A VIRTUALIZAÇÃO COMO UM INSTRUMENTO DE APOIO À DISPONIBILIDADE DE REDES DE COMPUTADORES

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1 XXIX ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO. A VIRTUALIZAÇÃO COMO UM INSTRUMENTO DE APOIO À DISPONIBILIDADE DE REDES DE COMPUTADORES Andrea Martins Cristóvão (UNIP) Joao Carlos Nogueira Guirau (UNIP) Tung Chiun Wen (UNIP) Ivanir Costa (UNIP) Mauro Spinola (UNIP) Atualmente a indústria de TI enfrenta o desafio de é continuar produzindo dispositivos menores, mais leves e rápidos e, ao mesmo tempo, encontrar melhores meios de gerenciar as complexidades das soluções computacionais inerentes. A indústrria direciona um grande esforço à segurança ao gerenciamento de informações para a produção de sistemas mais flexíveis, de modo a torná-los disponíveis aos usuários a qualquer tempo, em qualquer lugar. Dessa necessidade surge a virtualização é que uma abstração da camada que separa o hardware do sistema operacional com o intuito de fornecer mobilidade e otimização na utilização dos recursos de tecnologia da informação. O conceito dessa nova plataforma abre espaço para dispositivos poderosos, autônomos e confiáveis. O objetivo desse estudo é analisar as vantagens dessa nova tecnologia e o impacto da virtualização no processo de contingenciamento e recuperação de desastres Para isso, foi realizada uma pesquisa bibliográfica - para compreender os conceitos que embasam as áreas de virtualização e segurança -, realizamos uma pesquisa com 25 empresas para verificar a possibilidade de implementação de soluções de virtualização como forma de contingenciamento e as vantagens que este processo pode oferecer para as empresas, e um estudo de caso, onde avaliamos todo o processo para a utilização desta tecnologia. Com isso, foi possível analisar se as vantagens dessa técnica são realmente tangíveis no cenário atual, e as vantagens que a virtuaização mostrou na contigenciamento e recuperação de desastres. Os resultados obtidos com esse estudo servirão como base para outras pesquisas de campo.

2 Palavras-chaves: Virtualização da Plataforma, VMWare, Segurança, Contingenciamento 2

3 Introdução Virtualização é uma forma simples de criar sistemas, que dividem os subconjuntos de sistemas em dispositivos mais gerenciáveis. Desta forma, tende a proporcionar mais segurança ao sistema, à rede e aos aplicativos, pois isola subsistemas potencialmente vulneráveis de sistemas subjacentes e de outras plataformas virtuais. Virtualização pode ser definida como uma técnica que combina ou divide recursos computacionais para prover um ou mais ambientes operacionais de execução [NandaChiueh, 2005]. Os ambientes criados através dessa técnica são chamados máquinas virtuais. Dentre os conceitos envolvidos no estudo de máquinas virtuais, o de um monitor (também chamado de hypervisor, VMM, ou Virtual Machine Monitor) é um dos principais. O monitor é uma camada de software inserida entre o sistema visitante (guest system) e o hardware onde o sistema visitante executa. Essa camada faz uma interface entre os possíveis sistemas visitantes (virtuais) e o hardware que é compartilhado por eles. Ela é responsável por gerenciar todas as estruturas de hardware, como MMU, dispositivos de E/S, controladores DMA, criando um ambiente completo (máquina virtual), onde os sistemas visitantes executam [XenSource, 2008]. A Virtualização de plataformas pode ser definida como a criação de um sistema computacional logicamente segmentado, que funciona em uma base real. As plataformas virtuais são vistas pelo usuário e funcionam como se fossem computadores físicos. Uma vez que são abstratas e divididas a partir de bases ocultas, as plataformas virtuais são facilmente transportáveis e robustas. A virtualização permite a criação de múltiplas maquinas virtuais, com sistemas operacionais heterogênios executando isoladamente, lado a lado, na mesma maquina física. Cada maquina virtual tem seu próprio hardware virtual (por exemplo: RAM, CPU, etc), sobre o qual o sistema operacional e aplicações são carregadas. Com a virtualização podemos executar vários sistemas operacionais em um subutilizado servidor ou estação de trabalho. É possível consolidar facilmente múltiplas plataformas rodando em diferentes sistemas operacionais e aplicações heterogenias em uma única, poderosa e confiável plataforma. O conceito de virtualização inclui todas as camadas da plataforma desde aplicativos e sistemas operacionais a componentes, processadores e interconexões da plataforma. 1. Classificação das Maquinas Virtuais Segundo [King, 2003], VMMs podem ser classificadas de várias maneiras. Uma delas refere-se à quão perto a interface de que elas provêem está do hardware subjacente. VMMs como o VMware ESX Server e emuladores como o Bochs apresentam uma abstração de hardware idêntica ao hardware subjacente. Para chegar em um nível de abstração tão alto, alguns monitores inserem no sistema operacional hóspede (host OS) device drivers que serão usados pelo sistema operacional visitante (guest OS) através do VMM. Já outros VMMs apresentam uma interface diferente do hardware subjacente. A máquina virtual Java tem uma arquitetura totalmente independente do hardware sobre o qual executa. Outra classificação de VMMs se refere à plataforma sobre a qual eles executam. De acordo com essa classificação, as máquinas virtuais podem ser de dois tipos [King, 2003]: 3

