В вычислительной технике виртуализация (v12n) представляет собой ряд технологий, позволяющих разделить физические вычислительные ресурсы на ряд виртуальных машин , операционных систем , процессов или контейнеров. [1]
Виртуализация началась в 1960-х годах с IBM CP/CMS . [1] Управляющая программа CP предоставляла каждому пользователю имитированный автономный компьютер System/360.
В аппаратной виртуализации хост -машина — это машина, которая используется виртуализацией, а гостевая машина — это виртуальная машина. Слова хост и гость используются для различения программного обеспечения, которое работает на физической машине, от программного обеспечения, которое работает на виртуальной машине. Программное обеспечение или прошивка , которая создает виртуальную машину на аппаратном обеспечении хоста, называется гипервизором или монитором виртуальной машины . [2] Аппаратная виртуализация — это не то же самое, что и эмуляция оборудования . Аппаратная виртуализация упрощает создание монитора виртуальной машины и позволяет гостевым ОС работать изолированно.
Виртуализация рабочих столов — это концепция отделения логического рабочего стола от физической машины.
Виртуализация на уровне операционной системы, также известная как контейнеризация , относится к функции операционной системы , в которой ядро допускает существование нескольких изолированных экземпляров пользовательского пространства .
Обычной целью виртуализации является централизация административных задач при одновременном улучшении масштабируемости и общего использования аппаратных ресурсов.
Форма виртуализации была впервые продемонстрирована в исследовательской системе IBM CP-40 в 1967 году, затем распространялась через открытый исходный код в CP/CMS в 1967–1972 годах и повторно реализована в семействе VM IBM с 1972 года по настоящее время. Каждому пользователю CP/CMS предоставлялся смоделированный автономный компьютер. Каждая такая виртуальная машина имела все возможности базовой машины, и (для ее пользователя) виртуальная машина была неотличима от частной системы. Эта симуляция была всеобъемлющей и основывалась на руководстве Principles of Operation для оборудования. Таким образом, она включала такие элементы, как набор инструкций, основную память, прерывания, исключения и доступ к устройствам. Результатом стала одна машина, которая могла быть мультиплексирована между многими пользователями.
Аппаратная виртуализация впервые появилась в IBM System/370 в 1972 году для использования с VM/370 , первой операционной системой виртуальных машин. IBM добавила аппаратную виртуальную память в серию System/370 в 1972 году, что не то же самое, что Intel VT-x Rings, предоставляя более высокий уровень привилегий для гипервизора для надлежащего управления виртуальными машинами, требующими полного доступа к режимам Supervisor и Program или User.
С ростом спроса на компьютерную графику высокой четкости (например, САПР ) виртуализация мэйнфреймов утратила часть внимания в конце 1970-х годов, когда появление мини-компьютеров способствовало распределению ресурсов посредством распределенных вычислений , что привело к коммерциализации микрокомпьютеров .
Увеличение вычислительной мощности на сервер x86 (и в частности существенное увеличение пропускной способности современных сетей) возродило интерес к вычислениям на базе центров обработки данных, которые основаны на методах виртуализации. Основным фактором был потенциал для консолидации серверов: виртуализация позволила одному серверу экономически эффективно консолидировать вычислительную мощность на нескольких недостаточно используемых выделенных серверах. Наиболее заметным признаком возврата к истокам вычислений являются облачные вычисления , которые являются синонимом вычислений на базе центров обработки данных (или вычислений типа мэйнфреймов) через сети с высокой пропускной способностью. Они тесно связаны с виртуализацией.
Первоначальная реализация архитектуры x86 не соответствовала требованиям виртуализации Попека и Голдберга для достижения «классической виртуализации»:
Это затрудняло реализацию монитора виртуальной машины для этого типа процессора. Конкретные ограничения включали невозможность перехвата некоторых привилегированных инструкций. [3] Поэтому, чтобы компенсировать эти архитектурные ограничения, проектировщики выполнили виртуализацию архитектуры x86 двумя методами: полной виртуализацией или паравиртуализацией . [4] Оба метода создают иллюзию физического оборудования для достижения цели независимости операционной системы от оборудования, но представляют некоторые компромиссы в производительности и сложности.
