Xen

Xen (pronunciado / ˈ z ɛ n / ) es un hipervisor de tipo 1 gratuito y de código abierto que proporciona servicios que permiten que múltiples sistemas operativos se ejecuten simultáneamente en el mismo hardware . Fue desarrollado originalmente por el Laboratorio de Computación de la Universidad de Cambridge y actualmente lo desarrolla la Fundación Linux con el apoyo de Intel , Citrix , Arm Ltd , Huawei , AWS , Alibaba Cloud , AMD , Bitdefender y EPAM Systems.

La comunidad de Xen Project desarrolla y mantiene Xen Project como software libre y de código abierto , sujeto a los requisitos de la Licencia Pública General de GNU (GPL), versión 2. Xen Project está disponible actualmente para los conjuntos de instrucciones IA-32 , x86-64 y ARM . ^{[ 4 ]}

Xen Project se ejecuta en un estado de CPU con más privilegios que cualquier otro software en la máquina, excepto el firmware .

Las responsabilidades del hipervisor incluyen la gestión de memoria y la planificación de la CPU de todas las máquinas virtuales ("dominios"), así como el lanzamiento del dominio con mayores privilegios ("dom0"), la única máquina virtual que, por defecto, tiene acceso directo al hardware. Desde dom0 se puede gestionar el hipervisor y lanzar dominios sin privilegios ("domU"). ^{[ 5 ]}

El dominio dom0 suele ser una versión de Linux o BSD . Los dominios de usuario pueden ser sistemas operativos tradicionales, como Microsoft Windows, en el que las instrucciones privilegiadas son proporcionadas por instrucciones de virtualización de hardware (si el procesador anfitrión admite la virtualización x86 , por ejemplo, Intel VT-x y AMD-V ), ^{[ 6 ]} o sistemas operativos paravirtualizados en los que el sistema operativo sabe que se está ejecutando dentro de una máquina virtual y, por lo tanto, realiza hiperllamadas directamente, en lugar de emitir instrucciones privilegiadas.

Xen Project arranca desde un gestor de arranque como GNU GRUB y, a continuación, suele cargar un sistema operativo anfitrión paravirtualizado en el dominio anfitrión (dom0).

Xen se originó como un proyecto de investigación en la Universidad de Cambridge, liderado por Ian Pratt , profesor titular del Laboratorio de Computación , y su estudiante de doctorado Keir Fraser. Según Anil Madhavapeddy , uno de los primeros colaboradores, Xen comenzó como una apuesta sobre si Fraser podría hacer arrancar varios núcleos de Linux en el mismo hardware en un fin de semana. ^{[ 7 ]} La primera versión pública de Xen se lanzó en 2003, seguida de la versión 1.0 en 2004. Poco después, Pratt y Fraser, junto con otros exalumnos de Cambridge, como Simon Crosby y el director ejecutivo fundador Nick Gault, crearon XenSource Inc. para convertir Xen en un producto empresarial competitivo.

Para dar soporte a sistemas embebidos como teléfonos inteligentes/IoT con recursos informáticos de hardware relativamente escasos, la arquitectura Secure Xen ARM en una CPU ARM se exhibió en Xen Summit el 17 de abril de 2007, celebrada en IBM TJ Watson. ^{[ 8 ] [ 9 ]} La primera publicación pública del código fuente de Secure Xen ARM se realizó en Xen Summit el 24 de junio de 2008 ^{[ 10 ] [ 11 ]} por Sang-bum Suh , ^{[ 12 ]} un exalumno de Cambridge, en Samsung Electronics.

