2010 Instituto de Ingeniería M.I. Alberto Pedro Lorandi Medina Virtualización y Laboratorios Virtuales Una propuesta de mejora a la infraestructura de laboratorios

Introducción  Tradicionalmente los laboratorios están basados en una infraestructura física y a pesar de su gran valor educacional implican entre otras cosas:  Altos costos de adquisición.  Una buena cantidad de trabajo para preparar cada una de las prácticas a realizar.  Una escasa o reducida flexibilidad.  Costos de mantenimiento.  Problemas con obsolescencia de equipo.

El Esquema Tradicional  En los laboratorios tradicionales, los instructores se enfrentan a una buena cantidad de trabajo, desde obtener equipo hasta lograr que con lo disponible, se puedan desarrollar las prácticas.  A veces una simple práctica en que se trabaje con una pequeña red (un servidor de DNS, uno de Correo, uno de WEB, etc.), por ejemplo, puede tomar un par de días de preparación y afinación.

El Esquema Tradicional  Además, al preparar y desarrollar prácticas el equipo no se puede utilizar en otras tareas.  Sumado a lo anterior, la obsolescencia en un par de años, deja 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.

Un Nuevo Esquema  Con técnicas de virtualización complementadas con librerías especializadas de Sistemas Operativos pre-configurados, se puede complementar la infraestructura de laboratorios.  Bajo este esquema se puede:  Reducir en buena parte costos por mantenimiento.  Reducir el tiempo de preparación de prácticas.  Mejorar el proceso de aprendizaje haciendo prácticas en escenarios reales.  Reforzar el valor de los experimentos de laboratorio sin perder flexibilidad para el desarrollo de prácticas.

Que es la Virtualización  Virtualizar es crear una capa entre el hardware de una maquina (host) y el sistema operativo de una maquina virtual (guest), siendo un medio para crear una versión virtual de un dispositivo o recurso, como un servidor, un dispositivo de almacenamiento incluso un sistema operativo, donde se divide el recurso físico de la máquina host, en uno o más maquinas virtuales o entornos de ejecución.

La Tecnología Puede Ayudar  Con los avances en virtualización y el incremento en poder de cómputo de las PCs, es posible con “cierta facilidad”, obtener mayor flexibilidad y hacer un mejor uso del equipo para prácticas.  Con VirtualBox por ejemplo, un par de PCs de medianos recursos pueden correr varios sistemas operativos con los cuales desarrollar prácticas con topologías de redes relativamente complejas.

Un Posible Esquema  Con algunas PCs con 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 puede suplir el equipo tradicional.  Solo basta 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.

Un Primer Esquema Maquinas Virtualizadas Maquinas Virtualizadas Maquinas Virtualizadas

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 a usar 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.

PXE  Preboot eXecution Environment (PXE) o Entorno de ejecución de prearranque, es un entorno para arrancar e instalar un sistema operativo en una PC a través de una red.  El término cliente PXE sólo se refiere al papel que una máquina juega en el proceso de arranque mediante PXE. Un cliente PXE puede ser un servidor, una PC, portátil o cualquier otra máquina equipada con código de arranque PXE.

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.

Virtual Appliance  A “virtual appliance” es una imagen de una máquina virtual, diseñada para correr en una plataforma de virtualización como VirtualBox, Xen o VMware Workstation.  Estos “Virtual appliances” son un concepto que define a equipos preconfigurados que, al ser instalados en una plataforma de virtualización, permiten tener rápidamente computadoras virtuales para correr servicios específicos.

Esquema Propuesto Imágenes de LiveCDs LiveCDs

Ventajas  Bajo el esquema anterior, 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.

LiveCDs  Una distribución live o Live CD, Live DVD, es un sistema operativo (normalmente acompañado de un conjunto de aplicaciones) almacenado en un medio extraíble, tradicionalmente un CD o DVD (de ahí sus nombres), que puede ejecutarse desde éste sin necesidad de instalarlo en el disco duro de una computadora, para lo cual usa la memoria RAM como disco duro virtual y el propio medio como sistema de archivos.

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 Otro tipo de Aplicaciones como Finanzas, Aplicaciones de Contabilidad, ERPs, CRMs, etc.  Además, se pusieron algunas distribuciones especializadas como Clonezilla para clonar discos; Gparted y PartMagic para particionar equipos; FreeNas, BackTrack, 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.

2010 Instituto de Ingeniería M.I. Alberto Pedro Lorandi Medina Gracias! M.I. Guillermo Hermida Saba M.I. José Hernández Silva M.R.T. Juan José López Ávila