4 Tipo I - O VMM é implementado diretamente sobre o hardware físico subjacente. Os VMMs Xen e VMware ESX Server são exemplos desse tipo de máquinas virtuais. Tipo II - O VMM é implementado completamente sobre o sistema operacional host. Exemplos desse tipo de máquinas virtuais são o VMware Server o VirtualPC. 2. Virtualização e Abstração Ao contrário da abstração, a virtualização não necessariamente tem como objetivo simplificar ou esconder detalhes de implementação de sistemas e componentes. Um software de virtualização usa a abstração de um arquivo como um passo intermediário para identificar o mapeamento necessário entre os discos virtual e real. Uma escrita para o disco virtual é convertida para uma escrita no arquivo, e conseqüentemente, em uma escrita no disco real. O detalhe provido na interface virtual não é diferente do endereçamento do disco real, não existe abstração no disco virtual. Segundo o site NextG (2008), a virtualização de um sistema ou componente, como um processador ou memória, em um certo nível de abstração mapeia sua interface e os recursos visíveis em outra interface e recursos de um sistema real subjacente. Assim sendo, o sistema virtual aparece como se fosse real, ou mesmo diversos sistemas virtuais. O sistema virtual pode ser igual ao sistema real, ou possivelmente o mapeamento pode criar características diferentes para a interface e para os recursos virtuais. O conceito de Virtualização inclui todas as camadas da plataforma desde aplicativos e sistemas operacionais a componentes, processadores e interconexões da plataforma. 3. Emulação e Virtualização Emulação é a recriação de um ambiente de trabalho sem qualquer relação necessária com o ambiente-anfitrião e sem auxílio de hardware, enquanto a Virtualização permite criar muitas máquinas virtuais. Uma utilidade menos evidente da Virtualização e da emulação é o desenvolvimento de software. Os jogos de 8 bits eram desenvolvidos em computadores robustos, pois isso tornava fácil acompanhar o funcionamento, instrução por instrução. Desenvolver diretamente na plataforma desejada era quase impossível (NextG, 2008). Mas há muito tempo, os computadores representam uma plataforma auto-suficiente e de baixo custo para desenvolvimento. E, chegamos ao ponto em que um micro pode simular a si mesmo com velocidade suficiente para uso normal. Hoje, as ferramentas de desenvolvimento podem subir mais um degrau de qualidade e complexidade. Segundo o web site NextG, uma empresa do Vale do Silício alega ter alcançado um dos objetivos mais perseguidos da indústria da tecnologia: um emulador quase universal que permite rodar softwares desenvolvidos para uma determinada plataforma, em qualquer outra, praticamente sem quedas no desempenho. Isso inclui Macs, PCs e diversos tipos de mainframes e servidores. Segundo executivos da empresa, um emulador universal de computadores está para a informática como a transformação de metais em ouro estava para a alquimia. Muitos tentaram, todos falharam. Eles explicam que, embora vários esquemas limitados de emulação tenham sido bem-sucedidos a transição da Apple para a plataforma PowerPC, ou a 4

