falhas reais de paginação, causadas pelos mecanismos
de codificação da política de escrita e leitura da PTE do SO convidado. As falhas reais
são encaminhadas para o mecanismo primário de PTE, que cria as novas áreas de
endereçamento e seu resultado é então copiado na PTE da área de sombreamento da
VMM, que reconstrói seu sombreamento de forma a se manter consistente.
A VMM usa o mecanismo de trace para se manter coerente com a PTE
convidada. O resultado do uso deste mecanismo é uma grande fonte degradação de
desempenho. Entretanto, deixar de aplicar esse mecanismo oneroso pode causar
degradação ainda pior no desempenho, uma vez que diversas trocas de contexto seriam
necessárias para validar as estruturas de sombreamento contra as estruturas primárias a
cada acesso do SO convidado. Também, a ausência de qualquer controle seria uma
fonte de “travamento por dependência de dados” por parte da MV, uma vez que ela teria
que reconstruir a PTE a cada falha de acesso e só então prosseguir com a execução da
MV.
2.15. Otimizações no modelo Clássico de Virtualização
O modelo proposto por Popek e Goldberg pode ser, como dito, relaxado para
que a relação VMM e SO possa oferecer uma troca mais favorável de informações que
privilegie o desempenho. Desta possibilidade, algumas abordagens com foco na
otimização de desempenho surgiram com base em modificações, tanto no hardware
28
quanto no SO, para que o a VMM pudesse oferecer mais flexibilidade na execução
virtual.
Uma abordagem é explorar a flexibilidade na interface SO e VMM, o que
implica em modificações no SO convidado de forma a oferecer um maior nível de
informações para a VMM (KARGER et al¸1990). Esta abordagem vive um novo
momento sob o nome de paravirtualização.
A outra abordagem é explorar a flexibilidade de hardware para que seja possível
otimizar o desempenho da VMM. A arquitetura IBM System 370 introduziu a execução
interpretativa, um modo de execução de hardware especial para sistemas operacionais
convidados (adicionando um modo de execução a mais no modelo minimalista proposto
por Goldberg, como modo usuário e modo supervisor). A VMM executa a maioria das
instruções privilegiadas do SO convidado diretamente sobre o modo especial de
operação do hardware, que prevê um formato específico de operação que é conhecida
pela VMM, mas não necessariamente pelo SO convidado (OSISEK, 1991). Esta
abordagem garantiu uma significativa diminuição no número de traps que precisavam
ser processados por uma VMM sem assistência alguma, mesmo que ainda assim alguns
traps ainda fossem necessários.
2.16. Obstáculos da Arquitetura x86 para a Virtualização
Mesmo ignorando sistemas x86 legados que utilizam os modos x86 “real” e
“virtual”, os modos protegidos de 32 e 64-bits mais recentes também não são
virtualizáveis classicamente e algumas definições da arquitetura x86 oferecem
obstáculos:
1. Visibilidade do Estado de Privilégio: O sistema convidado pode saber que
sofreu uma diminuição no seu privilégio de execução ao ler o seu registrador
%cs seletor de segmento, uma vez que o seu nível atual de privilégio (CPL) é
armazenado nos dois bits menos significativos de %cs.
2. Falta de traps para instruções privilegiadas que são executadas em nível de
usuário: Instruções privilegiadas como popf (“pop flags”) podem alterar as
flags da Unidade Lógica Aritmética e das flags de sistema (por exemplo, a Flag
IF, que controla as interrupções de sistema). Para um convidado sem privilégios
29
de sistema, um popf do kernel precisa ser emulado através de trap pela VMM
contra o IF virtual. Infelizmente, um popf sem privilégios não gera alterações no
registrador IF, que controla a notificação de interrupção. Desta forma, o trap não
acontece.
3. Instruções sensíveis aos Registradores: São instruções que podem ler ou
alterar o conteúdo de registradores e/ou posições de memória tais como
registradores de interrupção. As instruções são:
• SGDT, SIDT, SLDT
• SMSW
• PUSHF, POPF
4. Instruções sensíveis a Proteção do Sistema: Fazem referência ao sistema de
proteção de memória ou sistema de realocação de endereçamento:
• LAR, LSL, VERR, VERW
• POP
• PUSH
• CALL, JMP, INT n, RET
• STR
• MOVE
Embora seja possível listar pelo menos 17 instruções sensíveis (BREY, 2003) e
definir algumas restrições ao modelo de virtualização clássica de Popek e Goldberg,
basta apenas uma única restrição para que um modelo híbrido tenha que ser adotado
para permitir a virtualização da arquitetura x86.
2.17. Considerações Finais
A virtualização de hardware por meio de Máquinas Virtuais de Sistema
Clássicas, como definido por Popek e Goldberg, estabelece critérios de desempenho,
fidelidade e segurança para o funcionamento de VMMs, garantindo, portanto, que uma
MV seja capaz de representar fielmente o sistema real do computador hospedeiro. As
VMMs clássica são, portanto, o modelo de virtualização capaz de oferecer os recursos
de gerenciamento adequados ao funcionamento do middleware de virtualização do
FlexLab. Entretanto, arquiteturas como a x86 oferecem desafios a virtualização clássica
conforme definido por Popek e Goldberg em função da existência de instruções
sensíveis a virtualização, exigindo que as MVs adotem um modelo híbrido de
30
virtualização que combina tradução binária dinâmica (ALTMAN, et al. 1999) com
execução por trap-and-emulate das instruções sensíveis, mantendo-se ainda dentro dos
critérios que estabelecem o funcionamento de uma VMM clássica.
31
3. COMPARAÇÃO ENTRE AS
MÁQUINAS VIRTUAIS
3.1. Considerações Iniciais
As MVs híbridas permitem que computadores dotados de processadores com a
arquitetura x86 sejam virtualizáveis por meio dos mecanismos de emulação, tradução
binária e tradução binária dinâmica e tratamento de instruções sensíveis por trap-and-
emulate. Embora sigam os critérios definidos por Popek e Goldberg, as MVs
apresentam diferentes abordagens e características de funcionamento, conforme
veremos neste Capítulo.
3.2. Tradução Binária na VMM VMware™
As implicações listadas em 2.10 para a virtualização clássica exigem um modelo
onde o sistema operacional executa sobre um interpretador ao invés de diretamente
sobre o hardware físico. Um interpretador pode proteger o vazamento do estado de
privilégio atual e mesmo executar corretamente uma instrução popf ao fazer referência a
uma CPL virtual ao invés de uma CPL real (durante a execução do trap, a instrução é
totalmente emulada pela VMM, e não é executada pela CPU real). De certa forma, o
papel do interpretador é separar o estado virtual (VCPU) do estado físico (CPU).
Entretanto, a interpretação atende apenas a dois dos três requisitos de uma VMM de
Popek: Enquanto fidelidade e segurança são alcançados com a interpretação, o
desempenho fica muito aquém do que definido na virtualização clássica. Ou seja, o
ciclo “carregar-decodificar-executar” pode ser até centenas de vezes mais lenta do que a
execução das instruções diretamente sobre o processador (ADAMS & AGESEN, 2006).
Para atender ao terceiro requisito de Popek e Goldberg, a técnica de tradução
binária pode ser utilizada para manter o rigor semântico das instruções, porém com alto
desempenho. Esta técnica, utilizada na VMM VMware Workstation (WALDSPURGER
32
, 2003) e também no emulador de alto desempenho QEMU (embora apenas a KQEMU
seja considerado uma VMM), permite que a VMM seja construída sobre uma
arquitetura não classicamente virtualizável, no caso x86, mas que a VMM seja de fato
uma VMM de acordo com a definição clássica. Outros exemplos de tradução binária
podem ser encontrados em máquinas virtuais como a Java, que utiliza a tecnologia JIT –
Just in time de execução através de tradução binária.
Tomando como exemplo a VMM VMware Workstation, o mecanismo de
tradução binária tem como propriedades:
1. Entrada Binária: A entrada é em código binário x86, não código fonte.
2. Dinamicidade: A tradução ocorre em tempo de execução intercalada com a
execução do código gerado
3. Sob demanda: O código é traduzido somente quando está para ser executado.
4. Em Nível de Sistema: O tradutor não faz inferências sobre o código do sistema
convidado. As regras são definidas pela ISA x86, não pela ABI. É diferente de
um tradutor em nível de aplicação que pode inferir que “toda chamada a uma
função retorna um endereço”. A VMM não pode fazer essa inferência, pois
precisa manter fidelidade a arquitetura.
5. Saída é um Subconjunto: A entrada do tradutor é o conjunto completo de
instruções x86, incluindo todas as instruções privilegiadas; a saída é um
subconjunto seguro, em geral apenas as instruções do modo usuário (e que são
executadas sobre o processador real).
6. Adaptativa: O código traduzido é ajustado conforme o formato de execução do
sistema operacional convidado para aprimorar a eficiência de execução.
Após testes observados por Adams e Agesen (ADAMS & AGESEN, 2006), a
maioria do código de usuário de aplicações executadas sobre a maioria dos sistemas
operacionais dispensa o uso da tradução binária como forma de proteger o sistema da
execução de instruções não diretamente virtualizáveis, pois estas instruções são raras
mesmo em código supervisor do kernel. Ao trocar a execução do código usuário entre o
mecanismo de execução direta e o mecanismo de tradução binária, nenhum prejuízo foi
percebido em termos de execução além da eliminação do tempo necessário pelo tradutor
binário. De fato, apenas o código de kernel utiliza o mecanismo de tradução binária na
VMM VMware em função das instruções sensíveis que são executadas. O código
33
usuário, que utiliza o processador a maior parte do tempo, é executado diretamente
sobre a CPU real.
Outro dado interessante diz respeito à arquitetura de CPUs modernas, como a dos
processadores Intel Pentium IV. As CPUs modernas possuem sistemas onerosos de
trap, desta forma uma VMM que utiliza Tradução Binária pode executar com melhor
desempenho instruções privilegiadas do que uma VMM clássica ao evitar o trap destas
instruções. Os testes conduzidos por Adams e Agesen em CPUs Pentium IV mostraram
que três implementações para a execução da instrução privilegiada rdstc possuem o
seguinte perfil: Trap-and-emulate toma 2030 ciclos, callout-and-emulate toma 1254
ciclos e emulação na Cache de Tradução toma apenas 216 ciclos (utilizando o
mecanismo de Tradução Binária). Entretanto, enquanto o trap de instruções
privilegiadas pode ser totalmente eliminado com a TB, uma fonte ainda mais comum de
traps ainda se mantém: o trap de instruções não privilegiadas que acessam áreas
protegidas de dados, como as instruções de load and store.
A TB Dinâmica é a técnica utilizada para mitigar este último tipo de trap. A idéia
básica é a de “inocente até que provem a culpa” (BELLARD, 2003). As instruções do
sistema convidado começam a execução como inocentes, garantindo assim que sejam
totalmente executadas por traduções idênticas entre o código gerado pelo sistema
convidado e o código gerado pelo mecanismo de TB. Durante a execução do código
traduzido, a VMM detecta as instruções que sofrem trap constantemente e adapta a sua
tradução, evitando o trap através de uma nova função interpretada ou traduzindo
novamente a instrução para evitar o trap.
Os mecanismos de Interpretação e Tradução Binária conjugados permitem que
grande parte das instruções sejam executadas diretamente pelo processador real, o que
garante a fidelidade e segurança de execução sem implicar em uma degradação de
desempenho que comprometa a terceira definição de Popek e Goldberg para VMMs:
desempenho. Como conseqüência, a paravirtualização não precisa ser utilizada para se
alcançar resultados próximos de desempenho sem a necessidade de se adaptar o sistema
operacional convidado e hospedeiro.
34
3.3. Suporte a Virtualização em Hardware
Lançamentos recentes por parte de Intel (Intel Virtualization VT-x e VT-i) e AMD
(AMD SVM) permitem que os novos processadores x86 com suporte a estas
tecnologias sejam classicamente virtualizados (INTEL VIRTUALIZATION
TECHNOLOGY, 2006), já que a similaridade entre ambas as tecnologias são evidentes.
O hardware passa a exportar agora uma série de extensões que oferecem suporte a
uma VMM clássica para a arquitetura x86. Uma estrutura de dados em memória,
chamada de Bloco de Controle da Máquina Virtual, ou VMCB, combina o estado de
controle com o subconjunto de estado de uma CPU virtual. Assim, é introduzido
também um novo modo de execução, chamado de modo convidado, ou guest mode.
O estado de execução em modo convidado possui menos privilégios que o modo
supervisor, porém permite a execução direta do código convidado, inclusive de
instruções privilegiadas. O antigo ambiente de execução x86 pode ser chamado de host
mode, ou modo de execução do hospedeiro, sendo este nome motivado pela nova
instrução vmrun, que muda o modo de execução de host para guest.
Sobre a execução de vmrun, o hardware carrega o estado do sistema convidado da
VMCB e continua a sua execução em modo guest. A execução em modo convidado
prossegue até que alguma condição, expressada pela VMM através dos bits de controle
da VMCB, é alcançada. Neste momento, o hardware realiza uma operação de saída, ou
seja, uma operação inversa a executada pela instrução vmrun.
Durante a saída, o hardware salva o estado do convidado para a VMCB, e carrega
o estado fornecido pela VMM dentro do hardware, restaurando-o em modo hospedeiro,
e então executando a VMM. Os campos de diagnóstico dentro do VMCB auxiliam a
VMM a tratar as condições de saída. Após emular o efeito da operação de saída no
VMCB, a VMM executa novamente a instrução vmrun, retornando para o modo
convidado. Os bits de controle do VMCB também oferecem alguma flexibilidade
quanto a segurança de execução, permitindo que o sistema operacional convidado
assuma controle e o tratamento de interrupções dos periféricos e tabela de páginas.
As recentes extensões de virtualização oferecem uma solução quase completa de
virtualização, pois, embora ofereça instruções e estruturas próprias para a troca de
controle entre o sistema convidado e o sistema hospedeiro, as novas tecnologias para os
processadores x86 ainda não oferecem uma solução explícita para a virtualização da
35
MMU. Desta forma, todo o processo de rastreamento da memória e estruturas de
sombreamento ainda precisam ser implementadas como descrito anteriormente.
