Что такое движок виртуализации
Технология виртуализации в процессоре
Содержание
Содержание
На протяжении последних 15 лет слово «виртуальный» звучит практически из каждого утюга. Нам обещают все более реалистичные виртуальные миры или, как минимум, дополненную реальность. Виртуальная реальность, как в знаменитой трилогии «Матрица», пока в будущем. А вот виртуализация внутри процессора — реальное настоящее.
Зачем нужна виртуализация на домашнем компьютере
Вот простой пример: вы используете для работы и игр Windows, но при этом хотите изучить, например, Linux. Значит, нужно, чтобы эта операционная система находилась под рукой. Или занимаетесь программированием под Android или iOS. В этом случае постоянно требуется проверка разработанного приложения в родной среде.
Без виртуализации пришлось бы устанавливать на один компьютер две операционные системы, делать загрузчик и запускать каждую операционную систему поочередно. Или еще хуже — стирать одну ОС, устанавливать другую с переносом данных, переустановкой нужных приложений и так далее.
Так вот виртуализация позволяет обойтись без всех этих сложных процедур. Используя ее,можно запускать несколько операционных систем одновременно (одну внутри другой или две параллельно) и работать в той среде, которая нужна под конкретную задачу.
Виртуализация в бизнесе
Главная задача виртуализации — оптимальное использование производительности и мощности современной компьютерной техники в бизнес-приложениях, где используется мощное и дорогое оборудование.
Например, ваша организация собирается поставить почтовый сервер для обработки поступающей и исходящей переписки, а еще развернуть DNS и WEB-сервер. Сколько для этого нужно серверных машин? Достаточно одной. Потому что на ней, в виртуально разделенных друг от друга «песочницах», на одном и том же железе заработают как бы три отдельных компьютера, выполняющие каждый свою задачу. Так вы разместите на одном компьютере сразу три отдельных сервера и используете всю мощность и производительность техники, окупив потраченные средства.
Разумеется, так как мощность и производительность серверных систем и пропускная способность каналов связи постоянно растет, у виртуализации появляется все больше возможностей для применения. Наглядный пример из относительно недавно запущенных и находящихся у всех на слуху — сервис GeForce Now, благодаря которому можно на слабых компьютерах запускать современные игры.
Фактически это удаленные виртуальные компьютеры, выделенные сервисом под конкретного игрока. Собственная техника выступает только как терминальное устройство, для которого уже не так важна производительность процессора и видеокарты.
Основные направления развития виртуализации
В целом виртуализация как технология сейчас развивается по трем основным направлениям:
Как работает виртуализация
Мы разобрались с тем, что виртуализация — это хорошо и полезно. А что требуется для того, чтобы она заработала на вашем конкретном компьютере? Надо чтобы процессор поддерживал виртуализацию.
То есть, он должен уметь работать с несколькими системами команд одновременно – например, от одной операционной системы и от другой. А значит, выполнять инструкции, выделять адреса и место под хранение данных так, чтобы они работали только в нужной среде, да еще и взаимодействовали с интерфейсом, портами ввода-вывода, видеокартами и прочими узлами компьютера.
Такая технология есть у обоих крупных производителей процессоров для ПК: у Intel она называется Intel VT, у AMD — AMD –V.
Особенности Intel VT
Впервые о разработке технологии виртуализации компания Intel объявила еще в 2005 году. И с тех пор Intel VT постоянно совершенствуется и расширяется.
Корпорация Intel описывает Intel VT как технологию, развивающую несколько основных направлений. На сегодня это:
Особенности AMD–V
Процессоры AMD по цене доступнее Intel, но это совсем не говорит о том, что они хуже. Есть мнение, что как раз наоборот. Многие игровые платформы строятся именно на основе процессоров, чипсетов и видеокарт этой компании.
