Аппаратная виртуализация — это виртуализация компьютеров как полных аппаратных платформ, определенных логических абстракций их компонентов или только функций, необходимых для запуска различных операционных систем . Виртуализация скрывает от пользователей физические характеристики вычислительной платформы, представляя вместо этого абстрактную вычислительную платформу. [1] [2] Первоначально программное обеспечение, управляющее виртуализацией, называлось «программой управления», но со временем предпочтение отдавалось терминам « гипервизор » или «монитор виртуальной машины». [3]
Концепция
Термин «виртуализация» был придуман в 1960-х годах для обозначения виртуальной машины (иногда называемой «псевдомашиной»), этот термин сам по себе восходит к экспериментальной системе IBM M44/44X . [3] Создание виртуальных машин и управление ими в последнее время также называют «виртуализацией платформ» или «виртуализацией серверов». [4] [5]
Виртуализация платформы выполняется на данной аппаратной платформе с помощью главного программного обеспечения ( программы управления ), которое создает моделируемую компьютерную среду, виртуальную машину (ВМ), для своего гостевого программного обеспечения. Гостевое программное обеспечение не ограничивается пользовательскими приложениями; многие хосты позволяют выполнять полноценные операционные системы. Гостевое программное обеспечение работает так, как если бы оно работало непосредственно на физическом оборудовании, с некоторыми существенными оговорками. Доступ к физическим системным ресурсам (таким как доступ к сети , дисплею, клавиатуре и дисковому хранилищу ) обычно управляется на более строгом уровне, чем главный процессор и системная память. Гостям часто ограничивается доступ к определенным периферийным устройствам или они могут быть ограничены подмножеством собственных возможностей устройства, в зависимости от политики доступа к оборудованию, реализованной узлом виртуализации. [ нужна цитата ]
Виртуализация часто приводит к снижению производительности, как в отношении ресурсов, необходимых для запуска гипервизора, так и в виде снижения производительности виртуальной машины по сравнению с собственной работой на физической машине. [ нужна цитата ]
Причины виртуализации
В случае консолидации серверов множество небольших физических серверов можно заменить одним более крупным физическим сервером, чтобы уменьшить потребность в дополнительных (дорогих) аппаратных ресурсах, таких как процессоры и жесткие диски. Хотя оборудование консолидируется в виртуальных средах, обычно операционные системы таковыми не являются. Вместо этого каждая ОС, работающая на физическом сервере, преобразуется в отдельную ОС, работающую на виртуальной машине. Таким образом, на большом сервере может «размещаться» множество таких «гостевых» виртуальных машин. Это известно как преобразование физического в виртуальное (P2V).
Помимо сокращения затрат на оборудование и рабочую силу, связанных с его обслуживанием, консолидация серверов также может дать дополнительное преимущество в виде снижения энергопотребления и глобального воздействия на экологические и экологические секторы технологий. Например, типичный сервер работает при 425 Вт [6] , и VMware оценивает коэффициент снижения аппаратного обеспечения до 15:1. [7]
Виртуальной машиной (ВМ) легче управлять и проверять ее с удаленной площадки, чем физической машиной, а конфигурация виртуальной машины более гибкая. Это очень полезно при разработке ядра и при преподавании курсов по операционным системам, включая запуск устаревших операционных систем, не поддерживающих современное оборудование. [8]
Новую виртуальную машину можно подготовить по мере необходимости без необходимости предварительной покупки оборудования.
При необходимости виртуальную машину можно легко переместить с одной физической машины на другую. Например, продавец, идущий к клиенту, может скопировать виртуальную машину с демонстрационным программным обеспечением на свой ноутбук без необходимости транспортировки физического компьютера. Аналогично, ошибка внутри виртуальной машины не вредит хост-системе, поэтому риска сбоя ОС на ноутбуке нет.
Благодаря такой простоте перемещения виртуальные машины можно легко использовать в сценариях аварийного восстановления , не опасаясь воздействия отремонтированных и неисправных источников энергии.
Однако когда на одном физическом хосте одновременно работают несколько виртуальных машин, каждая виртуальная машина может демонстрировать разную и нестабильную производительность, которая сильно зависит от рабочей нагрузки, налагаемой на систему другими виртуальными машинами. Эту проблему можно решить с помощью соответствующих методов установки для временной изоляции виртуальных машин .