3.4. Discussão sobre as extensões de Virtualização para os
processadores x86
As extensões introduzidas por Intel e AMD para virtualização permitem que os
processadores x86 sejam virtualizados de acordo com a definição clássica. O
desempenho depende basicamente da freqüência de operações de saída. Um convidado
que nunca provoca saídas para a emulação em modo hospedeiro executa a velocidade
nativa, com uma degradação praticamente nula no desempenho geral. Entretanto, se o
convidado precisar realizar operações de E/S, então este cenário deve ser reconsiderado,
para quaisquer operações de E/S.
Para cada instrução do convidado que disparar uma saída (do modo guest para o
modo host de execução) o tempo de execução será dominado pelas trocas de hardware
entre os estados. Portanto, reduzir ao máximo o número de saídas é a chave para a
otimização das VMMs clássicas sobre a arquitetura x86 com extensões para
virtualização.
Para evitar excessivas operações de saída, o suporte a virtualização do x86
implementa idéias similares as idéias introduzidas pelo IBM System 360 de execução
interpretativa. Sempre que possível, as instruções privilegiadas afetam o estado da CPU
virtual conforme representado dentro do VMCB, ao invés de ocasionarem um trap
incondicional (UHLIG et al, 2005).
Considerando novamente o exemplo da instrução popf, uma implementação
simplória das extensões x86 poderia disparar saídas para o modo hospedeiro sempre que
o sistema convidado executasse uma chamada a instrução popf, permitindo que a VMM
atualize os estados virtuais dos bits de interrupção. Entretanto, o sistema convidado
pode executar popf com muita freqüência, o que tornaria esta implementação
inadmissível em termos de desempenho.
Ao invés de implementar um mecanismo altamente dependente das estruturas de
emulação da VMM, as extensões de virtualização do x86 utilizam o VMCB, que inclui
uma estrutura de sombra mantida pelo hardware dos registradores %eflags convidado.
36
Quando está executando em modo convidado, as instruções operando em %eflags
alteram a área sombreada, eliminando a necessidade de saídas desnecessárias.
3.5. Uma comparação qualitativa
A Tradução Binária tende a ser favorecida nas seguintes situações (BELLARD,
2005):
1. Eliminação de Traps: A TB adaptativa pode substituir a maioria dos traps por
chamadas a rotinas mais rápidas.
2. Velocidade de Emulação: Uma rotina de tratamento pode oferecer a uma
rotina de emulação uma instrução pré-decodificada do convidado, já a VMM
por hardware precisa carregar e decodificar a instrução trap do convidado para
então emulá-la e propagar a resposta.
3. Uso reduzido de Chamadas de Tratamento: Para casos freqüentes
observados pela VMM, o mecanismo de TB pode usar as rotinas de emulação
da cache do tradutor para evitar o custo de chamada das rotinas externas de
tratamento.
Da mesma forma, a virtualização por hardware é mais favorecida nas seguintes
áreas (UHLIG, et al. 2005):
1. Densidade de Código: Como não há tradução, a densidade de código é
mantida. Na TB, o código é segmentado em blocos básicos e seu tamanho pode
ser incrementado para suportar a segmentação dos blocos de tradução.
2. Precisão de Exceções: A TB necessita de um trabalho adicional para restaurar
o estado do sistema convidado para o código que gera interrupções ou falhas.
3. Chamadas de Sistema: Dispensam o uso da VMM
As VMMs por software oferecem mais opções para garantir uma execução
eficiente do código convidado, entretanto, exigem muito cuidado em sua engenharia e
em geral oferecem melhor desempenho para situações onde o acesso a operações de E/S
são freqüentes. As VMMs por hardware oferecem boas soluções para a virtualização
37
tradicional por trap-and-emulate e por isso, o atual hardware ainda não é
suficientemente completo para oferecer uma boa solução de virtualização considerando
uma solução de software/hardware para virtualização. Em situações com excessivas
condições de saída, a VMM por hardware oferece uma considerável degradação de
desempenho.
Os gráficos das Figuras 7 e 8 mostram que as diferenças de desempenho entre a
execução da VMM por software e por hardware são bastante próximas, entretanto, fica
também claro que um dos principais problemas de desempenho para a VMM por
hardware é o tratamento de interrupções gerado pela MMU. Talvez esta seja uma das
razões pela qual seu desempenho no comparativo não tenha sido superior frente à VMM
por software, embora ambas tenham oferecido um desempenho para aplicações de
computação intensiva próximo do tempo de execução nativa e um desempenho para
aplicações com operações complexas de acesso a memória com degradação de
desempenho frente a execução nativa.
O comparativo mostrado por Adams e Agensen também mostra que a VMM por
software oferece melhor execução virtualizada de operações relativas a MMU, enquanto
que a VMM por hardware é melhor no tratamento de chamadas de sistema). Uma
possibilidade é utilizar dinamicamente as duas técnicas dentro de uma mesma máquina
virtual, onde através de heurísticas uma ou outra técnica é dinamicamente acionada. O
benefício possível, de acordo com as Figuras 7 e 8, é uma melhor execução frente ao
código nativo, o que representaria por volta de 4% a 5% de degradação de desempenho
para aplicações de computação intensiva e 15% a 20% de degradação de desempenho
para aplicações com operações complexas de memória, chamadas de sistema e E/S.
38
Figura 7: Testes comparativos entre a VMM por software e a VMM por hardware utilizando
SPECint 2000 e SPECjbb 2005. Quanto maiores forem as barras melhores são os resultados
(ADAMS & AGESEN, 2006).
Figura 8: Avaliações utilizando aplicações com diversas operações de E/S. Quanto maiores forem as
barras melhores são os resultados (ADAMS & AGESEN, 2006).
3.6. Semelhanças entre a VMM VMware e o KQEMU
O projeto QEMU (BELLARD, 2005) utiliza o mesmo conceito de Tradução
Binária implementado na VMM por software VMware utilizando um mecanismo de
tradução dinâmica de código aberto, rápido e maduro. No atual estágio, o QEMU é um
39
emulador completo para diversas arquiteturas (incluindo x86, PowerPC, ARM, MIPS e
SPARC) e que permite que um computador seja executado dentro de outro. Por usar
emulação, a degradação de desempenho em relação a execução nativa é na ordem de 4 a
10 vezes para a execução do Windows XP emulado sobre a QEMU de um computador
x86, respectivamente para operações com inteiros e ponto flutuante (MENON, et al,
2005).
Como utiliza emulação completa, a QEMU permite que um sistema operacional
possa executar sobre outro computador sem exigir nenhuma alteração, e oferece
também uma oferta de dispositivos genéricos de E/S emulados:
• Display VGA
• 16450 portas seriais
• Mouse P/S 2
• Disco Rígido por interface emulada
• Placa de Rede NE2000
• Dispositivos Genéricos
• Debugger
• Interface administrativa de usuário
A tradução dinâmica do QEMU executa uma conversão em tempo de execução das
instruções da CPU emulada para as instruções da CPU do sistema hospedeiro. O
resultado é um código binário armazenado na cache de tradução (TC) de forma que
possa ser reutilizado. A vantagem para um interpretador, assim como já visto no
VMware, é que o código só é procurado (fetch)e decodificado (decode) apenas uma vez.
Para oferecer melhor desempenho, a TC possui 16MB de espaço para armazenar as
instruções mais recentes. Entretanto, o desempenho do emulador QEMU não permite
pretensões mais ambiciosas, e em função das definições de Popek e Goldberg para uma
VMM, a QEMU não pode ser considerada uma VMM, embora garanta um ambiente
seguro e isolado de execução. Nesta condição, a QEMU se difere da VMM VMware
justamente por não permitir que a maioria das instruções do sistema convidado sejam
executadas diretamente pelo processador do hardware real. Essa limitação é contornada
com uma versão especial da QEMU dotada de um acelerador, chamada de KQEMU
(BELLARD, 2005).
40
A KQEMU, ao contrário do QEMU, não possui o código fonte aberto, mas é
distribuída gratuitamente. Basicamente implementa um mecanismo de trap-and-emulate
onde a maioria das instruções de kernel e instruções não virtualizáveis (já vistas
anteriormente) são emuladas usando o mecanismo de tradução binária dinâmica e suas
respostas são propagadas para o sistema convidado. Como a grande maioria das
instruções do sistema convidado é inócua (ou seja, não provocam ou não são instruções
sensíveis, de acordo com a definição de Goldberg), podem ser executadas diretamente
pelo processador real.
3.7. Paravirtualização
Sistemas de virtualização como o projeto XEN (BARHMAN, 2004) e o projeto
Denali (WHITAKER, SHAW & GRIBBLE, 2002) procuram diminuir a degradação de
desempenho causada pelos mecanismos de virtualização usando a técnica de
paravirtualização. Esta abordagem oferece uma forte isolação entre as diferentes
instâncias de MVs.
O desempenho de um sistema paravirtualizado é bastante próximo do
desempenho nativo do computador real, entretanto, os sistemas paravirtualizados
exigem que o sistema operacional convidado seja modificado para ser capaz de trocar
informações específicas com a VMM, possibilitando assim a paravirtualização.
Algumas instruções são adicionadas e outras são removidas da MV, e, como
algumas instruções x86 são deixadas de fora da MV, mecanismos como a tradução
binária, não são mais necessárias para oferecer uma arquitetura virtualizável
classicamente. Como a arquitetura x86 é bastante complexa, a remoção de algumas
instruções simplifica a virtualização através da VMM.
Na VMM Denali, o suporte ao sistema de E/S é feito em nível de ISA, assim,
por exemplo, um frame Ethernet inteiro pode ser enviado para a VMM com apenas uma
instrução. Esta forma singular de acrescentar ou diminuir o número de instruções da
MV reduz o número de traps do SO convidado contra a VMM. Assim, no sistema
Denali, o sistema operacional convidado é executado diretamente sobre o hardware,
sem a necessidade de um SO hospedeiro. A VMM também implementa uma camada
completa de programas de controle dos recursos de hardware, o que permite um melhor
41
isolamento e uso dos recursos de hardware, mas torna complexa a implementação da
VMM.
Assim como o mecanismo de carregamento de processos é diferente e exige
modificações no SO convidado, o tratamento de interrupções também é feito através da
VMM, que cria uma fila de interrupções entre todas as MVs e trata as interrupções
direcionadas a uma máquina quando esta entra em operação. Esta abordagem reduz
bastante o número de trocas de contexto e conseqüentemente, a degradação de
desempenho. Para suportar um bom desempenho, os sistemas paravirtualizados
sacrificam inclusive a total compatibilidade com a arquitetura x86.
3.8. Considerações Finais
Os mecanismos de virtualização estão consolidados em três grandes grupos
dentro da arquitetura x86: Tradução Binária Dinâmica, Virtualização Assistida por
Hardware e Paravirtualização (ou virtualização assistida por Sistema Operacional).
Dentro do conceito de virtualização distribuída proposto pelo projeto FlexLab e
explicado em detalhes no Capítulo 5, a virtualização através da Tradução Binária
Dinâmica apresenta um bom compromisso entre requisitos de hardware e software e
desempenho.
A virtualização na arquitetura x86 é um benefício difícil de ser alcançado sem
que haja ou uma VMM complexa, capaz de tratar todas as exceções provocadas pelas
inúmeras situações onde instruções x86 não são virtualizáveis, ou assistência de
hardware ou sistema operacional. Nestes dois últimos casos, existe o inconveniente da
solução adotada não funcionar em todos os computadores do parque atual de máquinas,
uma vez que exigem ou processadores específicos ou portes específicos do sistema
operacional, duas características indesejáveis para uma solução como o FlexLab.
42
4. SISTEMAS DE VIRTUALIZAÇÃO
DISTRIBUÍDA
4.1. Considerações Iniciais
A possibilidade de distribuir o processamento e acesso aos dados em uma rede
local levou à criação de ambientes distribuídos conhecidos como clusters
computacionais. Um cluster computacional pode ser definido como um conjunto
fracamente acoplado de computadores independentes, agrupado para a realização de
uma tarefa computacional, visando oferecer uma imagem de sistema única (SSI – Single
System Image), conforme a Figura 9:
Figura 9: Arquitetura de um Cluster (DODONOV, 2006).
43
Clusters são, geralmente, compostos por computadores homogêneos
interconectados por meio de uma rede local de alto desempenho.
Com o aumento contínuo da complexidade das tarefas a serem solucionadas e
com o alto custo de recursos especializados, tais como máquinas paralelas e clusters, a
necessidade de uma tecnologia que possa utilizar recursos distribuídos em escala
superior tornou-se evidente.
Essa nova tecnologia foi denominada de grid computing, ou grids
computacionais (FOSTER, et al. 2001). Grids são baseadas na suposição de que a maior
parte dos computadores conectados à Internet passam grande parte do tempo ociosos,
sendo possível utilizar uma parcela do seu tempo ocioso para executar tarefas
distribuídas.
4.2. Motivações para o desenvolvimento de Sistemas de
Processamento Distribuído
A conexão dos grids computacionais com a Internet é utilizada para a
distribuição transparente de tarefas como mostra a Figura 10, aumentando
significativamente a capacidade de processamento do ambiente, sem nenhuma restrição
teórica quanto ao número e arquitetura de estações participantes do sistema. Entretanto,
a tecnologia de grids enfrenta diversos problemas como:
1. Configuração heterogênea das estações – diferentemente dos sistemas
distribuídos baseados em clusters e máquinas paralelas, as estações presentes num grid
computacional não apresentam configuração homogênea, podendo variar uma série de
parâmetros de configuração, desde a arquitetura do sistema e dispositivos presentes até
mesmo no sistema operacional utilizado e classe de tarefas executáveis;
2. Possibilidade de operações desconectadas – uma vez que a tecnologia de
grids utiliza o tempo ocioso de estações conectadas à Internet, há a possibilidade que
sejam desligadas, ou utilizadas por aplicações locais do proprietário. Dessa forma, o
processamento realizado na estação pode ser perdido caso não seja migrado;
44
3. Magnitude da distribuição – diferentemente de clusters e máquinas
paralelas, em grids computacionais o número de estações é variável. Dessa forma, não é
possível ter uma imagem única do sistema a não ser através da adoção de tecnologias de
virtualização sob condições específicas;
4. Variação de latência – a variação de latência de acessos aos dados é
altamente dependente do ambiente utilizado, alterando em função dos protocolos de
comunicação, amplitude de distribuição de dados, tamanho de mensagens entre outros
fatores (DODONOV, et al. 2005).
