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Geovane Macedo Chaplin
2 40 ERAD 2009 Caxias do Sul, 17 a 20 de março de Introdução A virtualização e o uso de máquinas virtuais se tornaram um assunto destaque no mundo da tecnologia da informação (TI), apesar de não ser exatamente uma novidade. A introdução da linguagem de programação Java nos anos 90 trouxe consigo a noção de máquina virtual, mas sua origem é mais antiga. O termo máquina virtual foi introduzido na década de 60 como um conceito de sistemas operacionais para indicar uma abstração em software de um sistema computacional em hardware. Já nos anos 70 era comum que cada computador (mainframe), mesmo de um único fabricante, tivesse seu próprio sistema operacional causando problemas de portabilidade e de sistemas legados. Na época, a solução encontrada foi explorar a risca o conceito de máquina virtual, ou seja, uma camada de software que oferece um ambiente completo similar ao de uma máquina física que executa sobre um sistema computacional nativo. Uma máquina virtual contém seu próprio sistema operacional, bibliotecas e aplicativos e é totalmente independente e isolada das demais. Essa abordagem foi usada com sucesso pela IBM que, na linha de mainframes 370 e seus sucessores, oferecia uma máquina virtual portada para cada uma das plataformas de hardware sobre a qual as aplicações executavam. Dessa forma era possível executar, ou migrar, uma aplicação, de uma plataforma a outra, desde que houvesse uma versão de máquina virtual para a plataforma alvo. Na década de 80, a medida que os computadores começaram a se tornar mais comuns e terem seu hardware uniformizado, a quantidade de sistemas operacionais convergiu para algumas poucas famílias (Unix, Macintosh e Microsoft), cada uma com um público-alvo e um conjunto de aplicativos. Nesse contexto, o emprego de máquinas virtuais perdeu importância. Entretanto, o aumento do poder computacional dos atuais processadores, a disseminação de sistemas distribuídos e a onipresença das redes de computadores causaram, por várias razões, o ressurgimento da virtualização. Até agora, a virtualização foi apresentada como uma técnica que permite a execução de múltiplos sistemas operacionais e de suas aplicações em máquinas virtuais sobre uma única máquina física. Entretanto, o conceito de virtualização é mais amplo. Segundo a EMA (Enterprise Management Association), virtualização é a técnica que mascara as características físicas de um recurso computacional dos sistemas, aplicações ou usuários que os utilizam. Nesse contexto, encontramos a virtualização na implementação de desktops remotos, de discos virtuais, na computação em cluster e mesmo em dados como, por exemplo, através do uso de XML, SQL, JMS, entre outros. Ainda, a partir do momento que se define máquinas virtuais, surge, quase que imediatamente, a necessidade de conectá-las em rede. Todas as máquinas virtuais existentes provêm interfaces de redes virtuais idênticas as suas similares reais, isso é, com endereços MAC e podem ser interligadas a equipamentos de interconexão de rede reais, ou virtuais, como switches e roteadores. Outro ponto interessante de uma máquina virtual é que, por ela ser um ambiente isolado, o comprometimento de sua segurança não afeta as demais. Inclusive, é possível ter políticas de segurança diferentes para cada uma delas. Com base no que foi mencionado até o momento, é possível imaginar que a virtualização oferece um potencial muito grande para criar e manter infra-estruturas de rede. O objetivo deste trabalho é fornecer os principais conceitos da virtualização e de suas formas de implementação. Atualmente existem várias ferramentas que oferecem suporte a virtualização, tanto soluções proprietárias, quanto em software livre. As mais
3 Virtualização: Princípios Básicos e Aplicações 41 conhecidas são Xen. VMware, Microsoft VirtualPC 2007 e Virtualbox, e serão apresentadas como estudos de caso. Conclui-se com a discussão de algumas aplicações típicas da virtualização em infra-estruturas de TI e processamento paralelo Fundamentação teórica Um computador é um sistema de computação relativamente complexo devido à variedade de componentes de hardware e de software que o constitui e às interações entre eles. Entretanto, essa complexidade nunca foi um empecilho para o crescimento e a evolução dos computadores em geral devido ao seu projeto de forma hierárquica, com diferentes níveis de abstração e com interfaces bem definidas entre esses níveis. O uso de níveis de abstração e interfaces, tanto para os componentes