5 transmutação de código da arquitetura x86 feita pela Transmeta, ninguém jamais havia desenvolvido um emulador para processadores e sistemas operacionais múltiplos. O software foi desenvolvido inicialmente na Universidade Manchester (Reino Unido) pelo professor de ciência da computação Alasdair Rawsthorne. Uma das mais importantes inovações é a representação intermediária, uma espécie de linguagem comum que dá ao software a flexibilidade para fazer a tradução de uma plataforma para outra. A diferença entre emuladores e maquinas virtuais, está, basicamente, no nível de abstração Enquanto em um emulador todas as instruções são convencionalmente traduzidas e interpretadas, nas máquinas virtuais as instruções são executadas no modo mais nativo possível. Emuladores podem ser classificados de várias formas. Quanto à sua natureza de uso, podem ser classificados como: (Laureano, 2006): Emuladores de processador Emuladores de sistemas operacionais Emuladores de uma plataforma de hardware específica. Emuladores de videogames (consoles). 4. Evolução da Virtualização De acordo com Nanda and Chiueh (2005), existem muitas tecnologias de armazenamento de Virtualização que têm evoluído, incluindo soluções de banda interna e externa (in-band e outband), com base em armazenamento e em hospedagem. As primeiras tecnologias de Virtualização que surgiram foram soluções com base em armazenamento. Elas permitem que vários servidores compartilhem o acesso a dados em um único array, variável que armazena um conjunto de valores do mesmo tipo. O lado negativo, no entanto, é que esses servidores não podem acessar os dados além de seu próprio array. Além disso, os usuários estão arriscados a ficar limitados a soluções que dependam dos fabricantes, com base nas restrições de compatibilidade de hardware do array mais amplo ou dos servidores diretamente conectados. A Virtualização com base no armazenamento pode então ser mais dispendiosa do que alternativas de menor prioridade. Já as soluções baseadas em hospedagem permitem aos discos alocados nos vários arrays, de diversos fabricantes, apresentarem-se como um agrupamento virtual para um único servidor host. Isso possibilita maior flexibilidade para habilitá-los a serem completamente independentes dos fabricantes de soluções de armazenamento, embora ainda desfrutem dos benefícios da administração de armazenamento centralizada a partir de um único console. Ainda que os dados estejam concentrados para acesso apenas por meio de um único servidor, esse pode se tornar altamente disponível, garantindo a utilização dos dados. A desvantagem em potencial dessa solução surge quando vários servidores exigem o acesso compartilhado aos mesmos dados. Dessa maneira, podemos considerar a duplicação dos dados ou outros métodos de Virtualização de armazenamento. A arquitetura in-band insere o dispositivo de Virtualização na rede de dados entre o host e o array. Esses dispositivos oferecem volume de gerenciamento e outras funcionalidades complementares como movimento de dados e serviço de cópias. Ele faz a substituição dos 5

6 controladores de storage para os dispositivos que estão sendo virtualizados Nanda and Chiueh, 2005). A primeira vantagem dessa abordagem é a simplicidade. Um novo dispositivo próprio pode ser desenvolvido para atuar como um ponto central de gerenciamento para múltiplos sistemas conectados. A recente aparição em larga escala de arrays monolíticos de alta performance em dispositivos in-band de virtualização evidencia essa vantagem. Em um dado momento, para grandes ambientes, até mesmo a estratégia de escalabilidade pode se provar insuficiente e será necessário desenvolver um novo dispositivo in-band. Cada um desses dispositivos tem responsabilidade de domínios de virtualização separados, resultando na necessidade de gerenciar ilhas independentes de Virtualização. A conseqüência disso pode potencializar os benefícios originais de redução da complexidade e da simplificação do gerenciamento proporcionados pela Virtualização. 6. Vantagens da Virtualização A aposta nas soluções de Virtualização deriva da necessidade dos gestores de Tecnologias de Informação em conceder uma resposta eficaz ao aumento e à diversificação dos ambientes computacionais dentro das organizações. Além disso, a adequada gestão do custo total de propriedade é cada vez mais relevante, bem como a capacidade de solucionar as crescentes dificuldades de manutenção e de gestão desses mesmos ambientes. A Virtualização de infra-estruturas proporciona abstração entre os diferentes meios de computação como processamento, armazenamento de dados, rede e software. Ao implementar esse conceito, são eliminadas as restrições físicas e os meios ficam acessíveis como agrupamentos lógicos, que podem ser utilizados em qualquer hora e em qualquer local. A aplicação de software de armazenamento inteligente na camada de Virtualização proporciona um meio de resolver os desafios funcionais de armazenamento, sem comprometer a necessidade de disponibilidade dos dados. Ela permite um grau sem precedentes de flexibilidade na utilização de recursos de armazenamento, a fim de atender exigências referentes aos aplicativos e aos usuários finais. Os dispositivos de armazenamento virtual não estão restritos às limitações de capacidade, velocidade ou confiabilidade dos dispositivos físicos que os incluem. O provisionamento consiste em fornecer aos usuários ou aplicações a quantidade e o melhor tipo de armazenamento, no momento certo. A Virtualização torna muito mais fácil esse processo. Somada à administração centralizada, permite que modificações na camada de armazenamento físico sejam efetuadas sem a interrupção do acesso aos dados, a fim de fornecer, ininterruptamente, a melhor qualidade de serviços de armazenamento em tempo real. A virtualização deve revolucionar a forma de gerenciar os aplicativos, a segurança e o armazenamento nas empresas, convergindo os sistemas para um único ponto, facilitando a manutenção e o controle da rede. Portanto, os seus benefícios passam pela gestão centralizada de todo storage, melhor acesso aos usuários e aplicações, redução de custos de treinamento, facilidade de administração, redução de custos de storage físico, eliminação do downtime, mais escalabilidade e alocação de capacidade sob demanda. De acordo com o IDC, a virtualização está a caminho de se tornar uma prática padrão entre as mil maiores empresas do mundo, listadas no ranking Fortune Segundo dados da Forrester Research, mais de 40% das empresas norte-americanas já abraçaram a tecnologia. 6