O resultado é a ocorrência de variações não-lineares de tempos de acesso e taxas
de transferência de dados entre EPs de um mesmo ambiente distribuído. Como é
observado, grids computacionais devem tratar questões inerentes à tecnologia, tais
como a heterogeneidade, operações desconectadas e escalabilidade das estações, as
quais incluem a segurança das operações e conexões, distribuição de processamento,
balanceamento de carga e variação de latência.
Figura 10: Arquitetura de um Grid heterogêneo (DODONOV, et al. 2005)
4.3. Ambientes Distribuídos Virtuais
Diversos projetos têm explorado a utilização de um ambiente distribuído virtual
para aplicações de Grid (FIGUEIREDO, et al. 2003) como forma de explorar a
flexibilidade e gerenciamento aprimorado do processamento distribuído através de nós
virtualizados com baixa degradação de desempenho. Além disso, graças a capacidade
45
de isolamento entre diferentes instâncias, as MVs têm sido empregadas em Grids para
oferecer um sistema mais flexível de utilização permitindo mais de uma máquina virtual
por nó sem perder a consistência de isolamento entre as MVs concorrentes.
Os ambientes de Grids virtualizados permitem a migração do estado de execução
de cada máquina virtual abrindo espaço para mecanismos de balanceamento de carga
(ZHAO, et al. 2006) e criação e destruição dinâmica de nós de processamento baseados
em virtualização (ZHANG, et al. 2004).
Em geral, a necessidade de uma ambiente de computação em Grid que ofereça
eficiente compartilhamento e distribuição de recursos, flexibilidade, segurança e
isolamento, abrem espaço para a adoção de MVs como a base para a oferta de
compartilhamento de recursos, segurança e principalmente, administração de recursos
(FIGUEIREDO et al. 2003). Desta forma, diversos middlewares para computação em
Grid foram propostos, como o VMPlants (KRSUL, e al. 2004), PlanetLab, In-VIGO
(ABDALA, et al. 2005), Virtuoso, entre outros. Um ambiente distribuído virtual
propõe:
• Flexibilidade de Configuração;
• Escalabilidade;
• Rápida iniciação da MV;
• Tolerância a Falhas;
• Interoperabilidade;
• Gerenciamento de Recursos.
O ambiente VMPlants procura atender a todos os requisitos listados acima, e
ainda permite que:
• O usuário defina o seu ambiente de execução virtual;
• Arquivar, copiar e compartilhar seu ambiente de execução virtual;
• Instanciar diversos clones de um sistema virtualizado;
• Salvar o estado de uma execução atual;
• Migrar o estado de uma execução atual;
• Retomar a execução de um estado salvo.
46
A utilização de MVs, como no projeto VMPlants, permite uma administração
simplificada dos serviços oferecidos no Grid, uma vez que cada ambiente de execução
pode ser customizado e clonado para ser instanciado em n nós de operação
concorrentemente. A Figura 11 mostra o processo simplificado de configuração de um
ambiente distribuído virtual utilizando o middleware VMPlants.
Registro
Cliente
Criação
Pesquisa
Destruição
Estimativa
Descoberta
Publicação
Associação
Criação
Pesquisa
Destruição
Estimativa
Figura 11: Arquitetura do middleware VMPlants (FIGUEREDO, et al. 2003)
De acordo com a arquitetura do VMPlants, um cliente pode pesquisar ou
requisitar a criação de uma MV personalizada com base em um imagem padrão (Golden
Imagem), e então associar essa nova imagem a uma configuração do Grid (ou iniciar no
Grid uma configuração já salva, caso a imagem já esteja configurada). O serviço
VMShop se encarrega de comunicar os nós do ambiente distribuído e criar, destruir ou
simplesmente levantar estimativas de uso de cada máquina virtual operacional no
ambiente. Desta forma, a criação de uma MV é feita através de um comando enviado
pelo VMShop para um ou x nós do ambiente VMPlants.
Este ambiente copia a imagem da máquina virtual para o seu hardware e inicia a
execução da máquina virtual. Através do middleware, uma máquina virtual pode ser
salva (seu estado de execução) ou destruída, de acordo com os scripts de execução
desenvolvidos para o gerenciamento do ambiente VMPlants (scripts que comandam o
início e o final de execução de uma MV específica funcionando localmente ao nó).
A infra-estrutura de virtualização é flexível e pode ser oferecida por produtos de
mercado como o VMware ESX Server e o VMware Workstation e o desempenho de
47
execução de cada nó é compatível com um tempo de execução virtualizado, já
explorado no item 3.6.
Em experimento conduzido pelo projeto VMPlants (KRSUL, et al. 2004), foi
criado um ambiente com nós configurados com Servidores Dual Pentium 4 2.4GHz
1.5GB RAM, 18GB SCSI e suporte a MVs VMware GSX 2.5.1, além de um servidor
Pentium 3 1.8 GHz, 1GB RAM, 500GB SCSI RAID 5 acessado através de NFS como
servidor de armazenamento dos discos virtuais utilizados pelo VMPlants. Cada nó se
conecta ao servidor de imagens através de um switch Gigabit Ethernet utilizando placas
de rede Ethernet 100Mbps.
Cada nó é configurado com uma VM VMware dotada de interface de rede e as
mensagens de criação são enviadas pelo servidor VMShop. Foi criada uma seqüência de
testes com três tamanhos de imagens: 32MB, 64MB e 256MB. Para cada tamanho de
imagem foram feitas 128, 128 e 40 requisições, respectivamente, onde cada requisição
significa a criação e iniciação de uma MV nos nós. A Figura 12 mostra um gráfico
normalizado com os tempos de criação de uma MV de ponta-a-ponta, onde pode se
observar o tempo gasto para a criação bem sucedida para cada configuração de MV.
Figura 12: Distribuição normalizada da latência para a criação de imagens medidas entre o ponto
de criação de uma MV e sua iniciação nos nós (KRSUL, et al. 2004).
A MV VMware, assim como outras MVs como a KQEMU ou VirtualPC,
permitem, inclusive através de APIs, salvar o estado atual de execução da imagem
(estados dos registradores internos, imagem de RAMDISK, processos, etc) em um
arquivo binário para que a execução da imagem virtual possa ser retomada
posteriormente por outras MVs, inclusive. O middleware VMPlants oferece este recurso
através de scripts de controle entre o servidor VMShop e os nós de virtualização. A
48
Figura 13 mostra o gráfico dos tempos de clonagem de cada uma das configurações de
MVs a partir de uma única Golden Image. Para imagens pequenas com 32MB, o tempo
médio de clonagem é de 10 segundos.
Figura 13: Tempo de clonagem para um número total de requisições seqüências para cada tipo de
configuração de imagem (KRSUL, et al. 2004).
4.4. Virtualização de Discos
O gerenciamento de computadores de forma geral tem se tornado cada vez mais
complexo à medida que o acoplamento entre hardware, software e dados se torna mais
forte, muito em função da evolução de todos os sistemas e subsistemas computacionais
nos últimos anos (ZHOU, ZHANG & XIE, 2006). Em um contexto de computadores
em rede, o desafio de gerenciar os computadores sob uma perspectiva individual e de
ambiente de rede se torna ainda maior, com diversas dificuldades introduzidas à medida
que os computadores passam a armazenar localmente grande quantidade de dados.
Uma alternativa a este problema é a utilização de um gerenciamento centralizado
com discos virtuais distribuídos entre as estações e armazenados em um repositório
central de discos virtuais. Este paradigma prevê que o computador no nó de
gerenciamento não precisa utilizar um disco rígido local, e todo o processo de iniciação
e utilização de dados possa ser feito através de streaming de software dos dados
contidos no disco virtual e armazenado no repositório central de imagens.
Esta abordagem é diferente da utilizada em thin-clients, pois ao contrário desta
solução, todo o processamento é realizado no computador local, desta forma, a solução
49
aproveita todo o poder computacional local e permite que o servidor de imagens virtuais
seja mais simples e barato.
Tecnologias de disco virtuais distribuídos têm sido demonstradas recentemente em
forma de soluções de mercado, como o sistema de virtualização de discos da Ardence
Disk Services (ARDENCE, 2006) e também projetos acadêmicos como o TransCom
(Transparent Computing) que implementa um mecanismo de gerenciamento
centralizado de discos virtuais (ZHOU et al. 2006). Em ambos os casos, os
computadores executam suas tarefas sem um armazenamento local, entretanto, todas as
instruções das aplicações são executadas pelos computadores clientes, o que permite
uma utilização mais racional dos processadores de baixo custo destes computadores.
A tecnologia chave é a utilização de discos virtuais que simulam um dispositivo de
armazenamento físico baseado em blocos usando arquivos de imagens localizados nos
repositórios de imagens e acessados através de rede. O sistema TransCom permite:
1. Suporte a sistemas operacionais heterogêneos: Com modificações mínimas
qualquer sistema operacional pode mapear um disco virtual ao invés do
dispositivo real.
2. Transparência: Para o usuário e aplicações, a utilização do disco virtual é
idêntica ao do disco rígido físico.
3. Compartilhamento flexível de dados e aplicativos: O compartilhamento de
arquivos e aplicativos é transparente, o que permite uma utilização completa do
mecanismo de discos virtuais.
Entre as diversas aplicações, o mecanismo de discos virtuais distribuídos é
especialmente interessante para aplicações educacionais (configuração e gerenciamento
de salas de aulas), aplicações militares (segurança de dados) e aplicações comerciais
corporativas (simplicidade de gerenciamento e redução de custo de hardware), além de
redução no custo total de propriedade ao eliminar diversos problemas relacionados ao
gerenciamento individualizado de cada computador (ZHOU et al. 2006).
A utilização do TransCom, assim como de sistemas similares como o Ardence Disk
Services, é baseada na identificação única de cada cliente através do endereço MAC e
mostrada na Figura 14. Utilizando o protocolo embarcado nas placas de rede com
suporte a PXE, cada cliente é capaz de iniciar o processo de boot atribuindo a seção de
boot ao endereço do software embarcado de boot executado a partir da ROM da placa
50
de rede, geralmente baseado no mecanismo de Etherboot (BAUM et al. 2001). O papel
do Etherboot é oferecer uma pré-iniciação do computador cliente, identificando serviços
básicos como conectividade de rede e área de memória RAM para criação do
RAMDISK.
O software Etherboot também identifica um servidor de rede, geralmente
implementando o protocolo TFTP, para transferir do servidor central de imagens a
imagem correta contendo o disco virtual. O disco virtual é mapeado como um disco real
e, portanto, oferece condições para o sistema operacional possa realizar um bootstrap e
iniciar o processo de rede, mesmo que o arquivo binário inteiro não tenha sido
transferido do repositório para o cliente. Esta característica “sob-demanda” é oferecida
pelo repositório de imagens, que ofereça um serviço de streaming de software.
Figura 14: Arquitetura geral de um sistema TransCom de Discos Virtuais Distribuídos (ZHOU, et
al. 2006).
Durante o processo de boot, o cliente executa através do protocolo PXE a
transferência de um sistema de pré-inicialização que oferece as funções do disco virtual.
A partir deste sistema de pré-boot, o cliente pode escolher o sistema operacional
desejado e iniciar o boot através do disco virtual. No sistema operacional, os drivers de
acesso a disco são substituídos pelo driver de disco virtual e a partir deste ponto, todos
os acessos a disco serão feitos através do disco virtual, de forma transparente, como se
os dados estivessem locais.
51
Um benefício deste sistema é que, por ser um arquivo emulando um disco virtual, o
disco virtual distribuído pode incorporar integralmente as alterações sofridas durante a
execução do sistema cliente, ou então pode ignorar todas as alterações, oferecendo,
portanto uma opção de gerenciamento que não permite a alteração das imagens. Esta
opção oferece diversas vantagens, como maior consistência de funcionamento das
imagens (que não podem ser alteradas sem autorização prévia) e segurança (por não
permitir o armazenamento local de dados sensíveis).
Os dados de desempenho do projeto TransCom na Tabela 1 mostram que a solução
de discos virtuais distribuídos podem substituir um sistema de discos físicos locais. Para
tal conclusão, experimentos foram conduzidos em um ambiente composto por 30
clientes com processador Intel Celeron 1GHz, 128MB DDR RAM e placa de rede
100Mbps on-board e um servidor de imagens com processador AMD Athlon64 3000+
com 2GB RAM de placa de rede Ethernet 1Gbps, além de um disco rígido de 80GB e
7200 RPM. Tanto clientes quanto servidores estão conectados por um switch Ethernet
com 40 portas de 100Mbps e duas portas de 1Gbps (para os servidores).
O servidor utiliza o sistema operacional Microsoft Windows 2003 Server e os
clientes utilizam o Microsoft Windows XP. A Tabela 1 mostra um comparativo entre os
tempos de iniciação do sistema através de um disco local e através do disco virtual
remoto (boot remoto).
A métrica de desempenho utilizada é o tempo em segundos, desde o tempo em que a
máquina é ligada até o surgimento da tela de login do Windows, após concluído o
processo de boot remoto.
Tabela 1: Latência de Boot remoto do sistema TransCom (ZHOU et al. 2006).
PC
ClientesTransCom
1 10 20
BootdoSO 53,13 48,73 70,62 92,79
MSWord2003 2,23 1,26 2,28 6,35
MSPPT2003 5,21 3,04 6,58 9,98
PhotoshopV7.0 13,29 11,08 16,48 27,51
FlashV6.0 18,62 7,16 31,41 74,3
3DMAXV4.0 29,71 25,68 34,24 54,18
CópiadeumArquivo(20MB) 11,59 8,95 19,75 37,51
CópiadeumArquivo(50MB) 28,24 24,33 49,48 109,52
A pior situação de latência é a cópia de um arquivo de 50MB realizada
simultaneamente por todas as estações cliente. Neste cenário, a latência é
52
comparativamente o pior caso em relação ao disco rígido local e em comparação ao
processo de boot, onde o desempenho é bom em função da localidade de dados no
servidor (já que todas as estações clientes utilizaram o mesmo disco virtual).