de software, como para os de hardware, permitiu que cada componente fosse visto como um subsistema independente oferecendo serviços para os demais. Os detalhes internos de implementação de cada um deles não precisam ser conhecidos: basta conhecer as interfaces e os serviços oferecidos. O princípio básico é o de dividir para conquistar, o que significa dividir o sistema computacional em várias camadas funcionais hierárquicas, cada uma com um nível de abstração apropriado e provendo serviços para a camada superior através de uma interface bem definida. Uma camada n não enxerga os detalhes internos da camada n-1, mas apenas as suas abstrações e interfaces. Por exemplo, é possível saber o quê um processador é capaz de executar analisando seu conjunto de instruções assembly sem conhecer como ele é internamente construído. Isso permite que um compilador gere código compatível para processadores de fabricantes diferentes, desde que eles ofereçam a mesma interface, isso é, o mesmo conjunto de instruções com os mesmos códigos de máquina. Da mesma forma, programadores C não precisam estar cientes de detalhes do hardware e do sistema operacional quando eles usam recursos padrões da linguagem. Entretanto, essa organização cria uma dependência entre as camadas em função das interfaces disponibilizadas, ou seja, é obrigatório respeitar uma interface para usar os serviços daquela camada. Uma solução para eliminar essa dependência seria mapear uma interface para outra com a introdução de uma camada intermediária de adaptação. Esse mapeamento é a base da virtualização e foi introduzido através do conceito de isomorfismo [Popek e Goldberg, 1974]. O isomorfismo consiste em transformar o estado de um sistema A em um estado equivalente em sistema B. Para uma seqüência s de operações que modificam o estado E i em um estado E j no sistema A, existe uma seqüência s que executam uma transformação equivalente do estado E i para o estado E j no sistema B. Apesar do isomorfismo também poder ser usado para explicar o que é abstração, [Smith e Nair 2005] fazem uma diferenciação interessante entre abstração e virtualização: enquanto uma abstração esconde detalhes internos de um componente, a virtualização os apresenta ao exterior de uma forma diferente da real. Um computador é composto por duas grandes camadas, a de hardware e a de software, que por sua vez são divididas em subcamadas. Para melhor compreender o princípio de funcionamento da virtualização, e os tipos de máquinas virtuais existentes, é preciso conhecer aspectos básicos dessas duas camadas. Esses aspectos dizem respeito a alguns conceitos básicos de arquitetura de computadores e de sistemas operacionais, os quais serão apresentados a seguir Aspectos de arquitetura de computadores Por arquitetura de computadores entende-se a descrição lógica e funcional dos componentes que formam o hardware de um sistema computacional e suas interações,
4 42 ERAD 2009 Caxias do Sul, 17 a 20 de março de 2009 mas sem entrar em detalhes de como cada um desses componentes é implementado internamente. Segundo [Hennessy e Patterson 2007], a área de arquitetura de computadores engloba pelo menos três grandes categorias: Conjunto de instruções de máquina (Instruction Set Architecture - ISA): é a abstração do processador através de seu conjunto de instruções de máquina (assembly). Inclui, além das instruções, os modos de endereçamento possíveis e os registradores de máquina existentes. Projeto do sistema: envolve os componentes externos ao processador como barramentos, memória, controladores, arbitramento, subsistema de E/S e suas interconexões. Trata ainda dos mecanismos de suporte necessários a multiprocessadores, por exemplo. Microarquitetura: descrição de como são constituídas as unidades internas de um processador e como elas são interligadas para implementar o conjunto de instruções. Diz respeito a como um processador é organizado internamente. Cada uma dessas categorias possui um nível de abstração que fornece um conjunto de serviços e uma interface. Apenas as duas primeiras categorias, conjunto de instruções e projeto de sistema, são importantes no contexto deste capítulo. A figura 4.1, fornece uma visão esquemática das diferentes camadas de abstração encontradas em um sistema computacional incluindo o sistema operacional e seus aplicativos. O conjunto de instruções (ou ISA) é a interface limítrofe entre o nível de abstração de hardware e o de software. Essa interface é composta por todos os códigos de máquina aceitos pelo processador e que correspondem, cada um, a