7 O software de virtualização estabelece os recursos de hardware como processamento, memória e armazenamento, que serão designados a cada estação virtual, e permite realocar estes recursos de acordo com a demanda de cada aplicação em determinado momento da companhia. Com a virtualização é possível manter estações virtuais rodando aplicações redundantes, permitindo que, no caso de falha em um ambiente, o outro seja utilizado como recurso de contingência. Com o apoio dos softwares apropriados, é possível ainda mover estações virtuais para hardwares diferentes em caso de um problema físico, evitando assim a perda de produtividade. De acordo com dados da VMware, a virtualização, combinada à consolidação de servidores, reduz em até 53% os custos com hardware e 79% os custos operacionais, gerando uma economia média de até 64% para a empresa que adota a solução. 7. O processo de virtualização como contingenciamento Para avaliar se o processo de virtualização pode ser utilizado em pequenas empresas, foi realizada uma pesquisa com 25 empresas de pequeno e médio porte, estabelecidas na cidade de São Paulo. As empresas pesquisadas possuem entre 1 e 6 servidores e até 120 microcomputadores em rede, totalizando 49 servidores pesquisados. Na pesquisa foi constatado que 72% das empresas pesquisadas possuem 1 único servidor executando os serviços de autenticação de usuários, compartilhamento de arquivos, correio eletrônico e gerenciador de banco de dados, que 65% dos servidores pesquisados possuem processadores com capacidade para suporte ao processo de virtualização Tipo I, ou seja, que suportam o processo de virtualização implementado diretamente sobre o Hardware, que 30% dos servidores suportam o processo de virtualização do Tipo II implementado sobre o sistema operacional nativo. Quanto ao contingenciamento, 52% dos servidores possuem mecanismos de tolerância a falhas em discos rígidos; em sua totalidade, os servidores possuem rotinas de backup dos dados, sendo que 60% dos casos são utilizadas unidades de fita removível tipo DAT, LTO ou cartuchos removíveis e 40% em unidades de disco rígido externas. Foi constatado também que 70% dos servidores levam até 6 horas para realizarem suas rotinas diárias de backup. Somente 10% das empresas pesquisadas mantém cópia de suas informações armazenadas fora do principal ambiente de trabalho. Constatamos ainda que a utilização média dos processadores instalados nos servidores analisados, em 65% dos caso, não ultrapassavam a utilização média de 30% da capacidade instalada. Diante deste cenário, o estudo foi conduzido para avaliar se o processo de virtualização pode ser utilizado como instrumento de contingenciamento e recuperação de desastres, reduzindo o tempo de indisponibilidade de acesso á rede de computadores e seus respectivos sistemas. Foi selecionada uma empresa onde todos os dados estavam armazenados em um único servidor onde adotou-se a execução de um processo de conversão do servidor físico para virtual, conhecido com P2V, utilizando-se do programa VMWare Converter, que cria uma cópia das partições dos discos rígidos para uma unidade externa, transformando o conteúdo dos discos rígidos em arquivos. 7