4.5. O Modelo de Virtualização Distribuída
O modelo de virtualização distribuída oferece um paradigma no qual a virtualização
é explorada em diversos nós físicos de processamento, podendo reproduzir de forma
simplificada e em escala diversos cenários de configuração e uso para um ambiente de
rede pela simples replicação do ambiente virtual em cada nó, sem que isso limite a
utilização ou execução de aplicações em cada nó. Esta arquitetura também permite a sua
aplicação em diversos modelos de simulação que podem explorar a virtualização
distribuída, como nos modelos de avaliação de desempenho e simulação de uma rede de
clusters (APOSTOLOPOULOS, et al. 2006).
A virtualização tem sido aplicada em escala comercial na forma de produtos, como
o VMware Virtual Desktop Infrastructure (VMWARE, 2007), que criam uma infra-
estrutura de desktops virtualizados rodando sobre um único servidor e oferecendo o
acesso via tecnologia Remote Desktop aos seus usuários. Desta forma, todos os
benefícios da virtualização são utilizados pelos usuários sem que estes tenham que
instalar ou executar seu ambiente virtualizado em seus computadores.
Para os propósitos de gerenciamento, esta abordagem traz alguns riscos, como a
dificuldade de dimensionamento de um servidor em função do custo e do número de
usuários concorrentes utilizando a infra-estrutura virtual, e também a ausência de
gerenciamento na configuração de software utilizada pelo computador do usuário para
acessar esta infra-estrutura virtual (se o computador do usuário tornar-se indisponível
por algum razão, a infra-estrutura virtual de desktops torna-se irrelevante). A Figura 15
mostra um exemplo de uma arquitetura de desktops virtualizados.
53
Figura 15: Infra-estrutura virtual de Desktops utilizada através de thin-clients (VMWARE, 2008).
A possibilidade de utilização da virtualização da infra-estrutura de Desktops a partir
de um modelo distribuídos representa a quebra do paradigma atual de uso da
virtualização e é uma das motivações deste estudo, que procura também explorar as
técnicas de virtualização e Sistemas de Arquivos Distribuídos (SADs) combinadas para
gerenciamento de computadores em redes locais (FARRELL, et al. 1995).
Modelos de MVs distribuídas já são exploradas cientificamente em aplicações de
Grids distribuídos. Ivan Krsul e co-autores (KRSUL, et al. 2004) propuseram pela
primeira vez o uso de MVs em computação em Grid, identificando como vantagens a
isolação de ambientes, a segurança, controle de recursos, independência de ambientes
de execução e suporte a aplicações legadas. Os projetos In-VIGO e VMPlants estão
entre os primeiros a utilizar a virtualização como ferramenta para simplificar a
disponibilização de um ambiente compartilhado de processamento e o processo de
submissão de trabalhos e modelo de execução de um Grid. Em trabalho similar, Paul
Ruth e co-autores (RUTH, et al. 2005) argumentam que a virtualização distribuída em
um ambiente de computação em Grid oferece apenas a isolação entre as MVs. Um
conjunto de MVs trabalhando em conjunto em um ambiente de computação
compartilhada na Internet, por exemplo, continuam expostas a outros computadores da
rede e por isso, propõem a criação de uma rede virtualizada criada através de agentes de
virtualização, que foi chamada de Violin. Cada MV está conectada a uma rede virtual
única e por isso são inacessíveis por outras redes.
54
Em ambos os casos, o ambiente de computação em Grid trabalha com ISUs com
tamanho relativamente pequeno, em ordens de Megabytes, e, portanto, são
relativamente simples de serem transportadas para os nós de processamento, mesmo
através de redes WAN (ADABALLA, et al. 2005).
O fato dos sistemas de computação em Grid virtualizados utilizarem sistemas auto-
contidos permite que recursos típicos da virtualização, como a migração de MVs para
outros computadores hospedeiros, simplifique o processo de migração de MVs entre
nós do Grid, desta forma, nós com processamento comprometido podem transferir,
mediante agentes, sua MV e seu estado de execução para outro ponto da rede
(SAPUNTZAKIS, et al. 2004) de forma otimizada para que esta operação possa se
realizar em ambientes de redes WAN.
Embora o FlexLab ofereça um middleware com os mesmos recursos de um
middleware para computação em Grid (KANEDA, et al. 2005), seu objetivo principal é
oferecer o gerenciamento de computadores através de ISUs em redes LAN, o que torna
dispensável a utilização de agentes, como o Violin, para suportar a criação de uma rede
virtualizada ou a migração de MVs entre nós da rede, embora isto seja possível.
4.6. Considerações Finais
A evolução das redes locais de computadores e dos mecanismos de distribuição de
ambientes de processamento cria novas oportunidades para que Sistemas de Arquivos
Distribuídos sejam usados além do suporte a ambientes de Cluster e computação em
Grid, como na criação de ambientes com MVs distribuídas. Ao contrário dos trabalhos
atuais envolvendo MVs, onde o propósito de se criar um ambiente utilitário de
computação distribuída é a maior motivação do uso da virtualização, abordagens onde
MVs são utilizadas para executar Imagens Únicas de Sistema, como no projeto
TransCom, que apesar de não utilizar virtualização tira proveito do streaming de
software, mostram que tecnologias para computação em rede estão maduras para este
tipo de arquitetura de solução aplicado fora do ambiente de computação Grid.
55
5. ARQUITETURA DO FLEXLAB
5.1. Considerações Iniciais
Neste Capítulo serão apresentados os elementos que compõem a arquitetura do
FlexLab e o funcionamento do Sistema de Arquivos multi-camada, que contribui para a
otimização do desempenho do middleware de virtualização distribuída. Este Capítulo
também apresenta um estudo sobre as MVs disponíveis atualmente no mercado e na
academia e como elas podem ser utilizadas dentro do modelo de virtualização
distribuída como ferramenta para gerenciamento de uma rede de computadores. Por fim,
o Capítulo apresenta o funcionamento do FlexLab e suas características de execução.
5.2. Gerenciamento Centralizado de Computadores
Soluções desenvolvidas com a finalidade de oferecer recursos para gerenciamento
de computadores em rede adotam arquiteturas para concentrar as operações
administrativas em um ponto central, desta forma, todas as políticas e atividades de
gerenciamento são acionadas a partir de um único ponto para se refletir nos demais nós
gerenciados da rede (CHERVENAK, et al. 2000). A possibilidade de gerenciar
computadores de um ponto central se reflete na arquitetura de rede adotada por estas
soluções, sendo que a maioria destas arquiteturas apresenta um computador atuando
como servidor com serviços de gerenciamento e diversos clientes conectados a ele,
enviando informações de status e recebendo informações e comandos de configuração,
como mostra a Figura 16.
56
Figura 16: Arquitetura de rede de computadores utilizando um servidor de gerenciamento e
clientes gerenciados na rede (MORGADO, CRUZ & TWANI, 2008).
Entre os serviços de gerenciamento oferecidos pelas soluções que tiram proveito da
arquitetura de gerenciamento centralizado, destacam-se:
• Definição centralizada dos parâmetros de configuração de software para
todos os computadores;
• Distribuição, instalação e configuração centralizada de pacotes de software
aplicativo;
• Definição centralizada de políticas de uso e permissões de acesso aos
recursos dos computadores;
• Definições centralizadas dos serviços de segurança, proteção de dados e
cópias de segurança de informações;
• Geração centralizada de inventários de hardware e software.
O que se busca com todos os serviços listados anteriormente é a automação de
tarefas repetitivas e relativamente simples de configuração de software. Entre os
modelos de gerenciamento centralizado de computadores, pode se considerar dois
grandes grupos de soluções:
1. Execução Centralizada: Soluções onde a execução centralizada dos
ambientes de trabalho dos clientes no servidor da rede é a principal
característica para se ter um gerenciamento centralizado;
57
2. Configuração Centralizada: Soluções onde a centralização das
informações de configuração de software dos computadores clientes é a
principal característica para se ter um gerenciamento centralizado.
Enquadram-se no Grupo 1 soluções como gerenciamento através de thin-clients
e infra-estrutura virtual de desktops (Virtual Desktop Infra-structures). Em ambos os
casos, o dimensionamento das configurações de hardware do servidor, responsável por
hospedar a maior parte ou todo o processamento dos computadores clientes, é o
principal gargalo operacional para se obter uma solução que ofereça um custo-benefício
linear em função do número de computadores. Por exemplo, o custo para se criar uma
infra-estrutura para gerenciar 20 computadores pode não ser compatível com as
necessidades da organização, sendo o mesmo válido para projetos com mais de centenas
de computadores, uma vez que o número de computadores poderia exigir investimentos
em equipamentos de alto desempenho, como os encontrados em data centers, para se
criar a central de servidores.
No Grupo 2 encontram-se soluções diversas que aplicam seus mecanismos de
gerenciamento em camada de aplicativo, tais como scripts que automatizam atividades
básicas de gerenciamento, e também soluções que trabalham na camada de sistema
operacional, usando o conceito de Imagem de Sistema Única (ISU) (ZHOU, ZHANG &
XIE. 2006). Neste caso, o mecanismo principal de gerenciamento utiliza uma imagem
de um disco rígido, que é um arquivo binário representando os volumes lógicos de um
disco, suas partições e dados armazenados, gerada a partir de um computador cuja
configuração de software é considerada como sendo o padrão a ser replicado nos demais
computadores da rede.
Soluções baseadas em gerenciamento através de Imagens de Sistema Únicas,
assim como as baseadas em scripts em camada de aplicativos, sofrem com as limitações
impostas pelo forte acoplamento entre hardware e software das estações, sendo
praticamente impossível gerenciar uma rede de computadores heterogêneos com apenas
uma ISU ou um único script padrão de configuração.
Em função das inúmeras possibilidades de configuração geradas pela
combinação de diferentes configurações de hardware e software, a complexidade de
gerenciamento através de uma ISU ou script único acaba se tornando uma tarefa
individual e pode inviabilizar estas soluções (SIRER, et al. 2001).
58
5.3. A Proposta do FlexLab
O objetivo do FlexLab é o desenvolvimento de um middleware de virtualização
distribuída que tem por finalidade oferecer um mecanismo centralizado para
gerenciamento de computadores. Sua proposta é oferecer os benefícios do
gerenciamento centralizado de computadores a partir de uma Imagem de Sistema Única
armazenada em um ponto central da rede e executada nas MVs distribuídas nos
computadores clientes.
O middleware do FlexLab propõe a utilização da abstração de hardware oferecida
pela MV e a capacidade de streaming de software do Sistema de Arquivos Distribuídos
para permitir que uma MV seja capaz de oferecer um ambiente de execução completo
ao seus usuários. A execução distribuída do FlexLab permite que o servidor da solução
seja usado apenas para oferecer acesso ao disco virtual que a MV usa para criar seu
ambiente de execução, uma atividade computacional mais simples do que concentrar a
execução de todos aplicativos dos usuários da rede em um único ponto. Desta forma, o
FlexLab foi projetado para permitir uma configuração flexível para um ambiente de
informática, como um laboratório de informática com estações de pequeno porte ou um
cluster multi-uso com estações commodity e que disponibiliza diversos serviços de
processamento (AGUIAR, et al 2008)(b).
Mesmo no caso mais severo em termos de desempenho e recursos de hardware com
configuração heterogênea, o FlexLab permite que um ou diversos computadores sejam
configurados com uma única imagem contendo o mesmo sistema operacional e
aplicações, precisando apenas de um conjunto de hardware com processador, memória
RAM e placa de rede Ethernet com o protocolo PXE habilitado para permitir o boot
pela rede (INTEL, 1999).
Com este conjunto de hardware, o computador consegue iniciar o processo de
carregamento através da rede e todas as camadas de software, incluindo máquina
virtual, sistema operacional e aplicações, são oferecidas pelo servidor do FlexLab
localizado em um ponto central da rede local. A iniciação da ISU nos clientes e a
posterior execução de aplicativos passa a utilizar recursos locais de cada computador
cliente, caracterizando assim uma execução distribuída da ISU.
Como tira proveito da abstração de hardware promovida pela máquina virtual,
detalhes como configuração de drivers, variáveis de ambiente e interface com hardware
59
são padronizados para todos os nós de virtualização, o que permite a utilização de
computadores com configurações de hardware heterogêneas, inclusive dispensando o
disco rígido local, uma vez que as ISUs são acessadas através da rede pelo Sistema de
Arquivos Distribuídos.
O FlexLab, cuja arquitetura é apresentada na Figura 17, é composto por:
a. Repositório de discos virtuais, cada um sendo uma versão de Imagem de
Sistema Única;
b. Um servidor do FlexLab, permitindo o boot remoto das ISUs
armazenadas;
c. Um ambiente de rede que oferece uma largura de banda condizente com
os requisitos de desempenho do laboratório;
d. Os computadores que atuam como nós de virtualização e,
e. Opcionalmente, uma estação de gerenciamento.
Figura 17: Uma ambiente virtualizado distribuído utilizando o FlexLab.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Em função da sua arquitetura, todos os computadores podem ser iniciados com uma
única imagem virtual através de boot remoto, embora cada computador mantenha uma
instância de execução distinta e independente dos demais computadores. O boot remoto
60
é uma tecnologia desenvolvida pela Intel (HENRY, 2000) com base no protocolo de
rede PXE e é um padrão aberto adotado pela indústria desde então para permitir que
clientes de uma rede corporativa possam carregar automaticamente através da rede
imagens de software e configurações. Com o boot remoto, as estações dos clientes não
necessitam realizar o boot pelo disco local, cenário onde os esforços de gerenciamento
das imagens são pulverizados entre as estações da rede. Além disso, toda a instalação e
manutenção de aplicações são realizadas apenas uma vez para uma única imagem, já
que o FlexLab, e sistemas que tiram proveito do protocolo PXE em geral, permite a
execução de múltiplas instâncias desta imagem em diversos clientes concorrentemente.
O FlexLab necessita dos seguintes requisitos de hardware:
• Ambiente de rede com switch 10/100 mbps;
• Servidor ou servidores em cluster com configuração equivalente ao
processador Intel Pentium IV 1.8GHz, com 512MB de memória RAM e
placa de rede Ethernet 100 mbps;
• Computadores clientes com processador arquitetura x86, equivalente ao
processador Intel Pentium III com 1 GHz e 256MB de memória RAM. Os
computadores clientes exigem placa de rede Ethernet 10/100 mbps com
suporte ao protocolo de rede PXE.