uma instrução. Tipicamente, um processador possui pelo menos dois modos de operação, nãoprivilegiado e privilegiado 1. A interface ISA é dividida em dois subconjuntos para refletir cada um desses modos de operação. O primeiro é formado por todas as instruções de máquina que podem ser diretamente executadas por programas de usuário e, por isso, constitui o que denomina de instruções de usuário ou user ISA. Os programas de usuário executam em modo não-privilegiado. O segundo subconjunto, formado pelas instruções de sistema (system ISA), é constituído por aquelas instruções de máquina capazes de configurar o comportamento do próprio processador e de acessar componentes de hardware diretamente, como as instruções de E/S. Essas instruções são acessíveis unicamente em modo privilegiado e, na prática, são executadas exclusivamente pelo núcleo do sistema operacional. A user ISA e a system ISA estão assinaladas na figura 4.1 como interfaces 1 e 2, respectivamente. Ao iniciar um sistema computacional, os primeiros passos realizados antes de se passar o controle ao sistema operacional estão relacionados com a configuração do processador e de seu hardware. Isso é feito através da inicialização de estruturas internas e de registradores de controle do processador como, por exemplo, vetor de interrupção e a unidade de gerência de memória (Memory Management Unit MMU), e das controladoras dos dispositivos de hardware. Tipicamente, cada controladora possui registradores internos que permitem sua configuração, leitura e escrita de dados e a consulta de seu estado de operação. Esses registradores são vistos pelo processador como uma série de endereços especiais definidos no momento do projeto e constituem uma interface entre o processador e os dispositivos de hardware. Na figura 4.1, essas interfaces são assinaladas como 3, 4 e 5. As instruções de máquina que permitem configurar o processador e acessar endereços especiais de E/S pertencem ao conjunto de 1 Também denominados, respectivamente, de modo usuário e modo sistema ou ainda modo não-protegido e modo protegido.
5 Virtualização: Princípios Básicos e Aplicações 43 instruções de sistema (system ISA). Note que, após a inicialização, o sistema operacional tem acesso ao hardware, ao sistema de memória, ao processador e aos dispositivos de E/S através dessas instruções. Figura 4.1 Arquitetura de computadores como um conjunto de camadas de abstração (adaptada de [Smith e Nair 2005]) Aspectos de sistemas operacionais Qualquer pessoa que atualmente use um computador sabe que existe algo denominado de sistema operacional que, de alguma forma, controla os diversos dispositivos que o compõe. A definição clássica para sistema operacional, encontrada em vários livros, é a de uma camada de software inserida entre o hardware e as aplicações que executam tarefas para os usuários e cujo objetivo é tornar a utilização do computador, ao mesmo tempo, mais eficiente e conveniente [Silberschatz, 2001]. A utilização mais eficiente busca um maior retorno no investimento feito no hardware. Maior eficiência significa mais trabalho obtido pelo mesmo hardware. Isso é obtido através da distribuição de seus recursos (espaço em memória principal, processador, espaço em disco, etc) entre diferentes programas. Cada programa tem a ilusão de estar executando sozinho no computador quando na realidade ele está compartilhando com os demais. Uma utilização mais conveniente do computador é obtida, escondendo-se do usuário detalhes de hardware, em especial, dos periféricos de entrada e saída. Tipicamente, isso é feito através da criação de recursos de mais alto nível oferecido através de interfaces gráficas. Por exemplo, os usuários usam espaço em disco através do conceito de arquivos. Arquivos não existem no hardware. Eles formam um recurso criado a partir do que o hardware oferece. Isso é um exemplo de virtualização de recursos. O conceito fundamental em sistemas operacionais é o de processo. Um processo é uma abstração que representa um programa em execução. Um processo é representado por um espaço de endereçamento lógico composto por regiões de texto e de dados, uma pilha e um heap (figura 4.2). A região de texto contém o código a ser executado. A região de dados mantém todas as variáveis globais, inicializadas ou não. A pilha serve para armazenar o endereço de retorno de uma chamada de função, para passagem de parâmetros, além de ser também a área de memória onde são criadas as variáveis locais. Por fim, a região de heap, que serve para a alocação dinâmica de porções de memória.
