Виртуализация: новый подход к построению IT-инфраструктуры
Что такое виртуализация и виртуальные машины
Информационные технологии принесли в жизнь современного общества множество полезных и интересных вещей. Каждый день изобретательные и талантливые люди придумывают все новые и новые применения компьютерам как эффективным инструментам производства, развлечения и сотрудничества. Множество различных программных и аппаратных средств, технологий и сервисов позволяют нам ежедневно повышать удобство и скорость работы с информацией. Все сложнее и сложнее выделить из обрушивающегося на нас потока технологий действительно полезные и научиться применять их с максимальной пользой. В этой статье пойдет речь о еще одной невероятно перспективной и по-настоящему эффективной технологии, стремительно врывающейся в мир компьютеров — технологии виртуализации.
В широком смысле, понятие виртуализации представляет собой сокрытие настоящей реализации какого-либо процесса или объекта от истинного его представления для того, кто им пользуется. Продуктом виртуализации является нечто удобное для использования, на самом деле, имеющее более сложную или совсем иную структуру, отличную от той, которая воспринимается при работе с объектом. Иными словами, происходит отделение представления от реализации чего-либо. В компьютерных технологиях под термином «виртуализация» обычно понимается абстракция вычислительных ресурсов и предоставление пользователю системы, которая «инкапсулирует» (скрывает в себе) собственную реализацию. Проще говоря, пользователь работает с удобным для себя представлением объекта, и для него не имеет значения, как объект устроен в действительности.
Сам термин «виртуализация» в компьютерных технологиях появился в шестидесятых годах прошлого века вместе с термином «виртуальная машина», означающим продукт виртуализации программно-аппаратной платформы. В то время виртуализация была, скорее, интересной технической находкой, чем перспективной технологией. Разработки в сфере виртуализации в шестидесятых-семидесятых годах проводились только компанией IBM. С появлением в компьютере IBM M44/44X экспериментальной системы пэйджинга, впервые был употреблен термин «виртуальная машина» (virtual machine), который заменил более ранний термин «псевдо машина» (pseudo machine). Затем в мэйнфреймах IBM серии System 360/370, можно было использовать виртуальные машины для сохранения предыдущих версий операционных систем. До конца девяностых годов никто кроме IBM так и не решался использовать эту оригинальную технологию всерьез. Однако в девяностых годах стали очевидны перспективы подхода виртуализации: с ростом аппаратных мощностей, как персональных компьютеров, так и серверных решений, вскоре представится возможность использовать несколько виртуальных машин на одной физической платформе.
В 1997 году компания Connectix выпускает первую версию Virtual PC для платформы Macintosh, а в 1998 году VMware патентует свои техники виртуализации. Компания Connectix впоследствии была куплена корпорацией Microsoft, а VMware корпорацией EMC, и на данный момент обе эти компании являются двумя основными потенциальными конкурентами на рынке технологий виртуализации в будущем. Потенциальными — потому что сейчас VMware безоговорочный лидер на этом рынке, однако у Microsoft, как всегда, есть козырь в рукаве.
Со времени своего появления термины «виртуализация» и «виртуальная машина» приобрели множество различных значений и употреблялись в разных контекстах. Давайте попробуем разобраться с тем, что такое виртуализация на самом деле.
Виды виртуализации
Виртуализация платформ
Под виртуализацией платформ понимают создание программных систем на основе существующих аппаратно-программных комплексов, зависящих или независящих от них. Система, предоставляющая аппаратные ресурсы и программное обеспечение, называется хостовой (host), а симулируемые ей системы — гостевыми (guest). Чтобы гостевые системы могли стабильно функционировать на платформе хостовой системы, необходимо, чтобы программное и аппаратное обеспечение хоста было достаточно надежным и предоставляло необходимый набор интерфейсов для доступа к его ресурсам. Есть несколько видов виртуализации платформ, в каждом из которых осуществляется свой подход к понятию «виртуализация». Виды виртуализации платформ зависят от того, насколько полно осуществляется симуляция аппаратного обеспечения. До сих пор нет единого соглашения о терминах в сфере виртуализации, поэтому некоторые из приведенных далее видов виртуализации могут отличаться от тех, что предоставят другие источники.
При таком виде виртуализации виртуальная машина полностью виртуализует все аппаратное обеспечение при сохранении гостевой операционной системы в неизменном виде. Такой подход позволяет эмулировать различные аппаратные архитектуры. Например, можно запускать виртуальные машины с гостевыми системами для x86-процессоров на платформах с другой архитектурой (например, на RISC-серверах компании Sun). Долгое время такой вид виртуализации использовался, чтобы разрабатывать программное обеспечение для новых процессоров еще до того, как они были физически доступными. Такие эмуляторы также применяют для низкоуровневой отладки операционных систем. Основной минус данного подхода заключается в том, что эмулируемое аппаратное обеспечение весьма и весьма существенно замедляет быстродействие гостевой системы, что делает работу с ней очень неудобной, поэтому, кроме как для разработки системного программного обеспечения, а также образовательных целей, такой подход мало где используется.