Полная виртуализация не была полностью доступна на платформе x86 до 2005 года. Многие гипервизоры платформы для платформы x86 подошли очень близко и заявили о полной виртуализации (например, Adeos , Mac-on-Linux, Parallels Desktop для Mac , Parallels Workstation , VMware Workstation , VMware Server (ранее GSX Server), VirtualBox , Win4BSD и Win4Lin Pro ).
В 2005 и 2006 годах Intel и AMD (работая независимо) создали новые процессорные расширения для архитектуры x86, названные Intel VT-x и AMD-V соответственно. На архитектуре Itanium аппаратная виртуализация известна как VT-i. Первое поколение процессоров x86, поддерживающих эти расширения, было выпущено в конце 2005 — начале 2006 года:
Аппаратная виртуализация (или виртуализация платформы) объединяет вычислительные ресурсы на одной или нескольких виртуальных машинах . Виртуальная машина реализует функциональность (физического) компьютера с операционной системой. Программное обеспечение или прошивка , которая создает виртуальную машину на оборудовании хоста, называется гипервизором или монитором виртуальной машины . [2]
Программное обеспечение, выполняемое на этих виртуальных машинах, отделено от базовых аппаратных ресурсов. Например, компьютер, работающий под управлением Arch Linux, может размещать виртуальную машину, которая выглядит как компьютер с операционной системой Microsoft Windows ; программное обеспечение на базе Windows может быть запущено на виртуальной машине. [5] [6]
Различные типы аппаратной виртуализации включают в себя:
.svg/1280px-Hardware_Virtualization_(copy).svg.png)
Полная виртуализация использует методы, которые объединяют физические компьютерные ресурсы в один или несколько экземпляров; каждый из которых запускает виртуальную среду, где любое программное обеспечение или операционная система, способные выполняться на сыром оборудовании, могут быть запущены в виртуальной машине. Обычно используются два распространенных метода полной виртуализации: (a) двоичная трансляция и (b) полная виртуализация с аппаратной поддержкой. [1] Двоичная трансляция автоматически изменяет программное обеспечение на лету, чтобы заменить инструкции, которые «проникают в виртуальную машину», на другую, безопасную для виртуальной машины последовательность инструкций. [7] Аппаратная виртуализация позволяет гостевым операционным системам работать изолированно, практически без изменений в (гостевой) операционной системе.
Полная виртуализация требует, чтобы каждая существенная функция оборудования была отражена в одной из нескольких виртуальных машин, включая полный набор инструкций, операции ввода/вывода , прерывания, доступ к памяти и любые другие элементы, используемые программным обеспечением, работающим на голой машине и предназначенным для работы на виртуальной машине.
Этот подход был впервые реализован в 1966 году с появлением компьютеров IBM CP-40 и CP-67 , предшественников семейства VM .
В двоичной трансляции инструкции транслируются в соответствии с эмулируемой аппаратной архитектурой. [1] Часть оборудования имитирует другое, в то время как в аппаратной виртуализации гипервизор (часть программного обеспечения) имитирует определенную часть компьютерного оборудования или весь компьютер. Кроме того, гипервизор не то же самое, что эмулятор ; оба являются компьютерными программами, которые имитируют оборудование, но их область использования в языке отличается. [8]
Аппаратная виртуализация (или ускоренная виртуализация; Xen называет ее аппаратной виртуальной машиной (HVM), а Virtual Iron называет ее собственной виртуализацией) — это способ повышения общей эффективности аппаратной виртуализации с помощью процессоров хоста. Полная виртуализация используется для эмуляции полной аппаратной среды или виртуальной машины , в которой немодифицированная гостевая операционная система (использующая тот же набор инструкций , что и хост-машина) эффективно выполняется в полной изоляции.
Аппаратная виртуализация была впервые представлена на процессорах IBM 308X в 1980 году с инструкцией Start Interpretive Execution (SIE). [9] Она была добавлена к процессорам x86 ( Intel VT-x , AMD-V или VIA VT ) в 2005, 2006 и 2010 годах [10] соответственно.