6 44 ERAD 2009 Caxias do Sul, 17 a 20 de março de 2009 Figura 4.2 A abstração de processo em um sistema operacional Cada processo é um ambiente de execução isolado dos demais processos que executa sobre um processador lógico, isto é, um processador virtual, vinculado a si no momento da criação do processo 2. Cabe ao núcleo do sistema operacional, através de seu escalonador, alternar os diferentes processadores lógicos (virtuais) sobre um processador físico. A ilusão de paralelismo é criada pelo chaveamento rápido entre os processos. De uma forma simplificada, a execução de um processo pode ser acompanhada pela abstração de dois registradores lógicos (virtuais): o contador de programa (Program Counter - PC) e o apontador de pilha (Stack Pointer SP). O contador de programa fornece, em um dado instante de tempo, um endereço da região de texto onde se encontra a instrução a ser executada. O apontador de pilha informa a região onde devem ser armazenados o endereço de retorno de uma chamada de função, seus parâmetros e suas variáveis locais. É através do apontador de pilha que se lê e escreve nos parâmetros de função e nas variáveis locais a função. Cabe ao sistema operacional, através de seu escalonador e do dispatcher, mapear os registradores lógicos PC e SP de um processo para os registradores físicos PC e SP e únicos do processador durante o chaveamento de contexto 3. A alternância entre os diversos PC e SP lógicos, dos diferentes processos, nos registradores PC e SP físicos fornece a ilusão de que vários processos estão executando simultaneamente (figura 4.2). Portanto, um processo nada mais é que um tipo de máquina virtual que executa um único programa. Outro princípio importante em sistemas operacionais é a sua estruturação em camadas hierárquicas, com seus diferentes níveis de abstrações e interfaces, de forma similar ao que ocorre em nível de hardware. Inicialmente, na seção anterior, foi visto que um processo de usuário só pode empregar instruções não-privilegiadas (user ISA), entretanto, em certas situações, como para realizar E/S, os processos de usuário 2 Na realidade, os sistemas operacionais atuais possuem duas abstrações para unidade de execução: processos e threads. Porém, continua válida a noção de um processador virtual por unidade de execução. Um estudo desses conceitos extrapola o escopo deste trabalho. O leitor pode obter detalhes em [Silberschatz, 2001][Oliveira, Carissimi e Toscani, 2004]. 3 O chaveamento de contexto é mais complexo do que simplesmente agir sobre os registradores SP e PC, pois envolve salvamento de estado de todos os registradores físicos do processador e a atualização de várias tabelas internas, mas para esta discussão, essa simplificação é suficiente.
7 Virtualização: Princípios Básicos e Aplicações 45 precisam executar instruções do modo privilegiado. Para permitir isso, sem violar o princípio dos dois modos de operação, o sistema operacional disponibiliza aos programas de usuário um conjunto de chamadas de sistema (system calls). As chamadas de sistema possibilitam que os programas de usuários acessem de forma indireta e controlada, através do sistema operacional, os recursos de hardware. Ao fazer isso, cabe ao sistema operacional realizar todos os procedimentos necessários para garantir que o processo de usuário não comprometa o correto funcionamento do sistema. As chamadas de sistema constituem, portanto, uma interface entre o processo de usuário e o sistema operacional. Como mencionado anteriormente, um dos objetivos de um sistema operacional é tornar mais conveniente o uso de um sistema computacional. Dentro desse contexto surgem as bibliotecas de funções, as quais disponibilizam uma série de funcionalidades para simplificar a construção de programas. Por exemplo, a biblioteca de sockets provê os mecanismos para o desenvolvimento de aplicações em rede ou, ainda, a biblioteca gtk que facilita a construção de interfaces gráficas. Cada função de biblioteca realiza um determinado procedimento e é identificada por um nome, parâmetros e valor de retorno. O conjunto de funções de uma biblioteca constitui o que é denominado de interface aplicativa ou apenas API, do inglês, Application Programming Interface. Algumas APIs de bibliotecas apenas encapsulam chamadas de sistemas para apresentá-las de uma forma mais amigável ao programador, enquanto outras podem ser mais complexas e envolver várias chamadas de sistema para realizar uma determinada funcionalidade. Uma API é definida para ser usada em conjunto com uma linguagem de programação de alto nível. Assim, por exemplo, um programador C utiliza em seu código fonte chamadas de funções de uma biblioteca com sintaxe e semântica do C. A própria biblioteca é um programa escrito em uma linguagem de alto nível que, posteriormente, é compilada e gera um código objeto com a implementação de cada função que disponibiliza. O código objeto de uma biblioteca, junto com o código objeto resultante da compilação de um programa fonte, forma o código executável. Para que os programas de usuário e as bibliotecas possam executar sobre um dado sistema operacional e processador (plataforma) é preciso respeitar as chamadas de sistema disponibilizadas e ter um código binário compatível com o do processador. Isso é obtido através da compilação do programa e das bibliotecas para essa plataforma. O produto final é um código executável que contém os equivalentes binários das instruções de usuário (user ISA) e das chamadas de sistema (system calls). A junção das versões binárias dessas duas interfaces é denominada de interface binária da aplicação, ou ABI (Application Binary Interface). Na prática, o que um programa em execução enxerga de uma plataforma é apenas a sua ABI (figura 4.3) e é isso que será a base para a construção de máquinas virtuais. Vale ressaltar que todas as funções de uma biblioteca são mapeadas ou para chamadas de sistema ou para instruções não privilegiadas.
