O documento aborda conceitos fundamentais sobre multiprogramação e virtualização em sistemas operacionais, destacando a abstração de processos e a divisão de recursos de hardware em múltiplos ambientes. Explica os diferentes níveis de virtualização, seus tipos, motivações e desafios, além de apresentar exemplos de sistemas de virtualização de servidores como VMware, Xen e VirtualBox. Enfatiza a importância da virtualização para a consolidação de servidores e a eficiência na utilização de infraestrutura computacional.

1. Sistemas tradicionais:
Multiprogramaçã
o

2. Sistemas tradicionais:
Multiprogramação
 Sistemas tradicionais: Multiprogramação

Simulador de um ambiente operacional
no qual cada aplicação possui um
processador

Sistemas operacionais
multiprogramados

Criação da abstração de processo

Cada processo possui a disposição uma
máquina virtual de alto nível

Suporte do hardware:
 Controlador / temporizador
 Modos de operação do processador
(usuário/supervisor)

3. Núcleo do
sistema operacional
Sistemas tradicionais:
Multiprogramação
Processo
Bibliotecas
Dispositivos e
interfaces de comunicação
Controladores de
dispositivos
Processador, MMU
e memória
Drivers de dispositivos
Interface de hardware (ISA - Instruction Set Architecture)
Hardware
Interface de
chamadas ao sistema
Processo
Bibliotecas
Processo
Bibliotecas
Modo
usuário
Modo
Supervisor
Aplicação Aplicação Aplicação

4. Sistemas tradicionais:
Multiprogramação
Processo
Dispositivos e
interfaces de comunicação
Hardware
HAL
Controladores de
dispositivos
Processador, MMU
e memória
Chamada API
Biblioteca
Chamada ao sistema (TRAP)
Núcleo do
sistema operacional
Drivers de
dispositivos
Instruções do processador
e acesso à memória
Acesso aos registradores
do controlador

5. Virtualização

6. Virtualização
 Virtualização
 “Virtualização é um arcabouço ou
metodologia de divisão de recursos de
um computador em múltiplos ambientes
de execução, através da aplicação de uma
ou mais técnicas como particionamento
de software e hardware, time-sharing,
simulação parcial ou completa de
máquina, emulação, qualidade de serviço
e muitas outras”.

SINGH [5]

7. Virtualização - Motivação
• Infraestrutura de computação -
2000
– 1 PC → 1 SO → Vários Aplicativos
– Utilização Baixa → < 25%
X86
Windows
XP
X86
Windows
2003
X86
Suse
X86
Red Hat
12% Hardware
Utilization
15% Hardware
Utilization
18% Hardware
Utilization
10% Hardware
Utilization
App App App App App App App App

8. Virtualização - Desafios
• Baixa utilização da Infraestrutura
• Aumento do Custo da Infraestrutura
física
• Aumento do Custo em gerenciamento
• Baixa proteção a falhas e desastres

9. Virtualização - Desafios
• Cada aplicação roda em seu SO
• Cada SO não sabe que
compartilha recursos com outros
SO's
X86 Multi-Core, Multi Processor
70% Hardware Utilization
App. A App. B App. C App. D
X86 X86 X86 X86
Windows Windows Suse Red Hat
10 2003 Linux Linux

10. Virtualização
 A virtualização pode ocorrer em diferentes níveis:
 Nível da linguagem de programação

Interpretação de uma linguagem ou instruções
virtuais
 Nível de biblioteca

User level API

Nível do sistema operacional

Chamadas ao sistema (system calls)

Nível de abstração de hardware

HAL (Hardware Abstraction Layer)

Nível do conjunto de instruções

ISA (Instruction Set
Architecture)

11. Virtualização de hardware

12. Virtualização de hardware
 Virtualização ao nível de Hardware Abstraction Layer (HAL)
 Disponibiliza uma máquina virtual que corresponde a:
 Instruction Set Architecture (ISA) +
 Virtualização dos dispositivos, processador e memória
 Características
 Host hospede e hospedeiro utilizam o mesma ISA
(Instruction Set Architecture)
 Técnica utilizada
 Mapeamento recursos virtuais sobre os recursos físicos
 Máquina virtual:

Processamento (aplicações e sistema operacional ) é
realizado diretamente sobre o processador físico

Instruções privilegiadas: são tratadas pelo sistema de
virtualização

Acesso a dispositivos: intermediado pelo sistema de
virtualização

13. Virtualização de hardware
Processo
Dispositivos e
interfaces de comunicação
Controladores de
dispositivos
Hardware
Processador, MMU
e memória
Interface de
chamadas ao sistema
Interface de hardware
(ISA-Instruction Set Architecture)
Modo
Usuário
Modo
Supervisor
Núcleo do sistema
operacional hospedeiro
Drivers de dispositivos
HAL
Núcleo do
sistema operacional hospede
Drivers de
dispositivos
HAL (Maquina Virtual)
Monitor de
Maq. Virtual
(hipervisor)

14. Virtualização de hardware
 Tipos de sistemas de virtualização

Hosted

A virtualização é realizada com o auxílio de
um sistema operacional hospedeiro

Stand alone (ou Bare Metal)

