Virtual Machine

Sumário

1. Breve histórico
2. Conceitos básicos
3. Construção de máquinas virtuais
4. Tipos de máquinas virtuais
5. Técnicas de virtualização

Breve histórico

• 1960, IBM com o SO M44/44X e sistemas comercias virtualizados como OS/370
  • Cada usuário tinha virtualizado um sistema monousário com hardware, sistemas operacional e aplicativos
• 1970,
  • Popek & Goldberg formalizam vários conceitos associados a máquinas virtuais
  • Experiências com ambiente UCSD p-System onde programas em Pascal são compilados para hardware abstrato (P-Machine)
• 1980 -> computadores pessoais de baixo custo, IBM PC
  • Mito do DOS
• 1990 -> VMware, Java e PC de melhor desempenho
• 2010 -> DevOps com Containeres (vagrant, docker, LXC)

Conceitos básicos

Interface do sistema

níveis de abstração:

• Conjunto de instruções (ISA Instruction Set Architecture)
  • Instruções de usuário (User ISA)
  • Instruções do sistema (System ISA)
• Chamadas do sistema (syscalls UNIX, API Application Programming Interface WIN)
• Chamadas de biblioteca (libcalls UNIX, DLLs WIN)

Compatibilidade entre interfaces

• Premissas:
  • Sistemas operacinais somente funcionam se projetados e compilados de forma a respeitar ISA de uma plataforma de hardware
  • Aplicativos somente funcionam se projetos de forma a respeitar as interfaces do SO (syscalls) e da plataforma de hardware (User ISA)
• Interface Binária de Aplicação (ABI Application Binary Interface) = syscalls + User ISA

problemaas das incompatibilidade entre interfaces

• Baixa portabilidade
• Barreira de inovação
• Otimizações intercomponentes

Máquina virtual

• virtualização das interfaces
• componentes de virtualização
  • sistema convidado, ou virtual (guest system)
  • monitor ou hipervisor (virtual machine monitor VMM)
  • sistema hospedeiro, real, ou nativo (host system)

Emulação

• Emulação é uma forma de virtualização, onde o hipervisor virtualiza integralmente uma interface de hardware ou de sistema operacional
  • Exemplo a JVM

Abastração

• no contexto de sistemas operacionais
  • virtualização consiste em criar novas interfaces a partir das interfaces existentes
  • abstração dos recursos é construída de forma incremental, em níveis de abstração crescentes, que seja mais simples de usar e menos dependente das tecnologias subjacentes

Construção de máquinas virtuais

definição formal by Gerald Popek (UCLA) and Robert Goldberg (Harvard), 1974: “Uma máquina virtual é vista como uma duplicata eficiente e isolada de uma máquina real. Essa abstração é construída por um “monitor de máquina virtual” (VMM - Virtual Machine Monitor).”

Noutras palavras, virtualização consiste em reescrever uma ou mais interfaces do sistema computacional, para oferecer novas interfaces e assim permitir a execução de sistemas operacionais ou aplicações incompatíveis com as interfaces originais.

propriedades do hipervisor:

• básicas: equivalência, controle de recursos, eficiência
• desejáveis: isolamento, recursividade, inspeção

Formas e tipos de máquinas virtuais

• Formas
  • Virtualização de hardware ou virtualização completa
    • Inclui todo o conjunto de instruções ISA
    • Exemplo JVM
  • Virtualização de interface do sistema
    • Inclui apenas System ISA
    • Abordagem clássica de virtualização
    • Utilizada em sistemas de grande porte (mainframe)
    • Exemplo VMWare, VirtualPC, Xen
  • Virtualização de dispositivos de entrade/saída
    • Virtualiza dispositivos físicos permitindo interação com mundo exterior
    • Exemplo, a maioria das VMs usam para fornecer discos e interfaces de rede virtuais
  • Virtualização de sistema operacioal
    • Virtualiza o conjunto de recursos lógicos oferecidos pelo sistema operacinoal
    • Cada máquina virtual pode ser visto como uma instância distinta de um mesmo sistema operacional
    • Exemplos: FreeBSD Jails, Linux VServer, Solares Zones
  • Virtualização de chamadas de sistema
    • Permite oferecer o conjunto de syscalls de um sistema operacional host para um sistema operacional convidado
    • Exemplo: WineHQ aplicações WIN exectutando em um UNIX
  • Virtualização de chamadas de bibliotecas
    • Similar a virtualização de chamadas de sistemas
• Tipos de VMs
  • Máquinas virtuais de processo (Process Virtual Machine) ou máquinas virtuais de aplicações
    • Prover ambiente para execução de um processo (aplicação convidada)
    • JVM
  • Máquinas virtuais de sistema operacional (Operating System Virtual Machine)
    • Suporte a espácos de usuários distintos sobre um mesmo sistema operacional
    • Compartilham o mesmo núcleo mas cada ambiente tem seus próprios recursos lógicos
    • Exemplo: em teoria os containeres Vagrant, docker e LXC
  • Máquinas virtuais de sistema (System Virtual Machine)
    • Emular completamente plataformas de hardware, incluindo processadores e periféricos
    • Suporta sistemas operacionais convidados
    • Exemplo: Virtual Box e VMWare

outra classificação:

• Interfaces equivalentes
• Interfaces distintas

Máquinas virtuais de sistema

Arquiteturas hipervisores

1. Hipervisor nativo ou Tipo I
   • Exemplos: IBM OS/370, VMWare ESX Server, Xen
2. Hiperviros convidado ou Tipo II
   • Exemplos: VMWare Workstation, Virtual Box, QEMU