8 Este processo levou aproximadamente 6 horas para um servidor com um disco rígido de 75GB. Estes arquivos foram transferidos para um microcomputador equipado com o programa VMWare Player, onde foram realizados os testes, constatando a disponibilidade do servidor integralmente em um ambiente de testes. Em caráter experimental, foi avaliado o processo de recuperação deste mesmo servidor, utilizando-se dos procedimentos atuais de recuperação de dados, ou seja, a instalação do sistema operacional nativo, a instalação dos respectivos aplicativos e a recuperação dos arquivos armazenados nos backups. A duração deste processo foi de 10 horas, tempo este que a rede ficou indisponível. Foi efetuado o mesmo procedimento de recuperação do servidor, utilizando o servidor criado pelo processo de virtualização e foram recuperados os dados do dia anterior em aproximadamente 2 hora, ou seja, foi constatado uma redução do tempo de indisponibilidade do sistema em 80%. Outra vantagem apresentada é que o servidor resultante do processo de virtualização pode ser retirado da empresa em um disco externo, oferecendo deste modo um novo instrumento de contingenciamento fora da empresa. 8. Conclusão Tendo por base a revisão bibliográfica, foi verificado que o processo de virtualização vem ocupando novamente, um espaço importante, antes limitado por condições técnicas e custos dos equipamentos envolvidos. A necessidade da redução do consumo de energia elétrica, a busca por inovações tecnológicas que permitam uma melhor utilização dos recursos de TI existentes, trouxeram o processo de virtualização para um novo cenário. A queda dos custos dos programas de virtualização, chegando a serem disponibilizados sem qualquer ônus aos usuários, apresentam novas condições para sua utilização em larga escala, inclusive por pequenas e médias empresas, antes excluídas deste processo pelos altos custos envolvidos. A utilização da virtualização como forma de contingenciamento em redes de computadores de pequeno porte, oferece condições para que este ambiente seja dotado das mesmas condições de segurança e alta disponibilidade oferecida às grandes corporações. A contratação de servidores em datacenters com valores reduzidos, oferecem condições para que as pequenas e médias empresas possam rever seus investimentos em tecnologia, chegando à condições de manter uma cópia de seu ambiente computacional em um ambiente externo e com segurança. Referências Bibliográficas Baguete; Baguete. Disponível em acessado em 11/03/2008 Bauer, R. B.; Köszegi, S.T.; Wolkerstorfer M.; Measuring the Degree of Virtualization - An Empirical Analysis in two Austrian Industries. Proceedings of the 36th Hawai International Conference on System Science

9 Bento, A.L.; Disponível em Cima,. F.; Disponível em Computer World; Computer World, Disponível em / em 13/03/2008. FIAP;Disponível em acessado em 08/03/2008 IDG; IDGNow. Disponível em /, acesso em 15/03/2008 Imasters; isponível em ra_garantir_o_business_continuity/, acessado em 12/03/2008 Inova; Inova Tecnologia. Disponível em www-inovacaotecnologica-com-br/, acessado em 10/03/2008 King, S. T. King, G. W. Dunlap, Peter. M. C.; Operating System Support for Virtual Machines Proceedings of the 2003 USENIX Technical Conference. Laureano,M., Máquinas Virtuais e emuladores. Conceitos,Técnicas e Aplicações Novatec Editora, São Paulo. Maluf, S. N.; Virtualização Organizacional e Estratégias Mercadológicas: Um estudo multicasos na região metropolitana de Belo Horizonte, ENEGEP 2001 McAfee; Mc Afee, Disponível em Microsoft; Microsoft Virtual PC Disponível em acesso Nanda, S., Chiueh, T.; A Survey on Virtualization Technologies Technical Report. Department of Computer Science. University at Stony Brook, NY. NextG, Next Generation. Dísponível em acesso em 14/03/2008 Rose, R.; Survey of System Virtualization Techniques. ACM 2003 Virtual, Virtual Net. Disponível em acessado em 13/03/2008 Whately, C. L. A.; Mini Curso SBAC 2005, Sistemas de Computação Baseados em Máquinas Virtuais XenSource, XenEnterprise vs. Disponível em: acesso em 11/03/2008 9

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