Uno Studio sui Sistemi di Virtualizzazione

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Roberto Amendola 
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Capitolo 1 
La Virtualizzazione 
Il computer non è una macchina  
intelligente che aiuta le persone stupide, 
anzi è una macchina stupida che funziona  
solo nelle mani delle persone intelligenti. 
Umberto Eco 
1.1 Introduzione 
 
a prima legge di Moore afferma: 
“Le prestazioni dei processori, e il numero di transistor ad esso relativo, 
raddoppiano ogni 18 mesi”.. [1]  
L’ enunciato risale al 1965 ed è attribuito a Gordon Moore, cofondatore di Intel e pioniere 
dell'informatica. Con il passare del tempo le prestazioni dei computer e le loro capacità sono 
aumentate in modo esponenziale, spesso in modo eccessivo rispetto ai compiti richiesti. 
Perché entrare in possesso di questa potenza di calcolo e non sfruttarla? 
Perché accontentarsi dei risultato ottenuti se, a costi più bassi, si può avere di più? 
 
L’obiettivo dell’ ingegnere è risolvere questi problemi nel rispetto dei vincoli e 
nell'osservanza della convenienza economica, quindi con precisione sufficiente a produrre 
dell’utile. 
Un software perfetto installato su una macchina perfetta ma onerosa non giova ad alcuno, 
non ha mercato, non produce ricchezza, non migliora la vita. 
Come investire in un progetto costoso e renderlo produttivo? È questo che gli ingegneri del 
IBM si saranno chiesti. 
L’esigenza di poter sfruttare una macchina con grande potenza di calcolo è un concetto nato 
già nel 1967, con l’ implementazione del CP/CMS 
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( progetto basato sul precedente CP-40 ) 
su IBM System 360/67( mainframe ) [2]. CP e CMS erano due Sistemi Operativi indipendenti 
implementati entrambi sul mainframe, con l’obiettivo di fornire ad ogni singolo utente un 
ambiente “analogo” ad un mainframe personale : 
                                                   
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  era un sistema operativo noto per le sue eccellenti prestazioni e funzionalità avanzate 
L
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CP ( Control Program ) era il Sistema Operativo principale per la gestione ed esecuzione di 
tante istanze software del Sistema Operativo stesso( ovvero macchine virtuali ). Esso era 
basato su memoria virtuale e time sharing. 
CMS ( Conversational Monitor System ) è un piccolo Sistema Operativo a singolo utente che 
veniva replicato più volte e ogni singola istanza era gestita ed eseguita in un ambiente CP. 
 
Figura 1: Architettura CP/CMS su IBM System 360/67. 
La parola virtuale è quindi presente nel vocabolario informatico dagli anni 60. Ma cosa vuol 
dire realmente virtualizzare qualcosa? Nell’ambito puramente informatico il termine virtuale 
sta ad indicare: 
 “la creazione di una versione astratta di una risorsa normalmente fornita fisicamente”. [3] 
1.2 Virtualizzazione 
La virtualizzazione è un concetto che porta a pensare  a qualcosa che esiste potenzialmente 
ma non si è ancora concretizzato. In pratica definisce un livello di astrazione software che si 
va a sovrapporre all’hardware fisico di un elaboratore reale. 
Essa venne implementata per la prima volta oltre 40 anni fa come metodo per partizionare 
logicamente i mainframe in macchine virtuali indipendenti tra loro. È grazie a questo 
approccio che erano in grado di eseguire operazioni in multitasking ( combinato al concetto 
di time-sharing ), ossia eseguire più applicazioni e processi simultaneamente. Poiché i 
mainframe all'epoca erano risorse costose, il loro partizionamento rappresentava un modo per
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valorizzare appieno l'investimento di una azienda. Il primo hardward ad essere virtualizzato 
per via software è stata la memoria primaria, o meglio conosciuta Ram. L’ approccio dei 
nuovi mainframe dava la possibilità di eseguire più processi simultaneamente. Ma il termine 
simultaneamente non è davvero appropriato al contesto. In realtà, il processore può eseguire 
un solo compito alla volta e la tecnica del multitasking permette alla CPU di commutare tra i 
vari compiti che sono in esecuzione, context switch
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, senza dover aspettare che ognuno 
finisca. Questa politica di scelta di quando, perché e come interrompere un processo è 
demandato a una componente del Sistema Operativo, lo scheduler (a sua volta di lungo, 
medio, breve termine). Il tempo utile di calcolo della CPU viene suddiviso in piccole parti 
uguali( quanti di tempo ) e ogni processo utilizza una sola parte per volta, avendo 
l’impressione di utilizzare la CPU tutta per se. Questa tipologia di multitasking è detta time-
sharing. L’ aumento dei processi e la limitatezza della memoria primaria fisica( per il suo 
elevato costo ai tempi) spinse alla necessità di avere più spazio per contenere 
contemporaneamente più aree di memoria dei diversi processi. Nasce il concetto di memoria 
virtuale. 
1.3 Memoria Virtuale e Cenni a Sistemi Operativi 
E’ una architettura di sistema capace di simulare uno spazio di memoria primaria maggiore 
di quello fisicamente presente o disponibile; questo risultato si raggiunge utilizzando spazio di 
memoria secondaria su altri dispositivi fisici, le unità a disco( hard disk ). 
 
