Artigo - LaboratÃ³rio de Banco de Dados

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2. Monitores de máquinas virtuaisA virtualização de recursos computacionais é um conceitoque foi bastante difundido no início da década de70, permitindo o compartilhamento e melhor aproveitamentodo poder computacional dos mainframes existentes[8]. Atualmente, fatores como aumento de desempenhodos computadores atuais e utilização de ambientes interligadosimpulsionaram novamente a utilização de ambientesvirtualizados.Soluções de virtualização envolvem basicamente o usode uma camada de software que permite que múltiplasmáquinas virtuais (possivelmente executando diferentes sistemasoperacionais) utilizem os recursos de uma dadamáquina real. O gerenciamento destas máquinas virtuaisé de responsabilidade de um Monitor de Máquinas Virtuais.Um MMV oferece, aos diferentes sistemas executandosobre suas máquinas virtuais, a ilusão um ambiente real, semelhanteà arquitetura original do computador hospedeiro.A eficiência de um monitor é medida de acordo com sua intrusividadena interceptação e manipulação das instruçõesvirtualizadas.Dentre as abordagens de implementação de monitores demáquinas virtuais, distingue-se os sistemas de virtualizaçãohospedada dos sistemas de virtualização clássica [15]. Emsistemas de virtualização hospedada, o monitor é instaladosobre um sistema operacional hospedeiro, e suas máquinasvirtuais são executadas sobre essa camada de software oferecida.Um exemplo de MMV que utiliza esse modelo deimplementação é o sistema VMware [16].Em sistemas de virtualização clássica, o monitor demáquinas virtuais é uma camada instalada diretamente sobreo hardware, permitindo que a execução do monitorocorra com o mais alto nível de privilégio. Destaforma, as interrupções e chamadas de sistema solicitadaspelos sistemas operacionais virtualizados podem serinterceptadas e manipuladas pelo monitor. Este modelode implementação, tipicamente utilizado em mainframes,apresenta uma limitação perante aos computadores atuaisque utilizam arquiteturas semelhantes à IA-32, onde um sistemaoperacional, embora virtualizado, ainda consegue executarinstruções em um nível de maior privilégio.Para contornar esta limitação na abordagem devirtualização clássica, sistemas como Denali [17] e Xen [3]utilizam uma técnica conhecida como paravirtualização,onde a interface apresentada às máquinas virtuais difere ligeiramenteda interface real da arquitetura subjacente. Estaabordagem requer uma adaptação do sistema operacionalvirtualizado, particularmente para lidar com instruções queexecutariam com maior privilégio.3. Visão geral de XenXen [3] é um MMV de código aberto, com suporte aarquiteturas das famílias IA-32, AMD64 e EM64T, e quepermite usar Linux ou NetBSD como sistemas operacionaishospedeiros. Nestas arquiteturas, Xen utiliza a técnicade paravirtualização mencionada na seção anterior, permitindoa execução de múltiplos sistemas operacionais emum mesmo computador hospedeiro. Embora os sistemasoperacionais virtualizados precisem ser modificados parafuncionar sobre Xen, esta abordagem é eficiente e não requermodificações em aplicações que executam sobre asmáquinas virtuais. A virtualização oferecida através de Xenresulta em uma máquina virtual independente do hardwareexistente, que pode ser encapsulada e migrada entre computadoresinterligados em rede. O restante desta seção apresentaa arquitetura de Xen e suas ferramentas auxiliares,além de descrever o mecanismo de migração suportado poreste MMV.3.1. Arquitetura e ferramentasA arquitetura de Xen distingue dois elementos principais:o monitor de máquinas virtuais propriamente dito(também chamado hypervisor) e as máquinas virtuais queexecutam sobre o monitor (chamadas de domínios Xen). Omonitor tem acesso direto ao hardware e executa no modode maior privilégio do processador, enquanto as máquinasvirtuais são impedidas de executar diretamente as instruçõesem modo privilegiado. Nesta arquitetura, um domínioespecial (chamado Domain0) é responsável pela criação,terminação e migração dos demais domínios hospedados.Para isso, este domínio tem acesso a uma interface de controleoferecida pelo monitor.A interface oferecida pelo MMV inclui chamadas queos domínios hospedados devem utilizar para execução deinstruções e operações privilegiadas. Além disso, tem-seum mecanismo para notificação de eventos às máquinas virtuaise um mecanismo para transferência de mensagens deentrada e saída entre máquinas virtuais.Para virtualizar a memória física, o MMV particiona(reserva) estaticamente a memória entre os domínios, provendoassim um forte isolamento entre eles. Um domíniotambém pode convenientemente liberar memória para economizarrecursos, reduzindo assim sua reserva de memóriae devolvendo-a para Xen.O acesso à memória por parte dos domínios não sofreuma penalidade tão elevada como em outras técnicasde virtualização, como por exemplo a utilizada emVMware [16], que se utiliza de tabelas de páginas virtuais,invisíveis ao gerenciador de memória. Ao invés devirtualizar as tabelas de páginas, o MMV permite a todosos domínios o acesso somente de leitura ao gerenciador