8 46 ERAD 2009 Caxias do Sul, 17 a 20 de março de 2009 Figura 4.3 Interfaces genéricas de um sistema de computação O sistema operacional como uma máquina virtual Um sistema operacional nada mais é que um software que executa sobre um determinado hardware com o objetivo de controlar seus recursos e oferecer um ambiente de execução para os programas aplicativos. Esse ambiente, definido no momento da criação do processo, é composto por um espaço de endereçamento contendo as instruções do programa de usuário a serem executadas e por uma versão lógica (virtual) dos registradores do processador real. Quando um processo é posto em execução pelo escalonador do sistema operacional, os valores dos registradores lógicos são atribuídos aos registradores reais e assim o programa é executado. Isso equivale a imaginar que cada vez que um processo é criado, o sistema operacional atribui a ele um processador virtual. Além de virtualizar o processador, o sistema operacional oferece para os processos de usuário uma abstração dos recursos de hardware através do subsistema E/S e do sistema de arquivos. Em um sistema Unix, por exemplo, o subsistema de E/S classifica os dispositivos em orientados a bloco, orientados a caractere e rede. O acesso a cada dispositivo é feito através de chamadas de sistema como put, get, ioctl etc. O sistema de arquivos, através de sua noção de diretórios e arquivos, é como um usuário enxerga todos os dispositivos de armazenamento de dados (discos, cdrom, pendrive, por exemplo). O acesso ao sistema de arquivos é feito através de comandos e chamadas de sistema como cd, ls, mv, open, read, write, close, entre tantos outros. Portanto, o sistema operacional oferece para os processos de usuário um ambiente de execução que é basicamente uma máquina virtual completa (processador e dispositivos de E/S) cujo acesso é feito através das chamadas de sistema (a criação de processos também é uma chamada de sistema). Na verdade, a máquina virtual disponibilizada para um processo de usuário pelo núcleo do sistema operacional é composta de duas partes. A primeira é justamente uma versão virtual da máquina real que o núcleo oferece através de chamadas de sistema e das suas abstrações de dispositivos de E/S e do sistema de arquivos. A segunda é o processador físico (real) visto pelas instruções de máquina que o processo executa (user ISA). Essas duas partes, como visto na seção anterior, compõem a interface binária de aplicação (ABI). Analisando sob esse ponto de vista, é possível explicar o por quê, por exemplo, de um aplicativo Windows não executar sobre um sistema operacional GNU/Linux: a máquina virtual oferecida não é a mesma que o aplicativo espera. Além disso, há o problema de compatibilidade de código binário devido as diferentes ISA. Por exemplo, um programa compilado para um Intel x86 compatível não tem como executar
9 Virtualização: Princípios Básicos e Aplicações 47 sobre um powerpc. Note que tanto o núcleo do sistema operacional como o programa aplicativo contém instruções binárias específicas a um processador Virtualização Em sua essência, a virtualização consiste em estender ou substituir um recurso, ou uma interface, existente por um outro de modo a imitar um comportamento. Isso é feito através de uma camada de software responsável por transformar ações de um sistema A em ações equivalentes em um sistema B (isomorfismo). Dependendo de como e onde essa transformação é feita, é possível classificar os softwares de virtualização em três grandes categorias [Rosemblum, 2004]: Nível de hardware: é aquela em que a camada de virtualização é posta diretamente sobre a máquina física e a apresenta às camadas superiores como um hardware abstrato similar ao original. Corresponde à definição original de máquina virtual dos anos 60. Nível de sistema operacional: é um mecanismo que permite a criação de partições lógicas em uma plataforma de maneira que cada partição seja vista como uma máquina isolada, mas que compartilham o mesmo sistema operacional. Nesse caso, a camada de virtualização se insere entre o sistema operacional e as aplicações. São exemplos desse tipo de abordagem o FreeBSD Jails, Linux Vserver, OpenVZ e as zonas do Solaris. Nível de linguagens de programação: a camada de virtualização é um programa de aplicação do sistema operacional. O objetivo é definir uma máquina abstrata sobre a qual executa uma aplicação desenvolvida em uma linguagem de programação de alto nível específica. Essa é a abordagem da máquina virtual Java e da Microsoft Commom Language Infrastructure, base do.net. Embora cada um desses tipos de virtualização tenha um