И, конечно же, у главного конкурента Intel есть свой набор функций, реализующих аналогичные процессы виртуализации. Точно также на машинах, собранных на процессоре и чипсете AMD, можно развернуть несколько операционных систем и обеспечить их работу с периферийными устройствами, сетью, памятью и пр. или, например, запустить критичное приложение в изолированной среде.
Включение виртуализации на компьютере
Непосредственный запуск виртуальных машин выполняется с помощью специальных приложений:
Но до того, как вы запустите эти программы и приступите к установке и настройке виртуальных машин, вам потребуется включить виртуализацию.
Дело в том, что по умолчанию в настройках BIOS большинства материнских плат виртуализация отключена. И ее необходимо включить в соответствующем разделе, который называется у каждого производителя по-своему, например, «Virtualization Technology» изменив значение опции с «Disabled» на «Enabled».
Если такой опции нет, то может оказаться так, что прошивка вашей материнской платы или процессор (хотя такое сейчас возможно только на старых моделях) виртуализацию не поддерживает. В этом редком, но возможном случае использовать преимущества виртуализации не получится.
Такая функция отключена в BIOS некоторых моделей ноутбуков Aser Aspire, позиционируемых производителем, как техника для домашнего использования.
Но в подавляющем большинстве случаев, вы просто включаете в BIOS виртуализацию, сохраняете настройки и после этого можете устанавливать и запускать гипервизоры или менеджеры виртуальных машин и приступать к работе с ними, управляя несколькими вычислительными процессами в разных оболочках одновременно.
Зачем же нужна виртуализация?
Слово «виртуализация» в последнее время стало какой-то «модой» в ИТ-среде. Все вендоры железа и ПО, все ИТ-компании в один голос кричат, что виртуализация – это круто, современно, и нужно всем. Но, давайте, вместо того, чтобы идти на поводу у маркетинговых лозунгов (а иногда бывают такими, что сам Геббельс умер бы от зависти), попытаемся посмотреть на это модное слово с точки зрения простых «технарей» и решить, нужно нам это или нет.
Типы виртуализации
Виртуализация приложений – достаточно интересное, и относительно новое направление. Рассказывать здесь подробно о нем я не буду, поскольку это тема для целой отдельной статьи. Коротко говоря, виртуализация приложений позволяет запускать отдельное приложение в своей собственной изолированной среде (иногда называется «песочница», sandbox). Такой способ помогает решить множество проблем. Во-первых – опять же безопасность: приложение, запущенное в изолированной среде – не способно нанести вред ОС и другим приложениям. Во-вторых – все виртуализированные приложения можно обновлять централизованно из одного источника. В-третьих – виртуализация приложений позволяет запускать на одном физическом ПК несколько разных приложений, конфликтующих друг с другом, или даже несколько разных версий одного и того же приложения. Более подробно о виртуализации приложений можно посмотреть, к примеру, в этом вебкасте: www.techdays.ru/videos/1325.html Возможно, однажды я даже напишу статью на эту тему.
И, наконец, перейдем к виртуализации серверов и остановимся на ней подробно.
Виртуализация серверов – это программная имитация с помощью специального ПО аппаратного обеспечения компьютера: процессор, память, жесткий диск, и т.д. Далее, на такой виртуальный компьютер можно установить операционную систему, и она будет на нем работать точно так же, как и на простом, «железном» компьютере. Самое интересное достоинство этой технологии – это возможность запуска нескольких виртуальных компьютеров внутри одного «железного», при этом все виртуальные компьютеры могут работать независимо друг от друга. Для чего это можно применять?
Первое, что приходит в голову – виртуализацию серверов можно использовать в целях обучения и в тестовых целях. К примеру, новые приложения или ОС можно протестировать перед запуском в промышленную эксплуатацию в виртуальной среде, не покупая специально для этого «железо» и не рискуя парализовать работу ИТ-инфраструктуры, если что-то пойдет не так.
Но кроме этого, виртуализация серверов может использоваться и в продакшн-среде. Причин тому много.