El 22 de octubre de 2007, Citrix Systems completó la adquisición de XenSource, ^{[ 13 ]} y el Proyecto Xen se trasladó al dominio xen.org. Este traslado había comenzado tiempo atrás y dio a conocer la existencia del Consejo Asesor del Proyecto Xen (Xen AB), cuyos miembros provenían de Citrix , IBM , Intel , Hewlett-Packard , Novell , Red Hat , Sun Microsystems y Oracle . El Consejo Asesor de Xen asesora al líder del Proyecto Xen y es responsable de la marca registrada Xen, ^{[ 14 ]} que Citrix ha licenciado libremente a todos los proveedores y proyectos que implementan el hipervisor Xen . ^{[ 15 ]} Citrix también utilizó la marca Xen para algunos productos propietarios no relacionados con Xen, como XenApp y XenDesktop .

El 15 de abril de 2013, se anunció que el Proyecto Xen pasó a estar bajo los auspicios de la Fundación Linux como un Proyecto Colaborativo. ^{[ 16 ]} La Fundación Linux lanzó una nueva marca registrada para "Proyecto Xen" para diferenciar el proyecto de cualquier uso comercial de la antigua marca registrada "Xen". Se lanzó un nuevo sitio web comunitario en xenproject.org ^{[ 17 ]} como parte de la transferencia. Los miembros del proyecto en el momento del anuncio incluían: Amazon, AMD, Bromium, CA Technologies, Calxeda, Cisco, Citrix, Google, Intel, Oracle, Samsung y Verizon. ^{[ 18 ]} El propio proyecto Xen es autogobernado. ^{[ 19 ]}

Desde la versión 3.0 del kernel de Linux , el soporte de Xen para dom0 y domU existe en el kernel principal. ^{[ 20 ]}

Las empresas de servicios de alojamiento de Internet utilizan hipervisores para proporcionar servidores privados virtuales . Amazon EC2 (desde agosto de 2006 hasta noviembre de 2017), ^{[ 49 ]} IBM SoftLayer , ^{[ 50 ]} Liquid Web, Fujitsu Global Cloud Platform , ^{[ 51 ]} Linode , OrionVM ^{[ 52 ]} y Rackspace Cloud utilizan Xen como hipervisor de máquinas virtuales principal para sus ofertas de productos. ^{[ 53 ]}

Los monitores de máquinas virtuales (también conocidos como hipervisores) suelen operar en mainframes y grandes servidores que ejecutan sistemas IBM, HP y otros. La virtualización de servidores puede proporcionar beneficios como:

• La consolidación conlleva un mayor uso.
• Aprovisionamiento rápido
• Tolerancia dinámica a fallos frente a fallos de software (mediante arranque o reinicio rápidos).
• Tolerancia a fallos de hardware (mediante la migración de una máquina virtual a un hardware diferente)
• Separación segura de sistemas operativos virtuales
• Compatibilidad con software antiguo y con nuevas instancias del sistema operativo en el mismo ordenador.

La compatibilidad de Xen con la migración en vivo de máquinas virtuales de un host a otro permite el equilibrio de carga y evita los tiempos de inactividad.

La virtualización también ofrece ventajas en el desarrollo (incluido el desarrollo de sistemas operativos): ejecutar el nuevo sistema como invitado evita tener que reiniciar el ordenador físico cada vez que se produce un error. Los sistemas invitados en entornos aislados (sandboxes) también pueden ser útiles en la investigación de la seguridad informática, ya que permiten estudiar los efectos de algún virus o gusano sin riesgo de comprometer el sistema anfitrión.

Por último, los proveedores de dispositivos de hardware pueden decidir enviar sus dispositivos con varios sistemas invitados preinstalados, para poder ejecutar diversos programas que requieren diferentes sistemas operativos.

Xen ofrece cinco enfoques para ejecutar el sistema operativo invitado: ^{[ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]}

• PV (paravirtualización): Sistemas invitados y dispositivos compatibles con la virtualización.
• HVM (máquina virtual de hardware): Virtualización totalmente asistida por hardware con dispositivos emulados.
• HVM con controladores PV : Virtualización totalmente asistida por hardware con controladores PV para dispositivos de E/S.
• PVHVM (paravirtualización con virtualización de hardware): virtualización asistida por hardware compatible con PV mediante controladores PV para dispositivos de E/S.
• PVH (PV en un contenedor HVM): Sistema operativo invitado totalmente paravirtualizado, acelerado mediante virtualización asistida por hardware cuando esté disponible.