Figura 2: Esempio di memoria primaria ( Ram ) e di memoria secondaria ( HardDisk ). 
                                                   
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  è un particolare “stato” durante il quale avviene il cambiamento del processo correntemente in esecuzione su 
   una delle CPU a favore di un altro, scelto tramite le politiche di schedulino.
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 La memoria primaria fisicamente presente è la parte effettivamente utilizzata, solitamente più 
piccola di quella virtuale, che è solo di supporto anche se più grande.  
 Perché, se la memoria primaria fisica è limitata e costosa, non utilizziamo solo 
memoria virtuale che è più grande e economica?  
La risposta è che la memoria primaria è costosa perché è estremamente veloce in 
confronto a  quella secondaria, di circa tre ordini di grandezza.  
 Ma se esiste tutta questa differenza, perché è utile allora implementare la memoria 
virtuale?  
Tutto questo stratagemma è utile ed efficiente in virtù del principio di località: [4] 
se la CPU sta eseguendo una data istruzione, vuol dire che con molta probabilità le prossime 
istruzioni da eseguire saranno ubicate nelle vicinanze di quella in corso; vale a dire che, 
durante la normale esecuzione dei programmi, la CPU passa molto tempo accedendo a zone 
di memoria vicine e solo occasionalmente accede a locazioni molto lontane dalla corrente.  
La memoria virtuale per implementare al meglio questa politica utilizza un meccanismo di 
paginazione della memoria: non viene copiata l’ intera memoria su disco, ma solo porzioni 
dette pagine. Esistono algoritmi di scheduling
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 e stratagemmi hardward ( MMU o memory 
management unit ) per implementare al meglio questa metodologia. Attualmente, in 
ambiente Unix, la memoria virtuale poggia su una partizione, formattata con un file system 
apposito per essere il più efficiente possibile. La memoria utilizzata a questo scopo è detta 
swap o spazio di swap ("scambiare"), mentre, in ambiente Windows, non esiste il concetto di   
memoria partizionata appositamente,  ma viene usato un file di sistema detto file di paging 
(Pagefile.sys ). Le operazioni di spostamento delle pagine dallo spazio di swap(Unix o 
Windows) alla memoria fisica sono chiamate swapping. Il vantaggio del primo approccio sul 
secondo è chiaro: maggiore efficienza nell’utilizzo dello spazio perchè partizionato con un 
filesystem apposito. Lo svantaggio è meno evidente( secondario ad atto pratico ): mentre in 
Unix, la dimensione della partizione di swap è decisa al momento dell’ installazione del SO e 
quindi non più modificabile, in Windows la bassa efficienza viene colmata “in parte” dalla 
possibilità di aumentare o diminuire lo spazio in base alle necessità di sistema. In generale 
l’approccio della memoria virtuale è utilizzato in tutti i sistemi odierni per la sua effettiva 
utilità. Anche se oggi, virtualizzare si rivela un approccio vincente, c’è da dire che era stato 
abbandonato dopo gli anni 70 perché i computer erano diventati più comuni(inizio della 
nascita dei Personal Computer e conseguente abbattimento dei costi ) e quindi economici. I 
                                                   
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  Ad esempio: LRU  (Least Recently Used), algoritmo della seconda scelta, FIFO, etc.
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principali motivi che spingevano la virtualizzazione erano venuti a mancare e si diffuse la 
filosofia del one application, one server. Questa condizione, con la crescita esponenziale dell’ 
utilizzo del mondo di Internet, implicò l’incremento dei server( aumenta il bisogno di spazio ) 
per soddisfare tutte le richieste( aumento di gestione e manutenzione quindi costi) dei client. 
1.4  I Contro Del “One Application, One Server” 
Ormai sembra chiaro che l’aumento di hardward non è proprio la soluzione migliore. Infatti 
negli anni 90 il proliferare incontrollato dei server, fece rapidamente lievitare i costi delle 
infrastrutture e della loro gestione. L’aggiunta di un servizio o di un’applicazione comportava 
l’installazione di un altro server. Si era calcolato che i server in molte aziende funzionavano 
normalmente al 15-20% della loro capacità (un unico servizio impiegava una minima 
percentuale del tempo di CPU e solo una frazione della banda di I/O a disposizione). 
 
Figura 3: Un Server di Google, composto da Blade-Server. 
In seguito, venne adottata una strategia che fu destinata ha rivoluzionare tutti i sistemi 
informativi di una certa dimensione: The Server Consolidation. Consiste nell’ uso più 
efficiente delle risorse hardward, nell’ottica della riduzione del numero totale di server 
necessari ad una azienda.