Виртуализация позволяет сократить количество серверов благодаря консолидации, то есть там, где раньше требовалось несколько серверов – теперь можно поставить один сервер, и запустить нужное число гостевых ОС в виртуальной среде. Это позволит сэкономить на стоимости приобретения оборудования, а так же снизить энергопотребление, а значит и тепловыделение системы – и, следовательно, можно использовать менее мощные, и, соответственно – более дешевые системы охлаждения. Но у этой медали есть и обратная сторона, и не одна. Дело в том, что при внедрении решений на базе виртуализации, скорее всего придется покупать новые сервера. Дело в том, что виртуальные сервера используют аппаратные ресурсы физического сервера, и, соответственно – понадобятся более мощные процессоры, большие объемы оперативной памяти, а так же более скоростная дисковая подсистема, и, скорее всего – большего объема. Кроме того, некоторые системы виртуализации (в частности – MS Hyper-V) требуют поддержки процессором аппаратных технологий виртуализации (Intel VT или AMD-V) и некоторых других функций процессора. Многие процессоры, которые выпускались до недавнего времени, в частности – все x86_32bit – этим требованиям не удовлетворяют, и поэтому от старых, хотя и вполне рабочих серверов придется отказаться. Однако же, один более мощный сервер скорее всего будет стоить намного дешевле нескольких менее мощных, да и старые сервера, скорее всего давно пора менять из-за морального устаревания.
Есть еще один очень важный момент: виртуализация северов позволяет до предела упростить администрирование инфраструктуры. Главное преимущество, которое оценят все сисадмины – это возможность удаленного доступа к консоли виртуальных серверов на «аппаратном», точнее – «вирутально-аппаратном» уровне, независимо от установленной гостевой ОС и ее состояния. Так, чтобы перезагрузить «зависший» сервер, теперь не нужно бежать в серверную, или покупать дорогостоящее оборудование типа IP-KVM-переключателей, достаточно просто зайти в консоль виртуального сервера и нажать кнопку «Reset». Помимо этого, виртуальные сервера поддерживают технологию моментальных снимков (о ней см. мою предыдущую статью), а так же бэкап и восстановление виртуальных систем намного легче.
Еще одно неоспоримое преимущество – ОС, запущенная внутри виртуальной машины (гостевая ОС) понятия не имеет, какое оборудование установлено на физическом сервере, внутри которого она работает (хост). Поэтому, при замене железа, при апгрейде или даже переезде на новый сервер необходимо обновить драйверы только на ОС самого хоста (хостовой ОС). Гостевые ОС по будут работать как и раньше, поскольку «видят» только виртуальные устройства.
Так же, хочется напомнить, что в виртуальной среде могут действовать особые правила лицензирования ПО (в частности, покупка лицензии на Microsoft Windows Server 2008 Enterprise позволяет использовать бесплатно четыре копии ОС в качестве гостевой, а Microsoft Windows Server 2008 Datacenter вообще разрешает использовать неограниченное число гостевых ОС при условии полного лицензирования по процессорам).
Еще нельзя не упомянуть о технологиях отказоустойчивости. Физические сервера, на которых запускаются виртуальные машины, могут быть объединены в кластер, и в случае отказа одного из серверов – автоматически «переезжать» на другой. Полной отказоустойчивости добиться не всегда возможно (в частности, в MS Hyper-V такой «внезапный переезд» будет выглядеть так же, и иметь такие же возможные последствия, как внезапное обесточивание сервера), но возможные простои сильно сократятся: «переезд» занимает несколько минут, тогда как ремонт или замена самого сервера может занять часы, а то и дни. Если же «переезд» виртуальных машин происходит в штатном режиме, то он может пройти совершенно незаметно для пользователей. Такие технологии у разных вендоров называются по-разному, к примеру у MS она называется «Live Migration», у VMware – Vmotion. Использование таких технологий позволит проводить работы, связанные с выключением сервера (к примеру – замену некоторых аппаратных компонент, или перезагрузку ОС после установки критических обновлений) в рабочее время и не выгоняя пользователей из их любимых приложений. Кроме этого, если инфраструктура построена соответствующим образом – запущенные виртуальные машины могут автоматически перемещаться на менее нагруженные сервера, или же наоборот «разгружать» наиболее загруженные. В инфраструктуре на базе технологий Microsoft для этого используются System Center Virtual Machine Manager и Operations Manager.