Xen proporciona una forma de virtualización conocida como paravirtualización, en la que los invitados ejecutan un sistema operativo modificado. Los invitados se modifican para usar una ABI de hiperllamada especial , en lugar de ciertas características arquitectónicas. Mediante la paravirtualización, Xen puede lograr un alto rendimiento incluso en su arquitectura de host (x86), que tiene fama de no cooperar con las técnicas de virtualización tradicionales. ^{[ 57 ] [ 58 ]} Xen puede ejecutar invitados paravirtualizados ("invitados PV" en la terminología de Xen) incluso en CPU sin ningún soporte explícito para la virtualización. La paravirtualización evita la necesidad de emular un conjunto completo de servicios de hardware y firmware, lo que hace que un sistema PV sea más sencillo de administrar y reduce la superficie de ataque expuesta a invitados potencialmente maliciosos. En x86 de 32 bits, el código del kernel del host Xen se ejecuta en el Anillo 0 , mientras que los dominios alojados se ejecutan en el Anillo 1 (kernel) y el Anillo 3 (aplicaciones).

Las CPU que admiten virtualización permiten ejecutar invitados sin modificar, incluidos sistemas operativos propietarios (como Microsoft Windows). Esto se conoce como virtualización asistida por hardware ; sin embargo, en Xen se conoce como máquina virtual de hardware (HVM). Las extensiones HVM proporcionan modos de ejecución adicionales, con una distinción explícita entre los modos más privilegiados utilizados por el hipervisor con acceso al hardware real (llamado "modo raíz" en x86) y los modos menos privilegiados utilizados por los núcleos y aplicaciones invitados con accesos al "hardware" bajo el control total del hipervisor (en x86, conocido como "modo no raíz"; tanto el modo raíz como el no raíz tienen Anillos 0-3). Tanto Intel como AMD han contribuido con modificaciones a Xen para explotar sus respectivas extensiones de arquitectura Intel VT-x y AMD-V. ^{[ 59 ]} El uso de las extensiones de virtualización ARM v7A y v8A llegó con Xen 4.3. ^{[ 60 ]} Las extensiones HVM también suelen ofrecer nuevas instrucciones para permitir llamadas directas de un invitado/controlador paravirtualizado al hipervisor, normalmente utilizadas para E/S u otras operaciones que requieren alto rendimiento. Esto permite que los invitados HVM con modificaciones menores adecuadas obtengan muchos de los beneficios de rendimiento de la E/S paravirtualizada. En las versiones actuales de Xen (hasta la 4.2) solo los invitados HVM totalmente virtualizados pueden utilizar las instalaciones de hardware para múltiples niveles independientes de protección de memoria y paginación. Como resultado, para algunas cargas de trabajo, los invitados HVM con controladores PV (también conocidos como PV-on-HVM o PVH) proporcionan un mejor rendimiento que los invitados PV puros. Xen HVM tiene emulación de dispositivos basada en el proyecto QEMU para proporcionar virtualización de E/S a las máquinas virtuales. El sistema emula el hardware a través de un demonio "administrador de dispositivos" QEMU parcheado (qemu-dm) que se ejecuta como backend en dom0. Esto significa que las máquinas virtualizadas ven una versión emulada de un PC bastante básico. En un entorno donde el rendimiento es crítico, los controladores de disco y red PV-on-HVM se utilizan durante el funcionamiento normal del sistema invitado, de modo que el hardware del PC emulado se utiliza principalmente para el arranque.