A virtualização é realizada sem auxílio de
um sistema operacional hospedeiro

15. Virtualização de hardware
 Sistema
tipo
hosted
Dispositivos e
interfaces de comunicação
Hardware
Controladores de
dispositivos
Processador, MMU
e memória
Sistema operacional
hospedeiro
Interface de hardware
(ISA-Instruction Set Architecture)
Aplicação Aplicação Aplicação Aplicação
Sistema operacional
hospede
Sistema operacional
hospede
HAL (Máquina virtual) HAL (Máquina virtual)
Monitor de maquina virtual
(hipervisor)

16. Virtualização de hardware
 Sistema tipo
Stand Alone
(ou Bare
Metal)
Aplicação Aplicação
Sistema operacional
hospede
Dispositivos e
interfaces de comunicação
Controladores de
dispositivos
Processador, MMU
e memória
Monitor da máquina virtual
(hipervisor)
Interface de hardware
(ISA-Instruction Set Architecture)
Hardware
Aplicação Aplicação
Sistema operacional
hospede
HAL (Máquina virtual) HAL (Máquina virtual)

17. Virtualização de hardware
 Vantagens
 Pouca sobrecarga (rápido)
 Isolamento e independência dos hosts hospedes
 Possibilidade de utilização de diferentes sistemas
operacionais nos hosts hospedes
 Motivações para virtualização
 Consolidação de servidores
 Ambientes de teste e homologação de sistemas
 Depuração de aplicações complexas e do sistema
operacional
 Migração de sistemas
 Exemplos
 VMware
 Xen
 Virtual
Box
 Micros
oft

18. Sistemas de
virtuali
zação
de
servidor
es

19. Sistemas de
virtualização de servidores
 Utilizam a técnica de virtualização HAL
 Requisitos desejáveis

Sistema de armazenamento compartilhado
(storage)
 Funcionalidades adicionais

Virtualização de componentes de rede
 Exemplos

VMware
 Xen

Virtual
Box
 Micros
oft

20. Sistemas de
virtualização de servidores
 Principais motivações para virtualização

Consolidação de servidores

Agrupar vários servidores virtuais em um conjunto
reduzido de servidores físicos.

Consolidação de aplicações

Ambientes de teste e homologação de sistemas

Execução de aplicações que utilizam
diferentes sistemas operacionais
 Migração de sistemas
 Provisionamento de servidores
 Recuperação de desastres

21. Sistemas de
virtualização de servidores
 Terminologia
 Sistema operacional hospede e hospedeiro

Tipos de virtualização HAL

Virtualização total

Paravirtualização

Máquina Virtual (MV)

Hypervisor ou monitor de máquina virtual
(MMV)

22. Sistemas de
virtualização de servidores
 Sistema operacional hospede
 Sistema operacional que executa sobre uma
máquina virtual
 Sistema operacional hospedeiro

Sistema operacional que executa diretamente
sobre a máquina real

Utilizado como infra-estrutura para criação
das máquinas virtuais

23. Sistemas de
virtualização de servidores
 Virtualização total

A virtualização ocorre sem a inclusão de
otimizações ao Sistema Operacional para
virtualização
 Gera certa quantidade de sobrecarga pois o
Monitor de Máquina virtual deve oferecer à
Máquina Virtual uma imagem semelhante a um
sistema real, incluindo:

BIOS virtual

Espaço de memória virtual

Gerenciamento de memória virtual

Dispositivos virtuais

24. Sistemas de
virtualização de servidores
 Para-virtualização

Técnica de virtualização onde o sistema
operacional hospede é modificado para otimizar
o desempenho.

A máquina virtual HAL é similar, porém não
idêntica àquela do hardware real.

Aumenta o desempenho da execução na
máquina virtual

25. Sistemas de
virtualização de servidores
 Máquina Virtual (ou Domínio)
 Ambiente que é virtualizado,
correspondendo ao sistema operacional e
aplicações deste sistema operacional
 Monitor de Máquina Virtual (Hypervisor)
 Responsável pelas atividades de gerenciamento
dos recursos da máquina virtual

26. VirtualBox

27. VirtualBox
 Adquirido pela Oracle em 2010.
 Oracle VM VirtualBox é um sistema de virtualização tipo
hosted (hosted hypervisor) livre e de código aberto (open-
source) para arquiteturas x86.
 Pode ser instalado em sistemas operacionais Windows,
macOS, Linux, dentre outros sistemas.
 Suporta a criação e gerenciamento de máquinas virtuais
hospedes executando os sistemas Windows, Linux, BSD,
dentre outros sistemas.
 Para alguns sistemas operacionais hospedes, para melhoria
do desempenho, fornece um pacote de device drivers
denominado"Guest Additions“.

28. VirtualBox
 Arquitetura:

Virtualização de hardware
hosted

29. VirtualBox
 Arquitetur
a
hosted
Dispositivos e
interfaces de comunicação
Hardware
Controladores de
dispositivos
Processador, MMU
e memória
Sistema operacional
hospedeiro
Interface de hardware
(ISA-Instruction Set Architecture)
Aplicação Aplicação
Sistema operacional
hospede
Aplicação Aplicação
Sistema operacional
hospede
HAL (Máquina virtual) HAL (Máquina virtual)
VirtualBox Desktop
(hipervisor)

30. Windows
VirtualBox
 Virtualização de
Linux Fedora sobre
Windows
Aplicação
Dispositivos e
interfaces de comunicação
Controladores de
dispositivos
Processador, MMU
e memória
Interface de hardware
(ISA-Instruction Set Architecture)
Hardware
Aplicação
Linux Fedora
HAL (Máquina virtual)
VirtualBox Desktop
(hipervisor)