В заключение темы по виртуализации серверов — отмечу, что виртуализация не всегда одинаково полезна. В частности, не всегда будет хорошей идеей переносить в виртуальную среду высоконагруженные сервера, а особенно — высоконагруженные по дисковой подсистеме — это «тяжелые» СУБД, Exchange Server, особенно — роль Mailbox Server, и прочие высоконагруженные приложения. А вот сервера с меньшей нагрузкой (контроллеры доменов AD, WSUS, всевозможные System Center * Manager, веб-сервера) виртуализировать можно и даже нужно. Замечу, кстати, что именно с контроллерами доменов — очень желательно, чтобы хотя бы один из контроллеров был «железным», то есть не виртуальным. Нужно это потому, что для корректной работы всей инфраструктуры желательно, чтобы при запуске всех остальных серверов хотя бы один КД уже был доступен в сети.
Резюме
Итак, давайте подведем итоги: какая именно виртуализация когда может пригодиться, и какие у нее есть плюсы и минусы.
Если у вас есть много пользователей, работающих с одинаковым набором ПО, и система сильно распределена территориально – то стоит подумать об использовании виртуализации представлений, сиречь – терминальных службах.
Если у вас существует множество приложений, которые некорректно работают в новой ОС, либо же конфликтуют между собой, или необходимо запускать на одном компьютере несколько версий одной и той же программы – то нужна виртуализация на уровне приложений.
Если же вам нужно освободить место в стойке, снизить энергопотребление систем, избавиться от «серверного зоопарка» — то ваше решение – виртуализация серверов.
Недостатки – в принципе, те же, что и у терминальных решений:
Надеюсь, моя статья окажется для кого-то полезной. Благодарность и конструктивную критику, как всегда, можно высказать в комментариях.
Как упростить разработку с помощью виртуализации
Человек, работая за компьютером, постоянно запускает разные программы. У программистов количество приложений, необходимых для работы, может исчисляться десятками. Более того, иногда приходится запускать программы, которые работают только в другой операционной системе, отличной от той, в которой работает программист.
В качестве примера можно привести проекты на Хекслете, где в рамках задания студенту нужно записать, что происходит в терминале. Эта задача становится трудновыполнимой, если ваша основная система — Windows. Программа, которая записывает терминал — asciinema, работает только в Linux. Как можно решить эту проблему? И почему нельзя просто взять и запустить программу из одной ОС в другой операционной системе?
Начнём с того, что программы, которые мы пишем, не взаимодействуют напрямую с железом. Например, когда мы вводим символы на клавиатуре, их сначала обрабатывает специальный драйвер, встроенный в операционную систему, и только потом они попадают в поле ввода и отображаются. В данном случае обработка настолько быстрая, что мы даже не задумываемся о ней. То же самое в отображении: мы запускаем множество разных процессов, просто двигая курсор мыши. Одна из главных задач операционных систем — предоставить возможность программам взаимодействовать с железом компьютера, и в разных операционных системах для этого используются разные функции.
Операционные системы — одни из самых сложных программ, если не самые сложные. Они разрабатывались разными людьми и в разное время. Логично, что подходы к работе с устройствами в них кардинально отличаются. Это одна из основных причин, почему нельзя просто скопировать программу в другую операционную систему и запустить её там. В качестве примера, не связанного с железом, можно сказать, что графические оболочки разных ОС тоже полностью отличаются. Например, в Linux нет понятий «Кнопка пуск» или «трей». В некоторых реализациях отсутствуют даже привычные нам всем окна.