Los administradores pueden migrar máquinas virtuales Xen en vivo entre hosts físicos a través de una LAN sin pérdida de disponibilidad. Durante este proceso, la LAN copia iterativamente la memoria de la máquina virtual al destino sin interrumpir su ejecución. El proceso requiere una pausa de entre 60 y 300  ms para realizar la sincronización final antes de que la máquina virtual comience a ejecutarse en su destino final, lo que crea la ilusión de una migración sin interrupciones. Una tecnología similar puede utilizarse para suspender máquinas virtuales en ejecución y guardar su estado en disco, para reanudarlas posteriormente.

Xen puede escalar hasta 4095 CPU físicas, 256 VCPU por invitado HVM, 512 VCPU por invitado PV, 16  TB de RAM por host y hasta 1  TB de RAM por invitado HVM o 512  GB de RAM por invitado PV. ^{[ 61 ]}

Xen implementa memoria compartida mediante tablas de concesión , que permiten a los dominios especificar páginas de memoria para compartir con otros dominios seleccionados. ^{[ 62 ]}

El hipervisor Xen se ha adaptado a varias familias de procesadores:

• Intel: IA-32, IA-64 (antes de la versión 4.2 ^{[ 63 ]} ), x86-64
• PowerPC: anteriormente compatible con el proyecto XenPPC, ya no está activo después de Xen 3.2 ^{[ 64 ]}
• ARM: anteriormente compatible con el proyecto XenARM para versiones anteriores de ARM sin extensiones de virtualización, como el Cortex-A9. Actualmente compatible desde Xen 4.3 para versiones más recientes de ARM con extensiones de virtualización, como el Cortex-A15 .
• MIPS : puerto experimental XLP832 ^{[ 65 ]}

Xen puede distribuirse en una plataforma de virtualización dedicada, como XCP-ng o XenServer (anteriormente Citrix Hypervisor, y antes de eso Citrix XenServer, y antes aún XenEnterprise de XenSource).

Alternativamente, Xen se distribuye como una configuración opcional de muchos sistemas operativos estándar. Xen está disponible para y se distribuye con:

• Alpine Linux ofrece un sistema dom0 mínimo ( Busybox , musl libc ) que se puede ejecutar desde medios extraíbles, como memorias USB.
• Arch Linux proporciona los paquetes necesarios con instrucciones de configuración detalladas en su Wiki. ^{[ 66 ] [ 67 ]}
• Debian Linux (desde la versión 4.0 "etch") y muchos de sus derivados;
• FreeBSD 11 incluye soporte experimental para el host. ^{[ 68 ]}
• Gentoo dispone de los paquetes necesarios para dar soporte a Xen, junto con instrucciones en su Wiki. ^{[ 69 ]}
• Mageia (desde la versión 4);
• NetBSD puede funcionar como domU y dom0. ^{[ 70 ]}
• Las distribuciones basadas en OpenSolaris pueden funcionar como dom0 y domU a partir de la compilación 75 de Nevada.
• openSUSE 10.x a 12.x: ^{[ 71 ]} solo se admiten hosts de 64 bits desde la versión 12.1;
• Qubes OS utiliza Xen para aislar las aplicaciones y lograr un escritorio más seguro. ^{[ 72 ]}
• SUSE Linux Enterprise Server (desde la versión 10);
• Solaris (desde 2013 con Oracle VM Server para x86 , antes con Sun xVM );
• Ubuntu (desde 8.04 "Hardy Heron" , pero sin kernel compatible con dom0 en 8.10 "Intrepid Ibex" hasta 12.04 "Precise Pangolin" . ^{[ 73 ] [ 74 ]} )

Los sistemas invitados pueden ejecutarse de forma totalmente virtualizada (lo que requiere soporte de hardware), paravirtualizada (lo que requiere un sistema operativo invitado modificado) o totalmente virtualizada con controladores paravirtualizados (PVHVM ^{[ 75 ]} ). ^{[ 76 ]} La mayoría de los sistemas operativos que pueden ejecutarse en PC pueden ejecutarse como invitados Xen HVM. Los siguientes sistemas pueden funcionar como invitados Xen paravirtualizados:

• Linux
• FreeBSD en 32 bits o 64 bits a través de PVHVM; ^{[ 77 ] [ 78 ]}
• OpenBSD , a través de PVHVM; ^{[ 79 ]}
• NetBSD
• MINIX
• GNU Hurd (rama gnumach-1-rama Xen)
• Plan 9 de Bell Labs

Xen versión 3.0 introdujo la capacidad de ejecutar Microsoft Windows como sistema operativo invitado sin modificaciones si el procesador de la máquina anfitriona admite la virtualización de hardware proporcionada por Intel VT-x (anteriormente con nombre en clave Vanderpool) o AMD-V (anteriormente con nombre en clave Pacifica). Durante el desarrollo de Xen 1.x, Microsoft Research , junto con el grupo de Sistemas Operativos de la Universidad de Cambridge, desarrolló una adaptación de Windows XP a Xen, posible gracias al Programa de Licencias Académicas de Microsoft . Los términos de esta licencia no permiten la publicación de esta adaptación, aunque la documentación de la experiencia aparece en el documento original de Xen SOSP . ^{[ 80 ]} James Harper y la comunidad de código abierto de Xen han comenzado a desarrollar controladores de paravirtualización de software libre para Windows. Estos proporcionan controladores de interfaz para los dispositivos de red y de bloques de Xen y permiten un rendimiento de disco y red mucho mayor para los sistemas Windows que se ejecutan en modo HVM. Sin estos controladores, todo el tráfico de disco y red tiene que procesarse a través de QEMU-DM. ^{[ 81 ]} Posteriormente, Citrix lanzó (y continúa manteniendo) controladores PV para Windows bajo una licencia BSD. ^{[ 82 ]}

Los desarrolladores externos han creado varias herramientas (conocidas como consolas de administración de Xen) para facilitar las tareas comunes de administración de un host Xen, como la configuración, el inicio, la supervisión y la detención de las máquinas virtuales Xen. Algunos ejemplos son:

• El kit de herramientas de gestión de la nube OpenNebula
• En openSUSE, YaST y virt-man ofrecen gestión gráfica de máquinas virtuales.
• OpenStack admite de forma nativa Xen como destino de hipervisor/computación.
• Apache CloudStack también admite Xen como hipervisor.
• PlateSpin Orchestrate de Novell también gestiona máquinas virtuales Xen para la distribución de Xen en SUSE Linux Enterprise Server.
• Xen Orchestra para plataformas XCP-ng y Citrix Hypervisor.

• XCP-ng (código abierto, perteneciente a la Linux Foundation y al Xen Project, originalmente una bifurcación de XenServer)
• XenServer ^{[ 83 ]} (anteriormente Citrix Hypervisor ^{[ 84 ]} hasta 2023 y anteriormente Citrix XenServer hasta 2019)
• Huawei FusionSphere ^{[ 85 ]}
• Servidor Oracle VM para x86
• Corporación Thinsy
• Hierro virtual (descontinuado por Oracle)
• Crucible (hipervisor) de Star Lab Corp. ^{[ 86 ]}

El hipervisor Xen está cubierto por la Licencia Pública General de GNU, por lo que todas estas versiones contienen un núcleo de software libre con su código fuente. Sin embargo, muchas de ellas incluyen complementos propietarios.

• CloudStack
• Máquina virtual basada en el núcleo (KVM)
• OpenStack
• imagen de disco virtual
• tboot , un sistema de integridad basado en TXT para el kernel de Linux y el hipervisor Xen.
• VMware ESXi
• Sistema operativo Qubes

• Paul Venezia (13 de abril de 2011) Duelo de virtualización: Citrix, Microsoft, Red Hat y VMware. Los principales contendientes en virtualización de servidores abordan el desafío de virtualización definitivo de InfoWorld , InfoWorld

• Sitio web oficial