IBM предлагает аппаратную виртуализацию для своего оборудования IBM Power Systems для AIX , Linux и IBM i , а также для своих мэйнфреймов IBM Z. IBM называет свою конкретную форму аппаратной виртуализации «логическим разделом» или, чаще, LPAR .
Аппаратная виртуализация снижает накладные расходы на обслуживание паравиртуализации, поскольку она уменьшает (в идеале устраняет) изменения, необходимые в гостевой операционной системе. Также значительно проще добиться лучшей производительности.
Паравиртуализация — это метод виртуализации, который представляет программный интерфейс для виртуальных машин , который похож, но не идентичен базовому аппаратно-программному интерфейсу. Паравиртуализация повышает производительность и эффективность по сравнению с полной виртуализацией, заставляя гостевую операционную систему взаимодействовать с гипервизором. Позволяя гостевой операционной системе сообщать гипервизору о своих намерениях, каждая из них может взаимодействовать для получения лучшей производительности при работе на виртуальной машине.
Целью измененного интерфейса является сокращение части времени выполнения гостевой системы, затрачиваемой на выполнение операций, которые существенно сложнее выполнить в виртуальной среде по сравнению с невиртуализированной средой. Паравиртуализация предоставляет специально определенные «крючки», позволяющие гостю(ям) и хосту запрашивать и подтверждать эти задачи, которые в противном случае выполнялись бы в виртуальном домене (где производительность выполнения хуже). Успешная паравиртуализированная платформа может позволить упростить монитор виртуальной машины (VMM) (переместив выполнение критических задач из виртуального домена в домен хоста) и/или уменьшить общее снижение производительности выполнения машины внутри виртуального гостя.
Паравиртуализация требует, чтобы гостевая операционная система была явно портирована для паравиртуализирующего API — обычный дистрибутив ОС, не поддерживающий паравиртуализацию, не может быть запущен поверх паравиртуализированного VMM. Однако даже в случаях, когда операционная система не может быть изменена, могут быть доступны компоненты, которые обеспечивают многие из существенных преимуществ производительности паравиртуализации. Например, проект Xen Windows GPLPV предоставляет набор драйверов устройств, поддерживающих паравиртуализацию, которые предназначены для установки в виртуальную гостевую систему Microsoft Windows, работающую на гипервизоре Xen . [11] Такие приложения, как правило, доступны через среду интерфейса паравиртуальной машины. Это обеспечивает совместимость в режиме выполнения между несколькими моделями алгоритмов шифрования, что позволяет бесшовно интегрировать их в паравиртуальную структуру. [12]
Термин «паравиртуализация» впервые был использован в исследовательской литературе в связи с Denali Virtual Machine Manager. [13] Этот термин также используется для описания гипервизоров Xen , L4 , TRANGO , VMware , Wind River и XtratuM . Все эти проекты используют или могут использовать методы паравиртуализации для поддержки высокопроизводительных виртуальных машин на оборудовании x86 путем внедрения виртуальной машины, которая не реализует трудно виртуализируемые части фактического набора инструкций x86. [14]
В 2005 году VMware предложила интерфейс паравиртуализации, Virtual Machine Interface (VMI), в качестве механизма связи между гостевой операционной системой и гипервизором. Этот интерфейс сделал возможной прозрачную паравиртуализацию, при которой одна двоичная версия операционной системы может работать либо на собственном оборудовании, либо на гипервизоре в паравиртуализированном режиме.
Первое появление поддержки паравиртуализации в Linux произошло с появлением порта ppc64 в 2002 году [15] , который поддерживал запуск Linux в качестве паравиртуализированного гостя на оборудовании IBM pSeries (RS/6000) и iSeries (AS/400).