objetivo diferente, eles possuem um conjunto comum de características desejáveis. Primeira, oferecer compatibilidade de software. Isso significa que todo software desenvolvido para uma máquina virtual deve executar nela independente de onde ela esteja sendo usada. Para isso acontecer, a máquina virtual deve mascarar as diferenças de software e de hardware existentes. Esse requisito traduz a filosofia Java de write once, run anywhere. Segunda, isolamento, um software em execução em uma máquina virtual não deve ver, afetar ou ser afetado por outro software em execução em outra máquina virtual. Terceira, encapsulamento, permitir a qualquer momento a captura do estado completo do ambiente virtual parando a sua execução (suspend). Isso de ser feito de forma a possibilitar que, posteriormente, a execução seja retomada a partir desse estado (resume). Por fim, a camada de virtualização deve ser projetada e implementada de forma a não impactar em demasia o desempenho das aplicações que executam sobre ela. Isso representa uma relação custo-benefício que diz respeito a como as máquinas virtuais são implementadas. Esse assunto será desenvolvido nas próximas seções Máquinas virtuais Para melhor compreender o conceito de máquina virtual é importante notar que existem duas perspectivas diferentes a serem consideradas: a de um processo e a do núcleo do sistema operacional. Sob o ponto de vista de um processo de usuário, uma máquina consiste em um espaço de endereçamento lógico onde as instruções e dados do programa residem. Os dispositivos de E/S existentes, e o tipo de acesso que se pode fazer a eles, são aqueles definidos pelo núcleo do sistema operacional e disponibilizados
10 48 ERAD 2009 Caxias do Sul, 17 a 20 de março de 2009 através das chamadas de sistema. A interface entre a aplicação e a máquina virtual é feita através do conjunto de instruções não-privilegiadas (user ISA) e pelas chamadas de sistema (system calls). Com uma máquina virtual de processo, uma aplicação de usuário tem a ilusão de estar executando sozinha na máquina física. Já na perspectiva do núcleo do sistema operacional, uma máquina virtual é um ambiente completo que oferece suporte de execução para várias aplicações (processos). Cabe ao núcleo do sistema operacional gerenciar a utilização dos recursos de hardware como memória, acesso a dispositivos de E/S e mesmo o processador entre os vários processos. Além disso, como visto anteriormente, o núcleo do sistema operacional ainda oferece uma visão abstrata dos recursos de hardware como, por exemplo, os meios de armazenamento através do sistema de arquivos. A interface entre o núcleo do sistema operacional e o hardware físico é feita através do conjunto de instruções (ISA) do processador. Diferentemente de um processo, que existe apenas enquanto está em execução, o núcleo do sistema operacional deve existir enquanto o sistema computacional estiver ativo. Essa constatação leva a afirmação de que uma máquina virtual de processo tem uma existência temporária enquanto que a máquina virtual de sistema é perene. Cada uma dessas perspectivas dá origem a um tipo diferente de máquina virtual: as máquinas virtuais de processo e de sistema, que veremos a seguir. Antes, porém, alguns detalhes quanto à terminologia. O processo ou sistema operacional que executa sobre uma máquina virtual é denominado de hóspede ou convidado, enquanto que a plataforma subjacente onde a máquina virtual executa é denominada de hospedeiro ou sistema nativo. A camada de virtualização que implementa a máquina virtual é genericamente denominada de runtime (ou executivo) para as máquinas virtuais de processo, e de monitor de máquina virtual (Virtual Machine Monitor VMM), ou hipervisor (hypervisor), para as máquinas virtuais de sistema Máquina virtual de processo Uma máquina virtual de processo é aquela que fornece um ambiente de execução para uma única aplicação de usuário através de uma ABI virtual (chamadas de sistema e user ISA). Um ponto importante a destacar é que um processo é uma entidade efêmera, ou seja, ele existe apenas quando o programa está em execução. Portanto, uma máquina virtual de processo é criada sob demanda e só existe enquanto o processo estiver executando. Na figura 4.4, uma aplicação executa sobre um programa que implementa a máquina virtual de processo (runtime ou executivo). A máquina virtual utiliza as funcionalidades providas pelo sistema operacional como chamadas de sistema e funções de biblioteca e pelo próprio processador através de instruções nãoprivilegiadas. A aplicação emprega apenas a interface (ABI) provida pelo ambiente (máquina) virtual.