В этом случае виртуальная машина виртуализует лишь необходимое количество аппаратного обеспечения, чтобы она могла быть запущена изолированно. Такой подход позволяет запускать гостевые операционные системы, разработанные только для той же архитектуры, что и у хоста. Таким образом, несколько экземпляров гостевых систем могут быть запущены одновременно. Этот вид виртуализации позволяет существенно увеличить быстродействие гостевых систем по сравнению с полной эмуляцией и широко используется в настоящее время. Кроме того, в целях повышения быстродействия в платформах виртуализации, использующих данный подход, применяется специальная «прослойка» между гостевой операционной системой и оборудованием (гипервизор), позволяющая гостевой системе напрямую обращаться к ресурсам аппаратного обеспечения. Гипервизор, называемый также «Монитор виртуальных машин» (Virtual Machine Monitor) — одно из ключевых понятий в мире виртуализации. Применение гипервизора, являющегося связующим звеном между гостевыми системами и аппаратурой, существенно увеличивает быстродействие платформы, приближая его к быстродействию физической платформы.
К минусам данного вида виртуализации можно отнести зависимость виртуальных машин от архитектуры аппаратной платформы.
Сутью данного вида виртуализации является виртуализация физического сервера на уровне операционной системы в целях создания нескольких защищенных виртуализованных серверов на одном физическом. Гостевая система, в данном случае, разделяет использование одного ядра хостовой операционной системы с другими гостевыми системами. Виртуальная машина представляет собой окружение для приложений, запускаемых изолированно. Данный тип виртуализации применяется при организации систем хостинга, когда в рамках одного экземпляра ядра требуется поддерживать несколько виртуальных серверов клиентов.
Этот вид виртуализации не похож на все остальные: если в предыдущих случаях создаются виртуальные среды или виртуальные машины, использующиеся для изоляции приложений, то в данном случае само приложение помещается в контейнер с необходимыми элементами для своей работы: файлами реестра, конфигурационными файлами, пользовательскими и системными объектами. В результате получается приложение, не требующее установки на аналогичной платформе. При переносе такого приложения на другую машину и его запуске, виртуальное окружение, созданное для программы, разрешает конфликты между ней и операционной системой, а также другими приложениями. Такой способ виртуализации похож на поведение интерпретаторов различных языков программирования (недаром интерпретатор, Виртуальная Машина Java (JVM), тоже попадает в эту категорию).
Примером такого подхода служат: Thinstall, Altiris, Trigence, Softricity.
Виртуализация ресурсов
При описании виртуализации платформ мы рассматривали понятие виртуализации в узком смысле, преимущественно применяя его к процессу создания виртуальных машин. Однако если рассматривать виртуализацию в широком смысле, можно прийти к понятию виртуализации ресурсов, обобщающим в себе подходы к созданию виртуальных систем. Виртуализация ресурсов позволяет концентрировать, абстрагировать и упрощать управление группами ресурсов, таких как сети, хранилища данных и пространства имен.
Многим это слово известно как сокрытие объектом внутри себя своей реализации. Применительно к виртуализации, можно сказать, что это процесс создания системы, предоставляющей пользователю удобный интерфейс для работы с ней и скрывающей подробности сложности своей реализации. Например, использование центральным процессором кэша для ускорения вычислений не отражается на его внешних интерфейсах.
Виртуализация ресурсов, в отличие от виртуализации платформ, имеет более широкий и расплывчатый смысл и представляет собой массу различных подходов, направленных на повышение удобства обращения пользователей с системами в целом. Поэтому, далее мы будем опираться в основном на понятие виртуализации платформ, поскольку технологии, связанные именно с этим понятием, являются в данный момент наиболее динамично развивающимися и эффективными.
Где применяется виртуализация
С приходом эры виртуальных машин будет бессмысленно делать себе рабочую станцию с ее привязкой к аппаратуре. Теперь создав однажды виртуальную машину со своей рабочей или домашней средой, можно будет использовать её на любом другом компьютере. Также можно использовать готовые шаблоны виртуальных машин (Virtual Appliances), которые решают определенную задачу (например, сервер приложений). Концепция такого использования виртуальных рабочих станций может быть реализована на основе хост-серверов для запуска на них перемещаемых десктопов пользователей (нечто подобное мэйнфреймам). В дальнейшем эти десктопы пользователь может забрать с собой, не синхронизируя данные с ноутбуком. Этот вариант использования также предоставляет возможность создания защищенных пользовательских рабочих станций, которые могут быть использованы, например, для демонстрации возможностей программы заказчику. Можно ограничить время использования виртуальной машины — и по прошествии этого времени виртуальная машина перестанет запускаться. В этом варианте использования заложены большие возможности.