На конференции USENIX в 2006 году в Бостоне, штат Массачусетс , ряд поставщиков разработки Linux (включая IBM, VMware, Xen и Red Hat) объединились для создания альтернативной формы паравиртуализации, изначально разработанной группой Xen, под названием «paravirt-ops». [16] Код paravirt-ops (часто сокращаемый до pv-ops) был включен в основное ядро Linux с версии 2.6.23 и обеспечивает независимый от гипервизора интерфейс между гипервизором и гостевыми ядрами. Поддержка дистрибутивов гостевых ядер pv-ops появилась, начиная с Ubuntu 7.04 и RedHat 9. Гипервизоры Xen, основанные на любом ядре 2.6.24 или более поздней версии, поддерживают гостевые системы pv-ops, как и продукт VMware Workstation, начиная с версии 6. [17]
Гибридная виртуализация сочетает в себе методы полной виртуализации с паравиртуализированными драйверами для преодоления ограничений, связанных с аппаратной полной виртуализацией. [18]
Аппаратно-поддерживаемый подход к полной виртуализации использует немодифицированную гостевую операционную систему, которая включает в себя множество ловушек виртуальных машин, что приводит к высоким накладным расходам ЦП, ограничивая масштабируемость и эффективность консолидации серверов. [19] Гибридный подход к виртуализации решает эту проблему.
Виртуализация рабочих столов отделяет логический рабочий стол от физической машины.
Одна из форм виртуализации рабочего стола, инфраструктура виртуального рабочего стола (VDI), может рассматриваться как более продвинутая форма аппаратной виртуализации. Вместо того, чтобы взаимодействовать с хост-компьютером напрямую через клавиатуру, мышь и монитор, пользователь взаимодействует с хост-компьютером, используя другой настольный компьютер или мобильное устройство посредством сетевого соединения, такого как локальная сеть , беспроводная локальная сеть или даже Интернет . Кроме того, хост-компьютер в этом сценарии становится серверным компьютером, способным размещать несколько виртуальных машин одновременно для нескольких пользователей. [20]
Поскольку организации продолжают виртуализировать и конвергировать свою среду центров обработки данных, клиентские архитектуры также продолжают развиваться, чтобы воспользоваться преимуществами предсказуемости, непрерывности и качества обслуживания, предоставляемого их конвергентной инфраструктурой . Например, такие компании, как HP и IBM, предоставляют гибридную модель VDI с рядом программного обеспечения для виртуализации и моделей доставки для улучшения ограничений распределенных клиентских вычислений . [21] Отдельные клиентские среды перемещают рабочие нагрузки с ПК и других устройств на серверы центров обработки данных, создавая хорошо управляемые виртуальные клиенты с приложениями и клиентскими операционными средами, размещенными на серверах и хранилищах в центре обработки данных. Для пользователей это означает, что они могут получить доступ к своему рабочему столу из любого места, не будучи привязанными к одному клиентскому устройству. Поскольку ресурсы централизованы, пользователи, перемещающиеся между рабочими местами, по-прежнему могут получать доступ к той же клиентской среде со своими приложениями и данными. [21] Для ИТ-администраторов это означает более централизованную, эффективную клиентскую среду, которую легче поддерживать и которая способна быстрее реагировать на меняющиеся потребности пользователя и бизнеса. [22] Другая форма, виртуализация сеансов, позволяет нескольким пользователям подключаться и входить в общий, но мощный компьютер по сети и использовать его одновременно. Каждому предоставляется рабочий стол и личная папка, в которой они хранят свои файлы. [20] С многопользовательской конфигурацией виртуализация сеансов может быть выполнена с использованием одного ПК с несколькими подключенными мониторами, клавиатурами и мышами.
Тонкие клиенты , которые используются в виртуализации рабочего стола, представляют собой простые и/или дешевые компьютеры, которые в первую очередь предназначены для подключения к сети. Им может не хватать значительного дискового пространства , оперативной памяти или даже вычислительной мощности , но многие организации начинают рассматривать преимущества с точки зрения затрат, исключая «толстые клиентские» рабочие столы, которые напичканы программным обеспечением (и требуют лицензионных сборов за программное обеспечение), и делая более стратегические инвестиции. [23]
Виртуализация рабочего стола упрощает управление версиями программного обеспечения и исправлениями, где новый образ просто обновляется на сервере, а рабочий стол получает обновленную версию при перезагрузке. Она также обеспечивает централизованный контроль над тем, к каким приложениям пользователю разрешен доступ на рабочей станции.