Существует несколько подходов к виртуализации платформ.
Примеры вариантов использования виртуализации:
Запуск одного или нескольких приложений, которые не поддерживаются хостовой ОС. Виртуальная машина с требуемой гостевой ОС может разрешить запуск нужных приложений без изменения хостовой ОС.
Оценка альтернативной операционной системы. Новую ОС можно запускать на виртуальной машине без изменения операционной системы хоста.
Виртуализация серверов: на одном физическом сервере можно запустить несколько виртуальных серверов, чтобы более полно использовать аппаратные ресурсы физического сервера.
Дублирование определенных сред. Виртуальную машину можно, в зависимости от используемого программного обеспечения виртуализации, продублировать и установить на нескольких хостах или восстановить до состояния системы, для которого ранее была создана резервная копия.
Создание защищенной среды. Если гостевая ОС, работающая на виртуальной машине, повреждена таким образом, что ее восстановление становится нерентабельным, например, при изучении вредоносного ПО или установке плохого программного обеспечения, виртуальную машину можно просто удалить без ущерба для системы. хост-система и чистая копия, используемая при перезагрузке гостя.
Полная виртуализация
Логическая схема полной виртуализации.
При полной виртуализации виртуальная машина имитирует достаточно оборудования, чтобы позволить изолированно запускать немодифицированную «гостевую» ОС, предназначенную для того же набора команд . Этот подход был впервые использован в 1966 году в IBM CP-40 и CP-67 , предшественниках семейства VM .
Аппаратная виртуализация
При виртуализации с аппаратной поддержкой оборудование обеспечивает архитектурную поддержку, которая облегчает создание монитора виртуальной машины и позволяет изолированно запускать гостевые ОС. [9] Аппаратная виртуализация была впервые представлена в IBM System/370 в 1972 году для использования с VM/370, первой операционной системой виртуальных машин.
В 2005 и 2006 годах Intel и AMD разработали дополнительное оборудование для поддержки виртуализации на своих платформах. Sun Microsystems (теперь Oracle Corporation ) добавила аналогичные функции в свои процессоры UltraSPARC T-серии в 2005 году.
В 2006 году было обнаружено, что поддержка 32- и 64-разрядного оборудования x86 первого поколения редко обеспечивает преимущества в производительности по сравнению с программной виртуализацией. [10]
Паравиртуализация
При паравиртуализации виртуальная машина не обязательно имитирует аппаратное обеспечение, а вместо этого (или в дополнение) предлагает специальный API, который можно использовать только путем модификации [ необходимы пояснения ] «гостевой» ОС. Чтобы это было возможно, должен быть доступен исходный код «гостевой» ОС. Если исходный код доступен, достаточно заменить конфиденциальные инструкции вызовами API VMM (например: «cli» на «vm_handle_cli()»), затем перекомпилировать ОС и использовать новые двоичные файлы. Этот системный вызов гипервизора называется «гипервызовом» в TRANGO и Xen ; он реализуется с помощью аппаратной инструкции DIAG («диагностика») в IBM CMS под виртуальной машиной [ необходимы разъяснения ] (отсюда и произошел термин « гипервизор »).
Виртуализация на уровне операционной системы
При виртуализации на уровне операционной системы физический сервер виртуализируется на уровне операционной системы, что позволяет нескольким изолированным и безопасным виртуализированным серверам работать на одном физическом сервере. Среды «гостевой» операционной системы используют тот же запущенный экземпляр операционной системы, что и хост-система. Таким образом, одно и то же ядро операционной системы также используется для реализации «гостевых» сред, а приложения, работающие в данной «гостевой» среде, рассматривают ее как автономную систему.