O funcionamento do FlexLab é orientado a conectividade, uma vez que a ISU é
utilizada através de um SAD que se torna indisponível sem a conexão de rede,
embora a estação só se torne indisponível em um cenário de falta de conectividade
apenas quando o sistema operacional ou aplicativos requisitarem um bloco de dados
que não foi ainda requisitado ao servidor do FlexLab. O diagrama da Figura 18
apresenta o processo de boot dos computadores da rede. É necessário que cada
computador inicie o boot a partir da placa de rede (PXE Boot LAN).
61
Figura 18: Diagrama de funcionamento do FlexLab sob o ponto de vista dos computadores clientes.
62
O FlexLab utiliza técnicas de streaming de software para permitir a execução
distribuída de MVs, e em função disto, o FlexLab não pode ser considerada uma
solução do Grupo 1, uma vez que todo o processamento é local ao nó virtualizado. Ao
contrário das soluções do Grupo 2, o FlexLab não tem dependência do acoplamento
entre hardware e software de um computador, simplificando a utilização de ISUs.
5.4. Recursos do Middleware FlexLab
O escopo do projeto do FlexLab define uma série de requisitos que o middleware
deve oferecer para que ele possa ser aplicado dentro da proposta de uso como
ferramenta de gerenciamento de computadores utilizando o conceito ISU. O middleware
do FlexLab deve:
• Oferecer gerenciamento de redes de computadores com processador de
arquitetura x86 compatível com sistemas de virtualização;
• Permitir o boot remoto do middleware e também da ISU utilizada pela MV
em uma única operação;
• Permitir que um arquivo contendo um ISU possa ser acessado
concorrentemente por diversas MVs distribuídas;
• Permitir aos administradores da rede que impeçam os usuários de alterarem
de forma permanente as configurações de software dos computadores;
• Permitir que a camada da MV possa ser alterada dinamicamente durante o
tempo de boot para que seja escolhida a MV com o mecanismo de
virtualização (VMM, Hypervisor, Virtualização Completa) mais adequado
para o tipo de processador do computador;
• Permitir que o kernel utilizado pelo middleware ofereça todos os drivers de
periféricos de hardware para a correta iniciação do computador;
• Permitir que a MV seja executada a partir do próprio servidor para fins
administrativos;
• Permitir que as MVs também sejam distribuídas para ambientes em Grid e
reaproveitamento de clusters multi-uso.
• Permitir a utilização de Sistemas Operacionais Convidados (SOC) na MV
sem a necessidade de alteração ou recompilação do seu código fonte para
63
suportar mecanismos específicos de virtualização. Mecanismos de
paravirtualização, embora ofereçam desempenho próximo da execução
nativa (SUGERMAN, et al. 2001), exigem que o sistema operacional seja
recompilado para que possa interpretar corretamente os mecanismos de
tratamento de instruções não virtualizáveis da arquitetura x86 (KING &
CHEN, 2002). Isto é inviável nos SOs de código-fonte fechado, como o
Microsoft Windows ou o Microsoft Virtual PC (MICROSOFT, 2007).
5.5. Middleware Virtualizado com Arquitetura Distribuída
Multicamada
O middleware do FlexLab é composto pelos seguintes elementos principais:
• Kernel Linux versão 2.6.17 ou 2.6.21 preparado para boot remoto;
• Sistema Operacional Hospedeiro, no caso uma instalação Linux
modificada baseada na distribuição Fedora Core 3, oferecendo apenas os
recursos e serviços essenciais para o funcionamento da MV;
• MV baseada em QEMU com o módulo de aceleração KQEMU ou KVM.
A Figura 19 apresenta as camadas de software executadas no cliente FlexLab. O
middleware FlexLab, por questões de desempenho, é transportado em uma camada
diferente do arquivo de ISU, caracterizando uma Arquitetura Distribuída Multicamada.
Figura 19: Arquitetura multicamada do middleware FlexLab.
64
A arquitetura multicamada do middleware FlexLab não necessita de nenhum
software instalado no cliente. Todas as camadas de software podem ser utilizadas a
partir de um servidor remoto, embora o processamento seja sempre local no computador
iniciado remotamente.
Embora não seja o foco deste trabalho, a possibilidade de execução de diversas MVs
sobre o middleware do FlexLab também é possível, como mostra a Figura anterior.
Ao contrário de sistemas de boot remoto que utilizam apenas uma camada para
oferecer o acesso a ISU (ARDENCE, 2007) (CITRIX, 2008) (ZHOU, 2006) (ZHAO,
2006), o middleware do FlexLab utiliza duas camadas:
Camada 1: Boot remoto do Sistema Operacional Hospedeiro (SOH), contendo uma
versão modificada reduzida da distribuição Linux Fedora Core 3 e que abriga a MV
utilizada na camada de abstração da solução. O SOH é reduzido para que possa ser
copiado através do sistema de arquivos NFS (SUN MICROSYSTEMS, 1984)
versão 3 diretamente do servidor FlexLab para a memória RAM do cliente. Desta
forma, o cliente FlexLab dispensa a necessidade de ter um disco rígido físico no
computador e o desempenho de execução do middleware do FlexLab é aprimorado
em função da melhor localidade de dados.
Camada 2: Na camada 2 acontece a requisição de acesso da MV em execução a
ISU que está armazenada no servidor FlexLab. Na camada 2, a ISU, um arquivo do
tipo .img que representa um disco rígido com acesso a bloco de dados com tamanho
na ordem de gigabytes, é transferida em forma de streaming para o computador
cliente (KUACHAROEN, 2004). Neste formato de transferência, apenas os blocos
requisitados pela MV são transferidos pela rede. O SOH, de acordo com
configuração prévia no servidor FlexLab, monta um Sistema de Arquivos baseado
em NFSv4 sobre UDP, com melhor desempenho em redes com poucos
computadores (AGUIAR, et al. 2008)(a) ou utiliza um SAD com distribuição de
carga baseado em pNFS/PVFS.
O boot remoto do middleware FlexLab na Camada 1 utiliza a tecnologia SLIM
sobre o sistema de arquivos NFSv3. O SLIM é um sistema utilizado em Clusters de
computadores que operam sem disco rígido e permite a construção de um sistema de
65
boot remoto usado para que o SOH se inicie no computador cliente. Uma vez iniciado
no computador cliente, o SOH consegue iniciar a MV que, através da Camada 2,
iniciará a ISU do FlexLab. O SLIM oferece um ótimo desempenho de boot com pouco
tráfego de rede se comparado a sistemas similares, como o DRBL (YANG, CHEN &
CHEN, 2005).
Através do SLIM, os computadores clientes conseguem iniciar o middleware
FlexLab. Após o boot através do PXE, o computador cliente recebe um endereço de IP
dinâmico utilizando o protocolo DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol).
Através de um sistema de transferência trivial de dados baseado em TFTP (Trivial File
Transfer Protocol), o bootstrap do kernel do Linux é copiado na memória RAM do
cliente e, a partir da inicialização do driver de rede, cria-se um sistema de arquivos
baseado no NFSv3 para o início da cópia em RAM do restante do middleware FlexLab
baseado em Linux.
A arquitetura do middleware baseada em duas camadas oferece vantagens:
• Arquivos da ISU, por trafegarem em uma camada de conexão diferente da
camada do SOH, não comprometem a conexão do middleware do FlexLab,
que é tratada por outro serviço no servidor. Desta forma, o FlexLab é capaz
de atender diversas requisições concorrentes de boot.
• A arquitetura multicamada permite que o SOH seja utilizado pelo
computador cliente através de mais de um mecanismo de cópia. Algumas
pastas de sistema que não precisam ser alteradas pelos clientes, como por
exemplo, as pastas /usr, /opt, /etc, /sbin e /bin, são utilizadas diretamente do
servidor pelo sistema de arquivos NFSv3, economizando espaço na memória
RAM dos clientes. Pastas que são modificadas pelos clientes durante o
processo de boot do SOH, como por exemplo, as pastas /dev e /root, são
copiadas diretamente para a memória RAM de cada cliente. Neste caso,
utiliza-se o sistema de cópia com sincronismo rsync (TRIDGELL &
MACKERRAS, 1996), que otimiza o processo de leitura e escrita a arquivos
ao copiar na memória RAM do cliente, ou na pasta equivalente do servidor
FlexLab, apenas o bloco de dados alterados entre as duas partes, ao invés de
copiar todos os blocos de dados de um arquivo em sua totalidade. O
mecanismo do algoritmo rsync analisa a quantidade de dados alterados,
comprime estes dados e somente trafega pela rede a diferença entre as duas
66
pontas, otimizando o fluxo de dados na rede e as operações de leitura e
escrita.
• Como a camada de transporte da ISU é separada, o middleware FlexLab
pode decidir, ou ser configurado, para mudar o mecanismo de transporte de
NFSv3, mais simples de se implantar porém mais suscetível a falhas de
transmissão em ambientes com mais de 10 acessos concorrentes, ou utilizar
um sistema de arquivos que emprega técnicas de acesso paralelizado com
balanceamento de carga, como é o caso do pNFS/PVFS. Estudos (AGUIAR,
et al. 2008)(b) mostram que o modelo multicamada utilizando o sistema de
arquivos híbridos com balanceamento pNFS/PVFS melhora o desempenho
de acesso aos arquivos da ISU.
A Figura 20 mostra o modelo de duas camadas do middleware FlexLab. O
arquivo contendo a ISU da MV pode ser acessado na Camada 2 pelo(s) computador(es)
cliente(s) tanto por NFS quanto pelo SAD usando pNFS/PVFS2, distribuindo e
balanceando a carga de acesso com um ou mais servidores.
Figura 20: Camadas 1 e 2 do Sistema de Arquivos do FlexLab.
67
5.6. Arquitetura do Sistema de Arquivos Distribuídos do
FlexLab
O projeto FlexLab tem por objetivo desenvolver estudos sobre as oportunidades
do middleware de virtualização distribuída. Com a aplicação do Sistema de Arquivos
Distribuídos no middleware FlexLab (AGUIAR, et al. 2008)(a), o desempenho do
FlexLab em ambientes com mais de 10 computadores foi aprimorado, principalmente
nos cenários de pior caso onde todos os computadores da rede realizam acesso
simultâneo a ISU do FlexLab.
O SAD do FlexLab é baseado no protocolo NFSv3, compatível com a maioria
dos sistemas operacionais (ANDERSON & CHASE, 2000) e que apresenta diversas
aplicações em sistemas de armazenamento e acesso a disco em rede de alta velocidade
(SAPUNTZAKIS, 2003). Além disso, o NFSv3 é compatível com o sistema usado pelo
FlexLab para balancear a carga das operações de leitura e escrita realizadas pela
Camada 2 de transporte da ISU.
Como o middleware FlexLab é responsável por distribuir arquivos ISU de
grande porte (ordem de gigabytes) para diversas máquinas acessando um ou mais
arquivos concorrentemente, adotamos a estratégia de utilizar um SAD capaz de
implementar um sistema de arquivos paralelizado e capaz de atender a múltiplas
requisições simultâneas. Diversos SADs funcionam sobre NFSv3, porém os critérios de
escolha precisam também considerar as características de funcionamento do FlexLab,
como por exemplo, a necessidade de manter um compartilhamento montado mesmo
após falhas na comunicação com o servidor.
Para o balanceamento de carga, foi adotado o sistema híbrido PVFS2 e pNFS. O
sistema PVFS2, dentro de uma avaliação de SADs para sistemas de pequeno porte
(BARBOSA, et al. 2007) incluindo o LUSTRE, OCFS2 com iSCSI e GlusterFS, é o que
apresenta o melhor desempenho de escrita, embora esta não seja a predominância nas
operações do middleware FlexLab.
Embora tenha bom desempenho em operações de leitura, o PVFS2 é inferior ao
LUSTRE em ambientes de pequeno porte, como o que se apresenta para o FlexLab.
Entretanto, como o PVFS2 não apresenta estratégia de caching, é também menos
suscetível a falhas na conexão com o servidor. Mesmo em casos onde ocorrem perdas
de conexão com o servidor, o sistema de arquivos montado sobre PVFS2 continua
68
funcionando, pois é capaz de restabelecer a conexão sem a necessidade de se reiniciar a
MV, característica única dentre os SADs e de fundamental importância para o
funcionamento do FlexLab.
O pNFS complementa o SAD criado pelo PVFS2, formando a camada
responsável por trafegar todos os metadados da conexão da Camada 2, como
informações sobre o servidor de origem e o nó de destino, próximo bloco requisitado e
outras informações de confirmação de recebimento e agendamento do protocolo. O
pNFS tem sua maior aplicação em redes WAN para acesso remoto a sistemas de
arquivos paralelos, como o PVFS2. Entretanto, quando o pNFS é utilizado como no
middleware do FlexLab, que atualmente funciona em rede LAN, oferece a Camada 2
uma conexão tolerante a falhas de rede conforme o tráfego aumenta em função do
número de nós conectados (HILDEBRAND & HONEYMAN, 2007).
A Figura 21 mostra a arquitetura do Sistema de Arquivos Distribuídos adotado
no middleware FlexLab. Quando a Camada 2 está configurada para utilizar o SAD
baseado em pNFS/PVFS2, um novo servidor dedicado ao acesso da ISU é acrescentado
a arquitetura.
Figura 21: Arquitetura do Sistema de Arquivos Distribuídos com Balanceamento de carga do
middleware FlexLab (AGUIAR, et al. 2008)(a).
69
5.7. Mecanismos de virtualização do middleware do FlexLab
Atualmente existem diversos tipos de MVs em nível de hardware que
implementam os mecanismos de virtualização abordados no Capítulo 2. No Anexo A
está disponível um quadro comparativo entre as MVs e sua possível utilização dentro do
middleware FlexLab em função do atendimento às seguintes exigências:
• Mecanismo de virtualização que não exija uma versão modificada do SOC;
• Virtualização independente de recursos de virtualização específicos do
processador;
• Disponibilidade da MV para execução sobre um SOH Linux;
• Permitir a execução de qualquer tipo de SOC;
• Permitir que a maior parte do código do usuário seja executada diretamente pelo
processador;
• Permitir a emulação completa dos dispositivos de hardware de um computador
(não simular dispositivos periféricos através de mapeamento da área de
endereçamento real destes dispositivos);
• Possuir licença GPL, LGPL ou FreeBSD para fins de pesquisa;
• Permitir que a maior parte do código do kernel seja executado diretamente sobre
o processador ou, quando não for possível, utilizar algum mecanismo de trap e
emulação (não tratar código não-virtualizável através de extensões de
virtualização do processador);
• Ter suporte a virtualização (disponibilidade de uma VMM) sobre a arquitetura
x86.