Все перечисленные варианты использования виртуальных машин фактически являются лишь сферами их применения в данный момент, со временем, несомненно, появятся новые способы заставить виртуальные машины работать в различных отраслях IT. Но давайте посмотрим, как сейчас обстоят дела с виртуализацией.
Как работает виртуализация сегодня
На сегодняшний день проекты по виртуализации IT-инфраструктуры активно внедряются многими ведущими компаниями, занимающимися системной интеграцией и являющимися авторизованными партнерами провайдеров систем виртуализации. В процессе виртуализации IT-инфраструктуры создается виртуальная инфраструктура – комплекс систем на основе виртуальных машин, обеспечивающих функционирование всей IT-инфраструктуры, обладающий многими новыми возможностями при сохранении существующей схемы деятельности IT-ресурсов. Вендоры различных платформ виртуализации готовы предоставить информацию об успешных проектах по внедрению виртуальной инфраструктуры в крупных банках, промышленных компаниях, больницах, образовательных учреждениях. Множество достоинств виртуализации операционных систем позволяют компаниям экономить на обслуживании, персонале, аппаратном обеспечении, обеспечении бесперебойной работы, репликации данных и восстановлении после сбоев. Также рынок виртуализации начинает наполняться мощными средствами управления, миграции и поддержки виртуальных инфраструктур, позволяющими использовать преимущества виртуализации наиболее полно. Давайте посмотрим, как именно виртуализация позволяет компаниям, внедряющим у себя виртуальную инфраструктуру, экономить деньги.
10 причин использовать виртуальные машины
При использовании виртуальных машин существенно повышается управляемость в отношении создания резервных копий, создания снимков состояний виртуальных машин («снапшотов») и восстановлений после сбоев.
Порой, стоимость развертывания одного виртуального сервера равна стоимости еще одного физического, в определенных условиях это может оказаться нецелесообразным. К счастью, есть множество бесплатных решений, но они, в основном, ориентированы на домашнего пользователя и малый бизнес.
Несмотря на перечисленные и вполне устранимые недостатки, виртуализация продолжает набирать обороты, и в 2007 году ожидается существенное расширение, как рынка платформ виртуализации, так и средств управления виртуальными инфраструктурами. За последние несколько лет интерес к виртуализации вырос в разы, что можно увидеть по статистике Google Trends:
Тем не менее, в связи со сложностью и высокой стоимостью развертывания и поддержки виртуальной инфраструктуры, а также трудностью правильной оценки возвращения инвестиций, многие проекты по виртуализации увенчались неудачей. По результатам исследований, проведенных Computer Associates среди различных компаний, предпринявших попытки виртуализации, 44 процента не могут охарактеризовать результат как успешный. Это обстоятельство сдерживает многие компании, планирующие проекты по виртуализации. Проблему составляет также факт отсутствия по-настоящему грамотных специалистов в этой области.
Что ждет виртуализацию в будущем
2006 год стал для технологий виртуализации ключевым: множество новых игроков пришли на этот рынок, множество релизов платформ виртуализации и средств управления, а также немалое количество заключенных партнерских соглашений и альянсов, говорят о том, что в будущем технология окажется очень и очень востребованной. Рынок средств виртуализации находится в заключительной стадии своего формирования. Множество производителей аппаратного обеспечения заявили о поддержки технологий виртуализации, а это верный залог успеха любой новой технологии. Виртуализация становится ближе к людям: упрощаются интерфейсы для использования виртуальных машин, появляются, не закрепленные пока официально, соглашения об использовании различных средств и техник, упрощается миграция с одной виртуальной платформы на другую. Безусловно, виртуализация займет свою нишу в списке необходимых технологий и инструментальных средств при проектировании IT-инфраструктуры предприятий. Обычные пользователи также найдут свое применение виртуальным машинам. С ростом производительности аппаратных платформ настольных компьютеров появится возможность поддерживать на одной машине несколько пользовательских окружений и переключаться между ними.
Производители аппаратного обеспечения также не собираются оставаться на месте: помимо существующих техник аппаратной виртуализации, вскоре появятся аппаратные системы, нативно поддерживающие виртуализацию и предоставляющие удобные интерфейсы для разрабатываемого программного обеспечения. Это позволит быстро разрабатывать надежные и эффективные платформы виртуализации. Возможно, что любая устанавливаемая операционная система будет сразу виртуализовываться, а специальное низкоуровневое ПО, при поддержке аппаратных функций, будет осуществлять переключение между запущенными операционными системами без ущерба для производительности.
Сама идея, заложенная в технологиях виртуализации, открывает широкие возможности по их использованию. Ведь, в конечном счете, все делается для удобства пользователя и упрощения использования привычных ему вещей. А можно ли на этом существенно экономить деньги, покажет время.
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.