de memória, enquanto o acesso para atualizações é feitoatravés de uma chamada ao hypervisor. Este, por sua vez,as valida antes de serem aplicadas, de modo a garantir o isolamentodas máquinas virtuais. Essa técnica aumenta consideravelmenteo desempenho, pois diminui a complexidadeno acesso à memória.O conjunto de ferramentas de administração oferecidaspor Xen permitem facilmente gerenciar todos os aspectosdo sistema. Através da ferramenta xm tem-seacesso a informações sobre o estado das máquinas virtuais,bem como à submissão de comandos, como checkpointe migração para outro computador.A instalação do sistema como um todo é relativamentesimples. Até o presente momento porém, as principaisdistribuições do sistema operacional Linux ainda não chegarama uma forma de instalação pré-compilada que possaser utilizada para a distribuição automática em diversoscomputadores simultaneamente, o que pode ser um empecilhopara implantação em clusters de computadores.Contudo, esta situação tende a se resolver em um futuropróximo, devido à rápida popularização de Xen.3.2. Migração de máquinas virtuaisXen implementa um mecanismo chamado de live migration[5], onde uma máquina virtual pode migrar de um computadorhospedeiro para outro sem que sua execução preciseser suspensa e reiniciada mais tarde. Para isso, a memóriada máquina virtual é copiada iterativamente para o computadorde destino, de modo a permitir que os serviços oferecidospelo sistema virtualizado continuem em execução.O mecanismo de live migration inicia com uma reservade recursos (pré-cópia) no computador de destino, seguidade uma transferência de dados iterativa e por demanda,onde somente são transferidos os dados alterados durantea última iteração realizada.Durante as iterações, o mecanismo de live migrationbusca identificar uma condição onde a suspensão damáquina virtual e a ativação no computador de destino resulteem um tempo de indisponibilidade mínimo. Caso nãoseja possível identificar uma condição satisfatória para amigração e o número de iterações realizadas seja alto, aexecução da máquina virtual é suspensa e a migração é concluída,evitando que o tempo total de migração seja elevado.É importante mencionar que Xen não utiliza nenhummétodo de migração de sistemas de arquivos, supondo queos sistemas operacionais virtualizados utilizem um sistemade compartilhamento de arquivos tal como NFS. Alémdisso, para implementar a migração das conexões de rede,Xen optou pela difusão de um ARP reply [13] informandoque o endereço IP da máquina migrada foi movido para umanova localização. Neste modelo de implementação não énecessário o redirecionamento de pacotes, diminuindo a dependênciaresidual entre a máquina virtual migrada o computadorde destino.4. Xen e a virtualização em plataformas decomputação de alto desempenhoA utilização de soluções de virtualização em ambientesde computação de alto desempenho tem sido explorada emdiversos trabalhos recentes. Huang et al. [9], por exemplo,apresentam uma solução de virtualização baseada em Xen,capaz de explorar eficientemente uma rede de interconexãode alto desempenho tal como InfiniBand, além de proverum mecanismo escalável de gerenciamento de imagens demáquinas virtuais para utilização em aglomerados de computadores.Quetier et al. [14] apresentam uma análise sobre a escalabilidadede arquiteturas virtualizadas em grades computacionais,onde diversos microbenchmarks foram executadosa fim de comparar quatro implementações de tecnologiasque oferecem virtualização de recursos. Nesta avaliação, omonitor de máquinas virtuais Xen apresentou um bom desempenhoem diversos quesitos analisados, embora algumasdeficiências tenham sido identificadas (por exemplo nacomunicação entre máquinas virtuais através da interfacevirtual de rede, podendo ter impacto sobre as aplicações emexecução).No trabalho desenvolvido por Figueiredo et al. [7]discute-se a aplicabilidade de soluções de virtualização emgrades computacionais. Questões relativas às vantagens eformas de utilização de um ambiente virtualizado em gradescomputacionais foram discutidas, analisando-se também asobrecarga da virtualização sobre as aplicações (neste casoutilizando-se VMware como solução de virtualização).Childs et al. [4] fazem um comparativo entre Xen e UML(User Mode Linux) [6] para a hospedagem do serviço de conexãoao Grid-Ireland – que é composto de quatro servidores– em uma única máquina física. Neste trabalho concluiseque a sobrecarga imposta por Xen é suficientemente tolerávelface às vantagens da utilização de um ambiente virtualizadopara as unidades de acesso à grade.É importante mencionar que, dentre os trabalhos analisados,não encontrou-se uma análise do impacto da migraçãosobre aplicações de alto desempenho.5. Avaliação de desempenho de XenOs testes apresentados ao longo desta seção tiveramcomo objetivo avaliar a utilização de Xen em cenários característicosde ambientes de computação de alto desempenho.Inicialmente, buscou-se quantificar a sobrecarga causadapelo monitor de máquinas virtuais sobre o tempo totalde execução de uma aplicação de computação distribuída,
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