A arquitetura do middleware do FlexLab permite que qualquer MV que atenda às
exigências colocadas anteriormente sejam utilizadas na camada de virtualização.
Embora seja uma possibilidade, desenvolver uma VMM por completo para atender as
necessidades do middleware FlexLab é uma atividade extremamente onerosa e que não
se justifica caso qualquer uma das MVs apresentadas como elegíveis ao middleware
FlexLab do Anexo A apresentem um bom desempenho dentro do modelo de MVs
Distribuídas proposto por este trabalho.
70
As MVs utilizadas na implementação do middleware FlexLab para este projeto
foram o QEMU com o acelerador KQEMU (BELLARD, 2000) , o Xen (MENON, et al.
2006), o KVM (QUMRANET, 2006) e o VirtualBox (SUN MICROSYSTEMS, 2008).
Embora todas estas MVs tenham sido avaliadas dentro do middleware FlexLab,
determinadas características técnicas de implementação das VMMs inviabilizam o uso
de algumas MVs de acordo com os requisitos estabelecidos anteriormente.
De todas as MVs consideradas, a única que se enquadra perfeitamente em todos os
critérios estabelecidos pelo middleware FlexLab é a MV QEMU com o módulo de
aceleração KQEMU. A Tabela 2 apresenta uma comparação entre as MVs Clássicas
consideradas neste estudo.
Tabela 2: Comparativo
1
entre as MVs. Critério de seleção da MV para o FlexLab pode utilizar esta
tabela como referência.
Das MVs consideradas para uso dentro do middleware do FlexLab, pode-se eliminar
inicialmente todas que são disponibilizadas no modelo de licenciamento proprietário,
pelo simples fato de não ser possível embarcar este tipo de MV dentro do middleware
FlexLab sem ferir direitos de propriedade intelectual e industrial. Com o novo
renascimento das MVs no mercado, ainda assim é possível encontrar uma boa gama de
opções de MVs não proprietárias.
1
Referência para o comparativo de desempenho: Jack Lo. VMware and CPU Virtualization
Technology. VMWorld 2005, 2005. Disponível em www.wmware.com/vmi
71
Analisando as MVs não proprietárias, as que oferecem melhor desempenho, em
função dos seus mecanismos de virtualização, são as VMMs Xen e KVM. A VMM da
MV Xen permite ainda dois tipos de virtualização, a saber:
Paravirtualização: Exige o porte do sistema operacional convidado para que este
possa executar uma versão modificada das chamadas de sistema a ABI, uma forma
de permitir que o SOC execute diretamente sobre o processador real as instruções do
modo Kernel que são de execução exclusiva do SOH, que executa em Ring 0 de
privilégio.
Full-virtualization ou Virtualização Completa: Neste modo, a VMM do Xen
suporta a execução de sistemas operacionais não modificados, como o Microsoft
Windows, entretanto exige que o processador tenha extensões de virtualização em
sua arquitetura, como, por exemplo, as tecnologias VT-x (INTEL, 2006) e AMD-V
(AMD, 2007). Em função das instruções adicionais e da arquitetura com suporte a
virtualização destes processadores, o VMM pode executar chamadas de instruções
executadas em Ring 0 (ou instruções privilegiadas do modo Kernel) que
tradicionalmente não são virtualizáveis diretamente sobre o processador,
melhorando muito o desempenho de execução.
Assim como o Xen, o sistema de virtualização adotado pela KVM também utiliza a
virtualização completa, portanto, exige que o computador tenha um processador com as
extensões de virtualização VT-x ou AMD-V. Embora apresentem o melhor desempenho
de execução (com desempenho da MV próximo do desempenho nativo do processador),
ambas as VMMs apresentam as seguintes deficiências para o middleware do FlexLab:
• Exigência do porte do SOC para suportar o modelo de paravirtualização (no
caso do Xen);
• Exigência de um processador com suporte as instruções de extensão para
virtualização (no caso do KVM e do Xen com VMM para Virtualização
Completa);
• No caso do Xen, módulo do Kernel que dificulta o boot remoto utilizado na
Camada 1 do FlexLab.
72
A Figura 22 mostra o mecanismo de funcionamento das extensões VT-x
encontradas no processador Intel com suporte a virtualização. Com o suporte a
virtualização em hardware, a VMM é capaz de usar a estrutura de controle VMX para
agendar o acesso das MVs ao processador, permitindo desta forma que o SOCs sejam
executados em Ring 0 de privilégio, da mesma forma que um SOH executaria em um
sistema sem VT-x. Portanto, em VMMs executando sobre um processador sem suporte
a virtualização, o SOC executa em Ring 3. Em um processador com o modo de
operação VMX, a VMM executa em Ring 0.
Figura 22: Mecanismo de deslocamento do Ring de execução do SOC (ROSEMBLUM &
GARFINKEL, 2005).
A MV VirtualBox, ao contrário do Xen e do KVM, utiliza como mecanismo de
virtualização a recompilação dinâmica de instruções, método baseado na emulação por
tradução binária do QEMU. Assim como o KQEMU, a VirtuaBox executa a maior parte
dos códigos de usuários e de kernel diretamente sobre o processador utilizando sua
VMM. As semelhanças entre a VirtualBox e a QEMU também se estendem ao fato de
que todo o modelo de emulação de dispositivos periféricos utilizado na VirtualBox
também é baseado no modelo de dispositivos virtuais do QEMU. A principal diferença
entre ambas está no formato como o VirtualBox executa suas MVs a partir do disco
rígido virtual.
73
Para cada disco rígido virtual, a VMM do VirtualBox atribui um identificador
universal único (UUID). Desta forma, não é possível atribuir um único disco rígido
virtual (ou ISU) a diversas execuções concorrentes de MVs distribuídas pela rede, por
exemplo. Para contornar este problema, é possível modificar a estrutura do descritor do
arquivo que representa o disco rígido virtual do VirtualBox, para que ele seja marcado
como imutável. Desta forma, mais de uma MV pode utilizar concorrentemente o mesmo
arquivo de ISU e a partir deste momento, o disco virtual não poderá mais ser utilizado
em modo de leitura e escrita, um recurso desejável no contexto do middleware FlexLab.
Soluções mais elaboradas podem ser desenvolvidas para permitir que um disco
rígido virtual possa ser utilizado em modo immutable e normal ao se combinar duas
cópias do arquivo com o disco rígido virtualizado, entretanto, antes de passar a
discussão desta solução, vale apontar mais uma deficiência da VirtualBox.
Em sua versão de licenciamento baseado em código não proprietário, a VirtualBox
não oferece suporte a virtualização da USB, um recursos essencial em um computador
e, uma vez ausente da MV, não permite que o usuário utilize dispositivos baseados em
USB. Esta limitação é contornada na versão proprietária da VirtualBox, que não pode
ser utilizar no middleware do FlexLab.
Desta forma, por apresentar o mesmo nível de desempenho do QEMU + KQEMU,
por em grande parte ter sido desenvolvida a partir deste projeto e por oferecer algumas
limitações de uso no middleware do FlexLab, a MV escolhida para o projeto FlexLab e
para os estudos deste trabalho foi a QEMU com o acelerador KQEMU.
Embora a KVM tenha sido inicialmente eliminada por funcionar apenas em
computadores com processadores com extensões a virtualização, o fato do middleware
do FlexLab poder alterar dinamicamente o tipo da MV utilizada nos permite propor que,
para computadores dotados de processadores com as extensões VT-x e AMD-V
suportadas pela KVM, o FlexLab possa alterar dinamicamente a MV para a KVM, de
forma a permitir que o computador cliente execute o mais próximo possível do
desempenho nativo do computador.
5.8. Funcionamento do FlexLab
As características da execução de um sistema operacional executado sobre o
middleware do FlexLab são fiéis ao funcionamento de um sistema operacional
74
executado em um computador comum a partir do disco rígido local sem o mecanismo
de virtualização. Durante os testes, foi utilizada uma ISU com a versão do sistema
operacional Windows 2003 Server e aplicativos de escritório Microsoft Office. Todas as
funcionalidades e recursos oferecidos pela ISU por meio do FlexLab mantiveram-se
idênticas ao funcionamento de um computador normal, com exceção dos seguintes
pontos:
• Pelo fato do middleware FlexLab ainda não tratar algumas teclas de atalho para
serviços do QEMU, quando o usuário pressiona qualquer combinação válida das
teclas “CTRL + ALT”, por exemplo, “CTRL + ALT + F”, ativa-se uma função
da VMM, neste caso, a MV sai do modo tela-cheia e volta para o modo janela.
No modo tela cheia, o usuário não visualiza nada além do próprio ambiente de
tela do sistema operacional instalado. Com poucas alterações no código aberto
da VMM é possível filtrar estas teclas para evitar a ativação acidental das
funções da VMM por parte do usuário;
• As configurações de vídeo do SOC estão limitados aos recursos de vídeo
emulados pela QEMU. Atualmente não é possível utilizar os recursos da placa
aceleradora de vídeo, se houver, e a placa de vídeo emulada oferece resolução
máxima de 1024 x 768 com 32 bits de cor;
• Ainda não foi desenvolvido um mecanismo de leitura de dispositivos USB
suficientemente transparente como no computador normal. Atualmente é
necessário montar o dispositivo USB manualmente no ambiente de execução do
middleware (Fedora Core 3 modificado) para então exportar o dispositivo para o
QEMU.
• Quando a IUS é iniciada em modo protegido, ou seja, não permite que o usuário
altere de forma permanente o estado do disco rígido virtual, todos os dados
salvos pelo usuário são perdidos no próximo boot.
Apesar destas limitações iniciais, também encontrada em todas as outras MVs,
licenciadas ou de código fonte aberto, o funcionamento do FlexLab permite que
qualquer tipo de aplicativo ou sistema operacional seja utilizado sem a necessidade de
alteração em seu código fonte ou modificação na forma de instalação, tendo
funcionamento, portanto, igual ao computador com execução nativa.
75
5.9. Considerações Finais
O middleware FlexLab é capaz de tirar proveito da combinação de três
elementos essenciais para se oferecer uma solução de gerenciamento centralizado de
computadores através de ISUs:
• Abstração de hardware oferecida pela camada de virtualização do seu
middleware, permitindo que uma IUS funcione em qualquer conjunto de
hardware compatível com o middleware FlexLab;
• Sistema de Arquivos Distribuído, que através de um sistema virtual paralelizado
de arquivos e mecanismos de balanceamento de carga é capaz de oferecer
diversos acessos concorrentes a um único arquivo contendo uma ISU;
• Boot remoto do middleware FlexLab com cópia direta para a memória RAM do
computador cliente e streaming de software para acesso aos recursos do
middleware, como o mecanismo dinâmico de inicialização de uma ISU.
76
6. EXPERIMENTOS
6.1. Considerações Iniciais
Esta Capítulo apresenta os resultados dos experimentos desenvolvidos neste
trabalho e que consistiram em extrair uma base de informações de desempenho do
tempo de inicialização do middleware FlexLab e da sua camada de virtualização, além
de seu desempenho em função da técnica de virtualização adotada. Com os resultados
obtidos dos experimentos foi possível compreender a viabilidade do modelo de
virtualização distribuída proposto pelo middleware FlexLab e sua capacidade de escala.
6.2. Experimentos e Avaliação de Desempenho
O desempenho do middleware FlexLab é avaliado conforme dois parâmetros
principais; desempenho do mecanismo de virtualização e suas opções e desempenho do
Sistema de Arquivos Distribuídos e suas configurações. O objetivo dos experimentos é
indicar a melhor configuração do sistema utilizando as tecnologias propostas para
diminuir o tempo de boot da ISU e oferecer o melhor desempenho de execução após o
boot.
Os experimentos utilizaram uma ISU de referência e também contemplaram a
avaliação dos sistemas de arquivos distribuídos associado ao middleware FlexLab.
Também foram consideradas extrações do tempo para iniciação de sistemas
operacionais, tanto do SOH (middleware) quanto do SOC. Além disso, foram
conduzidos em três tipos de ambientes, considerando as possibilidades de configuração
do middleware e avaliando o tempo de boot do sistema e outros parâmetros de
desempenho de execução de benchmark de teste, utilizando a suíte de benchmark
SANDRA (SISOFTWARE, 2008).
77
6.3. Experimentos com o Sistema de Arquivos Distribuídos
As áreas críticas do middleware FlexLab que fazem acesso constante ao servidor
foram configuradas para terem seus dados alocados diretamente na RAM do cliente,
dessa forma, as operações mais executadas no middleware já se encontram na memória
e não precisam ser requisitadas ao servidor novamente. Experimentos realizados em 10
computadores na configuração da Tabela 3 com apenas um servidor demonstraram que
o fluxo de dados na rede de comunicação diminui em 37% para pacotes UDP após as
alterações de cache no middleware.
Tabela 3: Configuração do ambiente de avaliação do sistema de boot do middleware FlexLab
Tipo Configuração
Servidor 1 Processador Dual Core E4500 2.2GHz, 1 GB de RAM, Disco
rígido de 120 GB SATA 7200 RPM, rede de 1GB/s
Servidor 2 Processador Dual Core E4500 2.2GHz, 1 GB de RAM, Disco
rígido de 120 GB SATA 7200 RPM, rede de 1GB/s
Clientes Processador Dual Core E4500 2.2GHz, 1 GB de RAM, Disco
rígido de 120 GB SATA 7200 RPM, rede de 1GB/s
Switch 100Mb/s
O tamanho do bloco UDP foi configurado para 8 KB ao invés de 4 KB enviando
mais dados por pacote como visto em Kuacharoen (KUACHAROEN, 2002). O
software utilizado para verificar o fluxo de rede foi o ntop (NTOP, 2007). Após as
alterações no middleware o tempo de boot diminuiu aproximadamente 10 segundos em
relação ao boot original, como visto na Figura 15.