Аварийное восстановление аппаратной виртуализации
План аварийного восстановления (DR) часто считается хорошей практикой для платформы аппаратной виртуализации. Аварийное восстановление среды виртуализации может обеспечить высокий уровень доступности в широком диапазоне ситуаций, которые нарушают нормальные бизнес-операции. В ситуациях, когда важна непрерывная работа платформ аппаратной виртуализации, план аварийного восстановления может обеспечить соблюдение требований к производительности оборудования и обслуживанию. План аварийного восстановления аппаратной виртуализации включает защиту как аппаратного, так и программного обеспечения различными методами, в том числе описанными ниже. [11] [12]
Резервное копирование на ленту для долгосрочного архивирования данных программного обеспечения
Этот распространенный метод можно использовать для хранения данных за пределами офиса, но восстановление данных может оказаться сложным и длительным процессом. Качество данных резервного копирования на ленту зависит от качества последней сохраненной копии. Методы резервного копирования на ленту потребуют наличия устройства резервного копирования и постоянного хранения данных.
Репликация всего файла и приложения
Реализация этого метода потребует управляющего программного обеспечения и емкости хранилища для репликации приложений и файлов данных, обычно на одном и том же сайте. Данные реплицируются на другой раздел диска или отдельное дисковое устройство и могут быть запланированным действием для большинства серверов и больше реализуются для приложений типа базы данных.
Резервирование аппаратного и программного обеспечения
Этот метод обеспечивает высочайший уровень защиты после аварийного восстановления для решения аппаратной виртуализации, обеспечивая дублирование аппаратного и программного обеспечения в двух разных географических областях. [13]
^ Тюрбан, Э; Кинг, Д.; Ли, Дж.; Виланд, Д. (2008). «19». Электронная коммерция с точки зрения менеджмента (PDF) (5-е изд.). Прентис-Холл. п. 27.
^ «Виртуализация в образовании» (PDF) . ИБМ . Октябрь 2007 года . Проверено 6 июля 2010 г.
^ Аб Кризи, Р.Дж. (1981). «Происхождение системы разделения времени VM/370» (PDF) . ИБМ . Проверено 26 февраля 2013 г.
^ Программное обеспечение, Производительность (23 мая 2018 г.). «Виртуальные машины: введение в виртуализацию платформ». Программное обеспечение производительности . Проверено 8 июля 2023 г.
^ «Что такое виртуализация серверов?».
^ [1] Профилирование использования энергии для эффективного потребления; Раджеш Чеда, Дэн Шуковски, Стив Стефанович и Джо Тоскано
^ Обзор консолидации серверов VMware
^ Изучение VMware. Архивировано 22 ноября 2019 г. в журнале Wayback Machine доктора Добба, август 2000 г., Джейсон Ние и Озгур Кан Леонард.
^ Улиг, Р. и др.; «Технология виртуализации Intel», Компьютер, том 38, № 5, стр. 48-56, май 2005 г.
^ Сравнение программных и аппаратных методов для виртуализации x86, Кейт Адамс и Оле Агесен, VMware, ASPLOS'06, 21–25 октября 2006 г., Сан-Хосе, Калифорния, США. «Удивительно, но мы обнаруживаем, что аппаратная поддержка первого поколения редко обеспечивает производительность. преимущества по сравнению с существующими программными методами. Мы связываем эту ситуацию с высокими затратами на переход между VMM и гостевой системой и жесткой моделью программирования, которая оставляет мало места для гибкости программного обеспечения в управлении частотой или стоимостью этих переходов».
^ «Одно важное руководство по аварийному восстановлению: как обеспечить непрерывность ИТ и бизнеса» (PDF) . Vision Solutions, Inc. 2010. Архивировано из оригинала (PDF) 16 мая 2011 года.
^ Уолд, Дж. (2008). «Процесс планирования аварийного восстановления». Архивировано из оригинала 15 августа 2012 года.
^ «Виртуализация аварийного восстановления, защищающая производственные системы с использованием виртуальной инфраструктуры VMware и Double-Take» (PDF) . VMware. 2010. Архивировано из оригинала (PDF) 23 сентября 2010 года.
Внешние ссылки
Введение в виртуализацию. Архивировано 22 октября 2020 года в Wayback Machine , автор Амит Сингх.
Xen и искусство виртуализации, ACM, 2003 г., группа авторов.
Программное обеспечение для виртуализации Linux
Зоппис, Бруно (27 августа 2007 г.) [1-й паб. LinuxDevices:2007]. «Использование гипервизора для согласования GPL и собственного встроенного кода». Linux-штучки . Архивировано из оригинала 24 декабря 2013 года.
.svg/1280px-Hardware_Virtualization_(copy).svg.png)