Перемещение виртуализированных рабочих столов в облако создает размещенные виртуальные рабочие столы (HVD), в которых образы рабочих столов централизованно управляются и поддерживаются специализированной хостинговой фирмой. Преимущества включают масштабируемость и сокращение капитальных затрат, которые заменяются ежемесячными эксплуатационными расходами. [24]
Виртуализация на уровне операционной системы, также известная как контейнеризация , относится к функции операционной системы , в которой ядро допускает существование нескольких изолированных экземпляров пользовательского пространства . Такие экземпляры, называемые контейнерами, [25] разделами, виртуальными средами (VE) или джейлами ( FreeBSD jail или chroot jail ), могут выглядеть как настоящие компьютеры с точки зрения программ, работающих в них. Компьютерная программа, работающая в обычной операционной системе, может видеть все ресурсы (подключенные устройства, файлы и папки, сетевые ресурсы , мощность ЦП, количественные аппаратные возможности) этого компьютера. Однако программы, работающие внутри контейнера, могут видеть только содержимое контейнера и устройства, назначенные контейнеру.
Это обеспечивает многие преимущества виртуальных машин, такие как стандартизация и масштабируемость, при этом используя меньше ресурсов, поскольку ядро разделяется между контейнерами. [26]
Контейнеризация начала приобретать известность в 2014 году с появлением Docker . [27] [28]
Виртуализация, в частности полная виртуализация, оказалась полезной для:
Распространенной целью виртуализации является централизация административных задач при одновременном улучшении масштабируемости и общего использования аппаратных ресурсов. С помощью виртуализации несколько операционных систем могут работать параллельно на одном центральном процессоре (ЦП). Такой параллелизм имеет тенденцию снижать накладные расходы и отличается от многозадачности, которая подразумевает запуск нескольких программ на одной ОС. Используя виртуализацию, предприятие может лучше управлять обновлениями и быстрыми изменениями в операционной системе и приложениях, не мешая пользователю.
В конечном счете, виртуализация радикально повышает эффективность и доступность ресурсов и приложений в организации. Вместо того, чтобы полагаться на старую модель «один сервер, одно приложение», которая приводит к недоиспользованию ресурсов, виртуальные ресурсы динамически применяются для удовлетворения потребностей бизнеса без какого-либо лишнего жира». [30]
Виртуальные машины, работающие под управлением фирменных операционных систем, требуют лицензирования, независимо от операционной системы хост-машины. Например, установка Microsoft Windows в гостевую виртуальную машину требует выполнения ее лицензионных требований. [31] [32] [33]
Виртуальный компьютер — это логическое представление компьютера в программном обеспечении. Разделяя физическое оборудование и операционную систему, виртуализация обеспечивает большую эксплуатационную гибкость и повышает коэффициент использования базового физического оборудования.
Драйвер GPLPV — это драйвер для Microsoft Windows, который позволяет системам Windows DomU, виртуализированным в Xen, получать доступ к сети и блокировать драйверы Xen Dom0. Это обеспечивает значительный прирост производительности и надежности по сравнению со стандартными устройствами, эмулируемыми Xen/Qemu/Kvm.
Финн объяснил, что Standard охватывает 2 ЦП на хосте и переходит от одной VOSE (виртуальная операционная среда — 1 бесплатная установка Std в виртуальной машине на этом хосте) к двум, и «теперь имеет все функции и масштабируемость Datacenter». Он отметил, что будет небольшое повышение цены, но сказал, что, по его мнению, это не будет иметь значения, поскольку «она в любом случае должна быть виртуализирована, а удвоение прав VOSE компенсирует это». Windows Server Datacenter представляла собой минимум две лицензии на 1 ЦП с неограниченным количеством VOSE. «Теперь это более простая SKU, которая охватывает два ЦП на хосте с неограниченным количеством VOSE», — сказал Финн.