11 Virtualização: Princípios Básicos e Aplicações 49 Figura 4.4 Máquina virtual de processo Um desafio importante na concepção de máquinas virtuais de processo é quando a aplicação hóspede possui um código binário para um processador diferente daquele sobre o qual a máquina virtual executa, o hospedeiro. Por exemplo, uma aplicação compilada para Intel 32 que se deseja executar sobre um processador sparc. Existem várias maneiras de resolver esse problema, a mais direta é através da interpretação. Um interpretador é um programa que realiza um ciclo de busca de instrução, decodificação e emulação dessa instrução para o sistema hospedeiro. Um exemplo típico dessa abordagem é a linguagem de programação Java e de sua máquina virtual (Java Virtual Machine -JVM). A JVM é uma máquina virtual de processo que possui um código binário específico, os bytecodes, para os quais uma aplicação Java é compilada. Ao se lançar uma aplicação Java, na verdade, se está executando a máquina virtual Java passando como parâmetro um arquivo binário bytecode. A máquina virtual Java então interpreta, bytecode a bytecode, transformado-os em ações e instruções equivalentes da máquina real subjacente (hospedeiro). A principal vantagem desse método é a portabilidade, mas o processo de interpretação pode ser bastante oneroso em termos de desempenho. A tradução binária dinâmica surge como uma solução para melhorar o desempenho da interpretação feita nas máquinas virtuais de processo. Nesse caso, blocos de instruções da aplicação hóspede são traduzidos em blocos de instruções do sistema hospedeiro, o que já pode levar a alguma otimização em relação a se fazer instrução por instrução. Além disso, os blocos traduzidos podem ser armazenados em uma cache interna e posteriormente reaproveitados amortizando assim o custo da tradução. Essa técnica é denominada de compilação Just-In-Time (JIT). 3.2 Máquina virtual de sistema Uma abordagem alternativa para a camada de virtualização é a definição de uma máquina virtual de sistema. Aqui a máquina virtual oferece um ambiente de execução completo onde podem coexistir um sistema operacional e vários processos, possivelmente de diferentes usuários. Dessa forma, uma única plataforma de hardware pode executar múltiplos sistemas operacionais hóspedes, um em cada máquina virtual, simultaneamente. É esse tipo de abordagem que permite a consolidação de servidores que será apresentada na figura 4.6. Existem duas formas básicas de implementação de máquinas virtuais de sistema ou hipervisores [Goldberg, 1973] [IBM, 2008]. Os hipervisores tipo I, ou nativos, são aqueles que executam diretamente sobre o hardware de uma máquina real e as máquinas virtuais são postas sobre ele (figura 4.5a). A função básica de um hipervisor nativo é compartilhar os recursos de hardware (processador, memória, meios de armazenamento e dispositivos de E/S) entre as diferentes máquinas virtuais de forma que cada uma delas tenha a ilusão de que esses recursos são privativos a ela. Esse tipo de hipervisor
Capítulo 4 Virtualização: da teoria a soluções Alexandre Carissimi Instituto de Informática Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) Caixa Postal 15064 CEP 91501-970 Porto Alegre RS - Brasil Abstract