0
10
20
30
40
50
Sem
otimizaçõesde
cacheno
middleware
Com
otimizaçõesde
cacheno
middleware
Tempodebootem
segundos
Figura 23: Tempo de boot para 10 clientes utilizando otimizações na cache do middleware FlexLab
(AGUIAR, et al. 2008)(b)
78
6.4. Boot do FlexLab
Os experimentos de boot se basearam na extração de informações de tempo na
inicialização das máquinas remotas. Os valores são capturados através de scripts que
executam a leitura do log do DHCP e armazenam o tempo total de inicialização. Para
garantir que os resultados sejam precisos é necessário que todos os computadores
estejam com os horários do sistema operacional sincronizados, sendo utilizado para isso
o Network Time Protocol (NTP) (NTP, 1998).
Para otimizar o desempenho do acesso aos arquivos de máquinas virtuais na
Camada 2 do middleware FlexLab, foram utilizadas configurações de cache no
middleware (ZHAO, et al. 2006) e nas implementações do PVFS2/pNFS favorecendo o
acesso aos arquivos contínuos utilizados como ISUs.
O tamanho do bloco de transmissão foi configurado para 8 KB no boot do
middleware (UDP) e 36 KB para o boot das máquinas virtuais (TCP)
(KUACHAROEN, 2002), permitindo que a inicialização da ISU fosse mais estável (ou
seja, com menos falhas durante o boot dos computadores). Imagens contínuas, como em
máquinas virtuais (ZHAO, et al. 2006), possuem maior velocidade de acesso
paralelizado quando o SAD utiliza blocos maiores de cache. Aumentando o tamanho do
bloco de 8KB no middleware para 36 Kbytes para a máquina virtual favorece a
velocidade de boot FlexLab em função das características de funcionamento do SAD.
A Tabela 4 mostra o tempo de boot de um ambiente virtualizado e distribuído
em que os computadores clientes são inicializados simultaneamente por Wake-On-Lan,
sendo o Windows 2003 o sistema operacional virtualizado utilizado na ISU. O sistema
de arquivos distribuído na Camada 1 do FlexLab é o NFSv3 e na Camada 2 o
PVFS2/pNFS.
O tempo de boot é a soma do tempo do middleware (kernel Linux + MV) mais o
tempo real de iniciação da ISU. Com o experimento é possível notar a queda de 34
segundos no tempo de boot quando se aumenta o número de clientes de um para trinta
computadores utilizando-se apenas dois servidores para balanceamento de carga na
camada de SAD do FlexLab.
79
Tabela 4- Tempo de boot em Segundos de uma ISU composta por um Windows 2003 virtualizado e
distribuído para um 1 a 30 computadores clientes.
Cenários Middleware
FlexLab
Inicialização da
Máquina Virtual
Tempo Total
de Boot
1 cliente 18 39 57
5 clientes 23 55 78
10 clientes 28 69 98
30 clientes 108 245 353
Para validar o experimento foram criados três diferentes modelos de boot, como
visto na Tabela 5, com tempo de boot tradicional a partir de uma instalação local, tempo
de boot de um sistema virtualizado a partir do disco rígido local e tempo de boot
virtualizado a partir do acesso remoto. Usando como comparativo um ambiente com um
computador, foi possível constatar que o modelo distribuído e virtualizado utilizado no
FlexLab é 24 segundos mais lento que um sistema operacional inicializado do disco
rígido de forma tradicional e 18 segundos mais lento que o sistema operacional
virtualizado a partir do disco rígido. Entretanto, este valor inclui o tempo de boot do
middleware (Camada 1), que consome por volta de 22 segundos do tempo total de boot
da ISU.
Tabela 5 - Comparativo de tempo de boot em Segundos com um computador cliente (AGUIAR, et
al. 2008)(a)
Modelo Acesso a
Imagem
Tempo
(segundos)
Windows 2003 Sem
Virtualização
Disco
Rígido
40
Windows 2003 Virtualizado
Disco
Rígido
46
Windows 2003 Virtualizado e
Distribuído
Remoto 64
6.5. Desempenho da Camada de Virtualização
A camada de virtualização impõe um preço pelo benefício da abstração de
hardware na forma de um decréscimo perceptível no desempenho do computador.
Conforme apresentado no Capítulo 5, para atender os requisitos de funcionamento do
middleware FlexLab, foram considerados para fins de testes os mecanismos de
virtualização baseados em QEMU e o acelerador KQEMU, que utilizam tradução
binária dinâmica e apresentam o maior nível de compatibilidade de software e
80
hardware. O objetivo destes experimentos é avaliar o impacto que a camada de
virtualização causa no desempenho do middleware FlexLab e compara os mecanismos
de virtualização. O ambiente de teste utilizado nos testes da camada de
virtualização é apresentado na Tabela 6:
Tabela 6: Configuração dos computadores do ambiente de testes para a camada de virtualização
Tipo Configuração
Servidor 1 Processador Dual Core E4500 2.2GHz, 1 GB de RAM, Disco
rígido de 120 GB SATA 7200 RPM, rede de 1GB/s
Servidor 2 Processador Dual Core E4500 2.2GHz, 1 GB de RAM, Disco
rígido de 120 GB SATA 7200 RPM, rede de 1GB/s
Clientes Processador Dual Core E4500 2.2GHz, 1 GB de RAM, Disco
rígido de 120 GB SATA 7200 RPM, rede de 1GB/s
Switch 100Mb/s
A partir do ambiente criado para os experimentos em 6.3, portanto com o SAD
baseado em pNFS/PVFS2 com balanceamento de carga, foi possível observar o
desempenho do middleware do FlexLab baseado na camada de virtualização QEMU
com as opções:
• Aceleração KQEMU em modo kernel e usuário;
• Aceleração KQEMU somente usuário;
• Sem aceleração.
A partir destes experimentos é possível avaliar o impacto do mecanismo de
virtualização no desempenho do SAD e do middleware. Para um número inferior a
cinco computadores, é possível observar uma diferença inferior a 3 segundos no tempo
total de boot do sistema. Entretanto, com o maior número de computadores iniciando
suas ISUs concorrentemente, o melhor desempenho de virtualização oferecido pelo
mecanismo baseado no acelerador KQEMU permite que o desempenho global do
sistema seja superior em relação ao boot com um sistema de virtualização não baseada
em VMM clássica, conforme mostra a Figura 24. Desta forma, conclui-se que o melhor
desempenho da camada de virtualização contribui com o desempenho global de boot em
um ambiente.
81
26
55
92
353
28
57
86
394
28
54
86
415
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
1computador 5
computadores
10
computadores
30
computadores
KQEMUUK
KQEMUU
SEMKQEMU
Figura 24: Comparação do tempo de boot em segundos em função do mecanismo de virtualização
Considerando ainda as configurações de hardware da Tabela 6, o estudo
também avaliou a degradação de desempenho causada pela camada de virtualização
utilizada no FlexLab. Para isso, foi utilizada como forma de medida o tempo de abertura
do aplicativo Microsoft Word 2003, medido através da aplicação de medição de tempo
Intel VTune Performance Analyzer 9.0. Os seguintes cenários foram avaliados:
Execução nativa do aplicativo Microsoft Word 2003 e execução do mesmo aplicativo
nos computadores que realizaram o boot remoto por meio do FlexLab. No caso do boot
remoto através do FlexLab, foi utilizado na camada de virtualização a MV QEMU com
o acelerador KQEMU.
Tabela 7: Tempo (em segundos) de abertura do aplicativo Microsoft Word 2003 para observação
da degradação de desempenho causada pela camada de virtualização do FlexLab
Cenários Execução
Nativa
(Boot local)
QEMU+KQEMU
(Boot pelo
FlexLab)
Degradação
de
Desempenho
1 cliente 4,2 4,4 0,2
5 clientes 4,2 4,5 0,3
10 clientes 4,2 4,5 0,3
30 clientes 4,2 4,7 0,5
Observa-se na Tabela 7 que o a degradação de desempenho causada pela camada
de virtualização do FlexLab é inferior a 5% considerando a execução de apenas 1
cliente. Mesmo no cenário com 30 clientes executando o aplicativo ao mesmo tempo
por meio do Sistema de Arquivos Distribuído, a degradação de desempenho é inferior a
1 segundo, representando uma degradação de 11% no tempo de execução do aplicativo.
82
6.6. Desempenho do FlexLab em ambientes heterogêneos
Em função da existência da camada de virtualização, um dos recursos do
FlexLab é o boot de uma ISU em um ambiente composto por diferentes conjuntos de
hardware. Desta forma, o gerenciamento do FlexLab pode ser centralizado a uma única
imagem administrativa que pode ser distribuída para execução em diferentes tipos de
computadores. Os testes foram desenvolvidos a partir de um ambiente heterogêneo
composto por 30 computadores, dos quais sete com configuração diferente de hardware
conforme indica a Tabela 7.
Tabela 8: Tipos de configurações dos computadores do ambiente heterogêneo de teste
Tipo
Quantidade
Configuração
Processador Dual Core E4500 2.2GHz, 1 GB de RAM,
Disco rígido de 120 GB SATA 7200 RPM, rede de
1GB/s
Servidor 1
1
Processador Dual Core E4500 2.2GHz, 1 GB de RAM,
Disco rígido de 120 GB SATA 7200 RPM, rede de
1GB/s
Servidor 2
1
Processador Dual Core E4500 2.2GHz, 1 GB de RAM,
Disco rígido de 120 GB SATA 7200 RPM, rede de
1GB/s
Cliente 1
24
Processador Pentium M 2.0GHz, 1 GB de RAM, Disco
rígido de 120 GB SATA 5400 RPM, rede de 1GB/s
Cliente 2
2
Processador Pentium 4 1.8 GHz, 512 MB de RAM,
Disco rígido de 40 GB PATA 4200 RPM, rede de 100
MB/s
Cliente 3
3
Processador Pentium M 1.73 GHz, 1 GB de RAM,
Disco rígido de 40 GB SATA 5400 RPM, rede de 1GB/s
Cliente 4
1
Switch
1
100Mb/s
Os testes desenvolvidos comparando o ambiente homogêneo com o ambiente
heterogêneo de computadores utilizaram a MV QEMU com o acelerador KQEMU em
modo de execução kernel e usuário associado ao Sistema de Arquivos Distribuído na
Camada 2 e mostraram que o ambiente heterogêneo com computadores com menor
poder de processamento degradaram o desempenho em 9%.
Tabela 9: Comparação do tempo de boot em segundos de um ambiente heterogêneo contra um
ambiente homogêneo (30 computadores em cada caso).
Ambiente com 30 computadores
(tempo em segundos)
Tempo de
Middleware
Tempo
da MV
Tempo
Total de
Boot
Ambiente Homogêneo
132 225
357
Ambiente Heterogêneo
128 262
390
83
6.7. Considerações Finais
O FlexLab pode ser aplicado em diversos cenários, não se limitando apenas ao
gerenciamento de computadores. Entre os possíveis cenários de aplicação estão:
• Gerenciamento de redes de computadores de uso corporativo onde os
requisitos de padronização de configuração de software sejam elevados e os
usuários demandem aplicativos pouco convenientes para arquiteturas thin-
clients (por exemplo, software para edição de vídeos ou CAD);
• Gerenciamento de computadores de uso compartilhado, como laboratórios
de informática, onde a necessidade de padronização de configuração de
software simplifica as tarefas administrativas e reduz o custo de manutenção
(MORGADO, CRUZ & TWANI, 2008). O fato dos computadores poderem
também fazer o boot de diferentes tipos de imagens e versões de ISUs
permite que o laboratório de uso compartilhado seja utilizado por diversas
turmas com diferentes configurações de imagens;
• Gerenciamento de LAN Grids compostas por diversas MVs distribuídas pelo
FlexLab para o processamento de atividades em segundo plano utilizando a
capacidade ociosa de processamento dos computadores dos usuários;
• Criação de Clusters multiuso a partir de computadores commodity,
permitindo que computadores com capacidade ociosa de processamento (por
exemplo, não são utilizados no período da noite) sejam utilizados para fins
de computação de alto-desempenho. Neste caso, o FlexLab pode distribuir as
MVs com o ambiente de Cluster já preparado e configurado.
De acordo com as atividades de experimentação do middleware FlexLab
desenvolvidas por este projeto, é possível afirmar que a implantação de um SAD
otimizou o desempenho em operações de leitura e permitiu maior potencial de escala da
solução, apresentando ainda a possibilidade de execução de uma ISU em ambientes
heterogêneos de computadores. O desempenho da camada de virtualização pode
influenciar de forma significativa o tempo de execução e de boot da ISU, e mostra que
um melhor mecanismo de virtualização pode favorecer o desempenho global do
ambiente de MVs distribuídas criado pelo FlexLab.
84
7. CONCLUSÃO
A combinação das técnicas de virtualização de hardware com um Sistema de
Arquivos Distribuídos permite o desenvolvimento de uma solução de gerenciamento de
ambientes computacionais capaz de oferecer a administração das configurações de
software através de uma ISU, sem com isso sacrificar o desempenho de execução de
cada cliente em função do número de computadores conectados ao sistema, situação
oposta ao que ocorre em soluções do tipo thin-client. Os desafios, entretanto, são
oferecer todos estes benefícios conjugados em um middleware transparente, otimizado e
que ofereça suporte a escala e desempenho para uma arquitetura de baixo custo, como é
o caso da arquitetura x86. Técnicas de virtualização recentes, como os modelos de
virtualização assistida por hardware, indicam que é possível oferecer uma solução
baseada em virtualização distribuída com um decréscimo de desempenho compatível
com o desempenho da execução nativa, o que significa oferecer aos computadores
clientes a possibilidade de execução de uma ISU virtualizada com desempenho próximo
ao nativo do processador.
Ao avançar sobre o paradigma de virtualização distribuída utilizando um modelo
multicamada, o FlexLab oferece os benefícios apresentados pela virtualização e
aproveita a evolução constante dos mecanismos de virtualização, como as VMMs com
suporte a virtualização assistida por hardware, uma vez que o modelo multicamada
permite que o middleware de virtualização seja alterado em tempo de boot. Além disso,
o modelo FlexLab traz os benefícios da flexibilidade de execução sobre plataformas
heterogêneas com operação distribuída através de discos virtuais.
O estudo mostra que uma solução como o FlexLab, baseada em virtualização
distribuída, é capaz de oferece um middleware viável para gerenciamento de
computadores x86 por meio de uma ISU em função dos resultados apresentados.
