2010 Instituto de Ingeniería M.I. Alberto Pedro Lorandi Medina Virtualización con arranque remoto por PXE Una propuesta de mejora a la infraestructura en laboratorios de redes y de telecomunicaciones

Introducción  Tradicionalmente, laboratorios basados en una infraestructura física son de un gran valor educacional pero implican, entre otras cosas:  Altos costos de adquisición.  Una buena cantidad de trabajo físico para cada una de las prácticas a realizar.  Una escasa o reducida flexibilidad.  Costos de mantenimiento.  Problemas de obsolescencia de equipo.

Introducción  Con técnicas de virtualización, complementadas con arranque remoto por PXE y una librería de Sistemas Operativos pre-configurados, se puede mejorar la infraestructura de laboratorios.  Bajo este esquema puede ser posible:  Reducir costos por mantenimiento.  Reducir el tiempo de preparación de prácticas.  Ayudar al proceso de enseñanza aprendizaje con prácticas en escenarios reales.  Reforzar el valor de los experimentos de laboratorio.  Tener flexibilidad para el desarrollo de prácticas.

El Esquema Tradicional  En los laboratorios tradicionales, los instructores se enfrentan a una buena cantidad de trabajo para lograr que, con el equipo disponible, se puedan desarrollar las prácticas necesarias.  A veces una simple práctica en la que se modele, reproduzca y analice una pequeña red, con unos cuantos servidores de DNS, Correo, WEB y un Firewall, por ejemplo, puede tomar un par de días de preparación y pruebas.

El Esquema Tradicional  Además, al preparar y desarrollar prácticas, el equipo no se puede utilizar en otras tareas.  Aunado a lo anterior, la obsolescencia puede, en un par de años, dejar un laboratorio de una universidad pública en situaciones precarias.  Si, además, sumamos la falta de flexibilidad en el hardware tradicional usado, nos enfrentamos a una serie de problemas que afectan el proceso de enseñanza aprendizaje severamente.

La Tecnología Puede Ayudar  Con los avances en la virtualización y con el incremento en poder de cómputo de las PCs actuales, es posible con “relativa facilidad”, obtener una mayor flexibilidad y un mejor uso del equipo para desarrollo de prácticas.  Con VirtualBox, una PC con medianos recursos puede correr varios sistemas operativos donde modelar, interactuar y desarrollar prácticas con topologías relativamente complejas.

Un Primer Esquema

Un Posible Esquema  Con algunas PCs, VirtualBox, una librería de servidores virtualizados pre-configurados (para copiar en las PCs) y una serie de escenarios de red para desarrollo de prácticas, se podría suplir el equipo físico tradicional.  Sólo bastaría desarrollar una serie de escenarios predefinidos, manuales de prácticas y una serie de equipos virtualizados, para armar una amplia gama de topologías de red para hacer prácticas.

Problemática  Sin embargo, la solución presenta varios inconvenientes:  Se deben realizar varios pasos al copiar cada máquina virtualizada antes de poder usarla.  Es necesario configurar cada máquina virtual y copiarla a discos USB, por ejemplo, lo que requiere tiempo.  Se corre el riesgo de sobre-escribir el repositorio y perder varias horas de trabajo.  Se requiere trabajo extra en cada PC.

La Tecnología Puede Ayudar  Si retomamos el esquema de Workstation sin disco, usando en su lugar máquinas virtuales, combinadas con un arranque por PXE (Preboot eXecution Environment), podemos tener un esquema de laboratorio con mayor flexibilidad.  Como las máquinas virtuales son capaces de arrancar de red emulando las tarjetas físicas, que arrancan por PXE, se puede fácilmente cargar varios sistemas operativos diferentes en una PC.

Una Posible Mejora  Con un servidor PXE que ofrezca a PCs virtuales una gama de sistemas operativos, debidamente pre-configurados, podemos armar en muy poco tiempo una amplia variedad de escenarios para el desarrollo de prácticas.  Con una librería de sistemas, configurados como servidores de DNS, Mail, WEB, LAMP, etc., por ejemplo, se pueden arrancar servidores virtuales de acuerdo a las necesidades de cada práctica.

Una Posible Mejora  Si tomamos el concepto de “Virtual Appliance”, siendo cada equipo un servidor pre-configurado que, al cargarse en una computadora virtual, supla equipos reales, podemos tener muchos escenarios de red posibles.  Estos “Appliance”, serían remasterizaciones de Debian/Ubuntu, en forma de un ISO “LiveCD”, que formarían una biblioteca de equipos a usar en las prácticas sobre escenarios predefinidos.

Esquema Propuesto

Ventajas  Bajo este esquema, el trabajo consiste en desarrollar equipos pre-configurados y convertirlos a Live-CDs, lo que en Debian con Debian-Helper y en Ubuntu con UCK, es relativamente sencillo.  Esos Live CDs, en forma de un ISO, se montan en el servidor de PXE haciendo un menú.  Las PCs con VirtualBox se configuran para arrancar de red, cargando esos ISOs.

Procedimiento  Se desarrollan los escenarios de red necesarios y los manuales prácticas.  El proceso de desarrollo de prácticas consiste sencillamente en:  Arrancar las PCs virtuales necesarias de acuerdo a la práctica, seleccionando las imágenes ISO adecuadas.  Configurar lo necesario en cada equipo virtual, como si fueran equipos reales.  Desarrollar las prácticas.

Ventajas  Ya que VirtualBox permite pausar las máquinas virtuales, si algunas prácticas requieren de varios días, basta pausar los equipos utilizados y retomar el trabajo al día siguiente.  El esquema permite a los estudiantes, además, desarrollar prácticas cuando lo requieran ya que pueden cargar los Appliances que quieran en su LapTops, dentro de la red del Campus.  El esquema puede ofrecer algunas cosas más.

Otras Ventajas  Al desarrollar el trabajo se abrió la posibilidad de adicionar al servidor de PXE, imágenes de Ubuntu, Debian y otros derivados de Linux.  Además, se pusieron algunas distribuciones especializadas como Clonezilla para clonar discos; Gparted y PartMagic para particionar equipos; FreeNas, BackTrack, etc.  Se pueden poner imágenes con BartPE o DrWEB para eliminar virus, etc.

Resultados:  Los resultados dan indicios de que la solución puede llegar a ser más que aceptable.  La inversión ha sido mínima por reutilizar un LH4 como servidor PXE que está demostrando un desempeño razonable.  3 PCs Dell con 4GB han soportado, cada una, 4 servidores virtuales, teniendo así 12 equipos que cubren muchos escenarios reales.  El consumo de ancho de banda es alto al inicio pero la carga de los S.O. dura 4 ó 5 minutos.

El Menú de PXE

Trabajos Futuros  Se puede continuar buscando cómo surtir, por ejemplo, máquinas virtualizadas completas, lo que hace un Data Center como VMware ESX y ESXi, buscando un equivalente libre.  Desarrollo de una interfaz WEB para el sistema más especializado que un WEBmin y un PXEsConfig disponibles para Linux.  Desarrollo de escenarios, manuales de prácticas, servidores especializados, etc.