Но всё же у разработчиков часто возникает потребность запуска программ, работающих только в одной ОС, и эта проблема имеет решение.
Самый очевидный способ — купить второй компьютер, но это дорогое удовольствие. Второй вариант — поставить Linux рядом со своей основной операционной системой. Такая установка может завершиться неудачей, так как операционные системы, как правило, не ожидают, что рядом с ними будет работать другая похожая программа. Но если всё получилось, во время старта компьютера вы сможете выбрать ОС для загрузки. Существует также и третий путь — виртуализация, о ней и поговорим.
Узнайте больше об операционных системах У нас есть курс по операционным системам. Зарегистрированные пользователи могут пройти его бесплатно. Другие бесплатные курсы можно найти по ссылке.
Что такое виртуализация
Виртуализация позволяет запускать в текущей операционной системе программы, созданные для другой операционной системы. Это возможно благодаря виртуальной машине, которая работает внутри текущей операционной системы. На виртуальную машину устанавливается любая нужная в данный момент ОС. Стоит сказать, что виртуальных машин может быть много, каждая из них при этом выглядит как отдельный компьютер со своими характеристиками.
Виртуализация имеет очень богатую историю, а первая операционная система с её поддержкой появилась еще в 1968 году. Тогда же программисты поняли, что если можно запустить одну виртуальную машину, значит можно запустить и вторую, и третью. Возникла потребность управлять множеством таких машин, и появился первый гипервизор. По сути, это операционная система для управления виртуальными машинами.
Например, у нас есть две виртуальные машины, которые мы хотим использовать одновременно. Каждая из них должна иметь свой виртуальный жесткий диск и оперативную память. Логично, что кто-то должен следить за тем, чтобы одна из операционных систем случайно не начала записывать данные в области памяти, которые использует другая виртуальная машина. Этим как раз и занимается гипервизор: он изолирует и разделяет ресурсы виртуальных машин.
Операционная система (или компьютер), внутри которой запускается виртуальная машина, называется хост-системой (host), а ОС, работающую в виртуальном окружении, называют гостевой (guest).
Гипервизоры, по большому счёту, делятся на два типа: которые работают внутри операционной системы хоста, и для запуска которых хостовая ОС не нужна. Последние умеют работать прямо на голом железе. На настольных компьютерах наибольшее распространение получил первый тип.
В качестве примеров гипервизоров первого типа можно привести: VMware Workstation, QEMU и VirtualBox. А ко второму типу относится, например, автономный гипервизор VMware ESX.
Какие существуют виды виртуализации
Виртуализацию делят на три вида в зависимости от подхода к её реализации.
Программная виртуализация
Этот вид также подразделяется на несколько подвидов. В статье мы не будем подробно рассматривать каждый из них, так как в настоящее время программная виртуализация используется не так широко. Виртуальные машины на её основе значительно менее производительные по сравнению с другими видами виртуализации. Если интересно с чем это связано, подробнее можно почитать в Википедии.
Аппаратная виртуализация
Для её работы требуется поддержка со стороны процессора. Наибольшее распространение получили технологии Intel-VT и AMD-V, в настоящее время большинство процессоров для домашних компьютеров поддерживают одну из них. Аппаратная виртуализация не получила бы такого широкого распространения, если бы не преимущества, которые обеспечивает данный подход. Эти преимущества описаны ниже.
Первое преимущество: при аппаратной виртуализации виртуальные машины управляются гипервизором напрямую, в отличие от программной виртуализации, где, например, решение о выделении памяти для виртуальной машины сначала принимает операционная система хоста, и только после подтверждения гипервизор может предоставить ей ресурсы. Благодаря этому производительность гостевых ОС значительно повышается и достигает эффективности, сравнимой с реальным компьютером с такой же конфигурацией.