Embora o middleware do FlexLab introduza uma degradação no desempenho de
execução da ISU, esta degradação é linear em função do número de nós adicionados ao
servidor do FlexLab.O crescimento é linear uma vez que o tempo de execução de
aplicativos está em sua maior parte associado aos recursos locais de processamento do
computador, e não aos recursos do servidor do FlexLab. Desta forma, a degradação de
desempenho para a execução de aplicativos em um computador utilizando o FlexLab
85
como ambiente de execução é próxima a degradação de desempenho encontrada em
uma rede com 30 computadores utilizando o ambiente de execução do FlexLab. Nos
testes desenvolvidos pelo projeto, a degradação de desempenho não foi superior a 11%
do tempo de execução nativa para um computador.
Ao apresentar os benefícios do gerenciamento através de uma ISU mesmo em
ambientes com configuração heterogênea de hardware associado a uma degradação de
desempenho aproximadamente constante, o FlexLab mostra-se uma alternativa viável
como ferramenta de gerenciamento centralizado. Com a evolução no poder de
processamento dos novos processadores, a redução do custo destes componentes e a
disponibilização de mecanismos de virtualização assistidos por hardware, esta
degradação de desempenho tende a ser ainda mais baixa, criando a possibilidade para
que o modelo de gerenciamento através de virtualização distribuída do FlexLab possa
oferecer todos os benefícios apresentados neste projeto, porém com um desempenho
similar a execução nativa do processador.
7.1. Contribuições deste Trabalho
Os estudos para o desenvolvimento do FlexLab conduziram a criação de um
mecanismo de gerenciamento de computadores utilizando a abordagem da virtualização
distribuída por meio de uma arquitetura multicamada, contribuindo para pesquisas
acadêmicas futuras:
• Um estudo bibliográfico sobre as principais tecnologias de virtualização,
sistemas distribuídas e gerenciamento por meio de boot remoto.
• Proposta de uma arquitetura multicamada baseada em um sistema de arquivos
distribuído com balanceamento de carga, viabilizando a utilização de ISUs no
modelo de boot remoto.
• Uma análise do uso em aplicações de cluster multiuso aproveitando recursos
ociosos em laboratórios de informática e estações de trabalho.
• A utilização de um middleware de virtualização distribuída para o
gerenciamento de computadores por meio de ISUs, explorando um paradigma
86
descentralizado de gerenciamento por meio de virtualização diferentemente dos
mecanismos adotados pelas soluções atuais. .
7.2. Trabalhos Futuros
A partir do middleware FlexLab de virtualização distribuída com aplicação em
gerenciamento de computadores corporativos e criação de Clusters multiuso,
oportunidades de trabalhos futuros são citados:
• Adaptação do middleware FlexLab para funcionamento através da Internet,
permitindo assim que seus usuários possam utilizar qualquer computador como
cliente do FlexLab ao redor do mundo;
• Adaptação do middleware FlexLab para funcionamento em redes locais sem-fio;
• Aprimoramentos no mecanismo de virtualização para que a utilização de
dispositivos pela porta USB seja automatizada e transparente para o usuário;
• Utilização do possível disco rígido físico local existente no computador do
cliente como mecanismo de cache de arquivos, aplicando o algoritmo rsync para
otimizar o tráfego de dados na rede;
• Aprimorar o recurso de balanceamento de carga para que o número de novos
clientes adicionados na rede do FlexLab não dependa do número de servidores
de ISU. Desta forma, outros nós da rede FlexLab podem se tornar servidores de
ISU;
• Desenvolver uma topologia P2P para o Sistema de Arquivos Distribuídos do
FlexLab para aplicação do middleware em redes virtuais sobre a Internet;
• Explorar as possibilidades de uso da EFI como sistema para hospedar os
serviços do middleware FlexLab, oferecendo recursos de virtualização nativos
ao computador;
87
8. REFERÊNCIAS
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ANDERSON, A.; BENNETT, S.; KÄGI, A.; LEUNG, F.; SMITH, L. (2005). Intel
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2006. p. 23.
92
ANEXO A
Tabela 1: Quadro comparativo das Máquinas Virtuais e sua aceitação pelo FlexLab
Nome
Criador
Processadordo
Host
Processadordo
Guest
Sistema
Operacionaldo
Host
Sistemas
Operacionais
Suportados
Executa
qualquer
SO?
Métodode
Operação
Licença
Aceitável
parao
FlexLab?
Desempenho
Relativodo
Guest
Bochs
KevinLawton
Intelx86,AMD64,
SPARC,PowerPC,
Alpha,MIPS
Intelx86,
AMD64
Windows,
Linux,
DOS,
Windows,
xBSD,Linux
Sim emulação LGPL Não Muitolento
OSX,IRIX,AIX,
BeOS
Colinux
DanAloni
helpedby
outros
developers1
Intelx86,outros? MesmodoHost
WindowsNT
(NT,2000,XP,
Server2003),
Linux?
Linux Não PortedeSistema
GPLversão
2
Não Nativo
Denali
Universityof
Washington
Intelx86 Intelx86 Denali
Ilwaco,
NetBSD
Não
Paravirtualizaçãoe
PortedeSistema
? Não Lento
DOSBox
Peter
Veenstrae
Sjoerdwith
community
help
Intelx86,AMD64,
SPARC,PowerPC,
Alpha,MIPS
Intelx86
GNU/Linux,
Windows,Mac
OSClassic,Mac
OSX,BeOS,
FreeBSD,
OpenBSD,
Solaris,QNX,
IRIX
ShellEmulado
doDOS
Não
Emulaçãousando
Tradução
Dinâmica
GPL Não
Extremamente
Lento‐poréma
velocidadeé
irrelevanteparao
tipodeaplicação
DOSEMU
Community
Project
Intelx86 Intelx86 Linux DOS Sim
Virtualizaçãode
Hardware
GPLversão
2
Não Nativo
FreeVPS
PSoft Intelx86,AMD64 MesmodoHost Linux
Várias
Distribuições
Linux
Não
Virtualizaçãoem
NíveldeSO
GPLversão
2
Não Nativo
Integrity
Virtual
Machine
Hewlett‐
Packard
Itanium Itanium HP‐UX
HP‐UX(Linux,
Windows,
OpenVMS)
Sim Virtualização Proprietário Não PertodoNativo
Jail
FreeBSD Intelx86, MesmodoHost FreeBSD FreeBSD Não
Virtualizaçãoem
NíveldeSO
FreeBSD Não Nativo
KVM
KVM
ProcessadorIntel
comextensõesVT
Processador
Intelcom
extensõesVT
Linux Linux Não
Virtualizaçãoem
NíveldeSO
GPL2 Não Nativo
Linux‐
VServer
Community
Project
Intelx86,AMD64,
IA‐64,Alpha,
PowerPC/64,PA‐
RISC/64,
SPARC/64,ARM,
S/390,SH/66,
MIPS
MesmodoHost Linux
Várias
Distribuições
Linux
Não
Virtualizaçãoem
NíveldeSO
GPLversão
2
Não Nativo
Macon
Linux
MacOnLinux
[8]
PowerPC PowerPC Linux
MacOSX,Mac
OS7.5.2to
9.2.2,Linux
Não Virtualização GPL Não Nativo
OpenVZ
Projetoda
Comunidade
comsuporte
daSWsoft
Intelx86,AMD64,
IA‐64
Intelx86,
AMD64,IA‐64
Linux
Diversas
Distribuições
Linu
Não
Virtualizaçãoem
NíveldeSO
GPL Não Nativo
Parallels
Workstation
Parallels,Inc.
Intelx86,IntelVT‐
x
Intelx86
Windows,
Linux,MacOSX
(VersãoIntel)
Windows,
Linux,
FreeBSD,
OS/2,
eComStation,
MS‐DOS,
Solaris
Sim
Virtualização,
Lightweight
Hypervisor
Proprietário Sim PertodoNativo
PearPC
Sebastian
Biallas
x86,AMD64 PowerPC Windows,Linux
OSX,Darwin,
Linux
Sim
Emulaçãousando
Tradução
Dinâmica
GPL Não
10%do
Desempenho
Nativo
93
Nome
Criador
Processadordo
Host
Processadordo
Guest
Sistema
Operacionaldo
Host
Sistemas
Operacionais
Suportados
Executa
qualquer
SO?
Métodode
Operação
Licença
Aceitável
parao
FlexLab?
Desempenho
Relativodo
Guest
QEMU
Fabrice
Bellardcom
suportede
outros
Intelx86,AMD64,
IA‐64,PowerPC,
Alpha,SPARC32e
64,ARM,S/390,
M68k
Intelx86,
AMD64,ARM,
SPARC32e64,
PowerPC,MIPS
Windows,
Linux,OSX,
FreeBSD,BeOS
Windows,
Linux,OSX,
FreeBSD,BeOS
eOutros
Sim
Recompliação
Dinâmica
GPL/LGPL Não
10a20%do
Desempenho
Nativo
QEMUc/
Módulo
QKEMU
Fabrice
Bellard
Intelx86,AMD86
Omesmodo
Host
Linux,FreeBSD,
Windows
Linux,
FreeBSD,
Windows
Sim Virtualização
GPLversão
2
Sim PertodoNativo
QEMUc/
Módulo
qvm86
PaulBrook x86 x86
Linux,NetBSD,
Windows
Linux,NetBSD,
Windows
Sim Virtualização GPL Sim PertodoNativo
SimNow
AMD AMD64 AMD64
Linux(64bit),
Windows
(64bit)
Linux,
Windows
(32bite64bit)
Sim
Cachedecódigo,
Virtualização,
AMD
Proprietário
Não Lento
TRANGO
TRANGO
Systems,
GreNãoble,
France
ARM,XScale,
MIPS,PowerPC
ARM,MIPSe
PowerPC
Paravirtualizados
Nenhum
Linux,eCos,
µC/OS‐II
Sim
Paravirtualizaçãoe
PortedeSistema
orVirtualizaçãode
Hardware
Proprietário Não Nativo
View‐OS
RenzoDavoli
e
comunidade
Intelx86,
PowerPC,AMD64
(inprogress)
Omesmodo
Host
Linux2.6+ Linux Não
Partial
Virtualizaçãopor
trappingusando
syscall
GPLversão
2
Não PertodoNativo
UserMode
Linux
JeffDikee
Comunidade
Intelx86,outros?
Omesmodo
Host
Linux Linux Não PortedeSistema
GPLversão
2
Não Lento
VirtualBox
Sun
Microsystems
x86,x86‐64 x86
Windows,
Linux,MacOSX
(VersãoIntel),
Solaris(x86‐64)
DOS,
Windows,
Linux,
FreeBSD,
Solaris
Não Virtualização
GPVversão
2
Sim PertodoNativo
VirtualPC7
forMac
Microsoft PowerPC Intelx86 OSX
Windows,
OS/2,Linux
Sim
Recompilação
Dinâmica
Proprietário Não Lento
VirtualLogix
VLX
VirtualLogix
ARM,DSPC6000,
Intelx86,IntelVT‐
x
Omesmodo
Host
Nenhum:
Instalaçãoem
baremetal
Linux,C5,
VxWorks,
Nucleus,
DSP/BIOSe
Proprietário
OS
Sim
Paravirtualizaçãoe
PortedeSistema
orVirtualizaçãode
Hardware
Proprietário Não PertodoNativo
Virtual
Server2005
R2
Microsoft Intelx86,AMD64 Intelx86
Windows2003,
XP
WindowsNT,
2000,2003,
Linux(RedHat
eSUSE)
Sim
Virtualização
(guestcalls
trapping)
Proprietário
(Gratuito)
Não PertodoNativo
Virtuozzo
SWsoft
Intelx86,IA‐64,
AMD64
Intelx86,IA‐64,
AMD64
Linux&
Windows
Várias
Distribuições
Linuxe
Windows
Não
Virtualizaçãoem
NíveldeSO
Proprietário Não Nativo
VMware
ESXServer
3.0
VMware Intelx86,AMD64
Intelx86,
AMD64
Nenhum
(instalaçãoem
BareMetal)
Windows,
RedHat,SuSE,
Netware,
Solaris
Sim Virtualização Proprietário Não PertodoNativo
VMware
ESXServer
2.5.3
VMware Intelx86,AMD64 Intelx86
Nenhum
(instalaçãoem
BareMetal)
Windows,
RedHat,SuSE,
FreeBSD,
Netware
Sim Virtualização Proprietário Não PertodoNativo
VMware
Server
VMware Intelx86,AMD64
Intelx86,
AMD64
Windows,Linux
DOS,
Windows,
Linux,
FreeBSD,
Netware,
Solaris,Virtual
Appliances
Sim Virtualização
Proprietário
(Gratuito)
Não PertodoNativo
VMware
Workstation
5.5
VMware Intelx86,AMD64
Intelx86,
AMD64
Windows,Linux
DOS,
Windows,
Linux,
FreeBSD,
Netware,
Sim Virtualização Proprietário Sim PertodoNativo
94
95
Nome
Criador
Processadordo
Host
Processadordo
Guest
Sistema
Operacionaldo
Host
Sistemas
Operacionais
Suportados
Executa
qualquer
SO?
Métodode
Operação
Licença
Aceitável
parao
FlexLab?
Desempenho
Relativodo
Guest
VMware
Player
VMware Intelx86,AMD64
Intelx86,
AMD64
Windows,Linux
DOS,
Windows,
Linux,
FreeBSD,
Netware,
Solaris,Virtual
Appliances
Sim Virtualização
Proprietário
(Gratuito)
Sim PertodoNativo
Xen
Universityof
Cambridge,
Intel,AMD
Intelx86,AMD64,
(PowerPCeIA‐64
em
desenvolvimentio)
Omesmodo
Host
NetBSD,Linux
Linux,NetBSD,
FreeBSD,
OpenBSD,
WindowsXP&
2003Server
Sim
Paravirtualizaçãoe
PortedeSistema
ouVirtualização
deHardware
GPL Sim
Nativo
(Processadorc/
suportea
Paravirtualização)
z/VM
IBM z/Architecture
z/Architecturee
predecessors
z/VM
Linux
Proprietário
Sim Virtualização Proprietário Não Nativo
Zones
Sun
Microsystems
OpenSolaris
Intelx86,AMD64,
UltraSPARC,
SPARC64
Omesmodo
Host
Solaris
Solaris,Linux
(BreZ)
Não
Virtualizaçãoem
NíveldeSO
CDDL(Free) Não PertodoNativo
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