Второе преимущество: так как конфигурация виртуальной машины полностью эмулируется гипервизором, установщик операционной системы не нужно модифицировать. Выбираем нужные устройства в настройках, подключаем любой стандартный установочный образ нужной операционной системы и запускаем виртуальную машину. Более того, если у вас ещё сохранился процессор с 32-битной архитектурой, с помощью аппаратной виртуализации можно настроить виртуальную машину с 64-битным процессором и установить соответствующую ОС. Независимость от платформы хоста открывает поистине бесконечные возможности для экспериментов.
Контейнеризация или контейнерная виртуализация
Это виртуализация на уровне операционной системы. Если аппаратная виртуализация полностью эмулирует оборудование и позволяет запускать любые ОС, внутри контейнера можно запустить только аналогичную хосту операционную систему. Преимуществом этого подхода является скорость, с которой создаётся контейнер — секунды, тогда как для запуска виртуальной машины счёт времени идёт на минуты. Так происходит потому, что полноценной виртуальной машине нужно сначала инициализировать всё оборудование, запустить эмуляцию и только после этого начать загружать операционную систему. При контейнеризации ОС по факту уже работает. Остаётся только создать замкнутую среду — тот самый контейнер, в котором будет запущен ещё один экземпляр операционной системы.
Контейнер представляет собой всего лишь один процесс, внутри которого выполняется операционная система. Она существует в своём собственном мире, со своей сетью, своим диском, своей файловой системой и так далее. Эту виртуализацию применяют на уровне сервисов, составляющих части программного продукта. Наиболее известные проекты: OpenVZ, Docker, LXC.Так как Docker очень широко применятся в разработке, у нас есть подробный гайд о том, что это такое, как с ним работать и какие он даёт преимущества — Как и для чего использовать Docker.
Дополнительные возможности виртуализации
В начале 2000-x компания VMWare быстро захватила корпоративный рынок, выпустив гипервизор ESX Server и создав тем самым конкурентную среду. Начиная с этого момента технологии виртуализации стали стремительно развиваться. Огромное количество предприятий начали использовать виртуализацию для решения разных задач.
Резервное копирование
Виртуальная машина по сути представляет из себя набор файлов конфигурации и жесткого диска, а оперативную память тоже можно сохранить в виде файла. Учитывая эти особенности и возможность «заморозить» работу виртуальной машины, стало возможным делать бэкапы виртуальных серверов целиком. Потом, в случае поломки сервера, можно восстановить его из резервной копии. При этом не важно, будет он работать физически на этом же железе или новом, главное, чтобы был установлен нужный гипервизор. Помните, что аппаратная виртуализация даёт независимость от хост-платформы?
Возможность «заморозить» (поставить на паузу) работу виртуальной машины можно использовать для быстрого переключения между окружениями. Допустим, вы разрабатываете приложение для Windows. У вас открыто окно соответствующего редактора, запущены вспомогательные процессы и так далее. Но в тоже время вам нужно работать над другим проектом с совершенно другим окружением и в другой операционной системе.
Работая в виртуальной среде, можно поставить виртуальную машину на паузу и поработать над другим проектом. А когда нужно будет вернуться к первому, достаточно просто оживить виртуальную машину и продолжить работу с того места, на котором вы остановились. Так сохраняется контекст и экономится время, так как всё нужное, вплоть до интерфейса окон, уже настроено и правильно расположено на экране.
Быстрое создание среды для разработки
Современные веб-проекты требуют установки и настройки большого количества инструментария, библиотек и их зависимостей, серверов баз данных и так далее. Контейнеризация позволяет свести множество действий к запуску пары команд в терминале.
Виртуализация серверов
Так как на одном физическом сервере может располагаться множество виртуальных машин, на которых запущены другие серверы, расходы на их содержание значительно упали. В данный момент можно очень дешево арендовать ресурсы такого виртуального сервера VPS. На таких серверах, например, часто хостятся сайты.