Чем может быть полезна виртуализация

Технологии аппаратной виртуализации

Бурное развитие рынка технологий виртуализации за последние несколько лет произошло во многом благодаря увеличению мощностей аппаратного обеспечения, позволившего создавать по-настоящему эффективные платформы виртуализации, как для серверных систем, так и для настольных компьютеров. Технологии виртуализации позволяют запускать на одном физическом компьютере (хосте) несколько виртуальных экземпляров операционных систем (гостевых ОС) в целях обеспечения их независимости от аппаратной платформы и сосредоточения нескольких виртуальных машин на одной физической. Виртуализация предоставляет множество преимуществ, как для инфраструктуры предприятий, так и для конечных пользователей. За счет виртуализации обеспечивается существенная экономия на аппаратном обеспечении, обслуживании, повышается гибкость ИТ-инфраструктуры, упрощается процедура резервного копирования и восстановления после сбоев. Виртуальные машины, являясь независимыми от конкретного оборудования единицами, могут распространяться в качестве предустановленных шаблонов, которые могут быть запущены на любой аппаратной платформе поддерживаемой архитектуры.

До недавнего времени усилия в области виртуализации операционных систем были сосредоточены в основном в области программных разработок. В 1998 году компания VMware впервые серьезно обозначила перспективы развития виртуальных систем, запатентовав программные техники виртуализации. Благодаря усилиям VMware, а также других производителей виртуальных платформ, и возрастающим темпам совершенствования компьютерной техники, корпоративные и домашние пользователи увидели преимущества и перспективы новой технологии, а рынок средств виртуализации начал расти стремительными темпами. Безусловно, такие крупные компании, как Intel и AMD, контролирующие большую часть рынка процессоров, не могли оставить эту перспективную технологию без внимания. Компания Intel первая увидела в новой технологии источник получения технологического превосходства над конкурентами и начала работу над усовершенствованием x86 архитектуры процессоров в целях поддержки платформ виртуализации. Вслед за Intel компания AMD также присоединилась к разработкам в отношении поддержки аппаратной виртуализации в процессорах, чтобы не потерять позиции на рынке. В данный момент обе компании предлагают модели процессоров, обладающих расширенным набором инструкций и позволяющих напрямую использовать ресурсы аппаратуры в виртуальных машинах.

Развитие аппаратных техник виртуализации

Виртуализация представляет собой эмуляцию нескольких виртуальных процессоров для каждой из гостевых операционных систем. При этом технология виртуального SMP позволяет представлять несколько виртуальных процессоров в гостевой ОС при наличии технологии HyperThreading или нескольких ядер в физическом процессоре.

Преимущества аппаратной виртуализации над программной

Как работает аппаратная виртуализация

Необходимость поддержки аппаратной виртуализации заставила производителей процессоров несколько изменить их архитектуру за счет введения дополнительных инструкций для предоставления прямого доступа к ресурсам процессора из гостевых систем. Этот набор дополнительных инструкций носит название Virtual Machine Extensions (VMX). VMX предоставляет следующие инструкции: VMPTRLD, VMPTRST, VMCLEAR, VMREAD, VMREAD, VMWRITE, VMCALL, VMLAUNCH, VMRESUME, VMXON и VMXOFF.

Процессор с поддержкой виртуализации может работать в двух режимах root operation и non-root operation. В режиме root operation работает специальное программное обеспечение, являющееся «легковесной» прослойкой между гостевыми операционными системами и оборудованием — монитор виртуальных машин (Virtual Machine Monitor, VMM), носящий также название гипервизор (hypervisor). Слово «гипервизор» появилось интересным образом: когда-то очень давно, операционная система носила название «supervisor», а программное обеспечение, находящееся «под супервизором», получило название «гипервизор».

Чтобы перевести процессор в режим виртуализации, платформа виртуализации должна вызвать инструкцию VMXON и передать управление гипервизору, который запускает виртуальную гостевую систему инструкцией VMLAUNCH и VMRESUME (точки входа в виртуальную машину). Virtual Machine Monitor может выйти из режима виртуализации процессора, вызвав инструкцию VMXOFF.

Каждая из гостевых операционных систем запускается и работает независимо от других и является изолированной с точки зрения аппаратных ресурсов и безопасности.

Отличие аппаратной виртуализации от программной

Классическая архитектура программной виртуализации подразумевает наличие хостовой операционной системы, поверх которой запускается платформа виртуализации, эмулирующая работу аппаратных компонентов и управляющая аппаратными ресурсами в отношении гостевой операционной системы. Реализация такой платформы достаточно сложна и трудоемка, присутствуют потери производительности, в связи с тем, что виртуализация производится поверх хостовой системы. Безопасность виртуальных машин также находится под угрозой, поскольку получение контроля на хостовой операционной системой автоматически означает получение контроля над всеми гостевыми системами.

В отличие от программной техники, с помощью аппаратной виртуализации возможно получение изолированных гостевых систем, управляемых гипервизором напрямую. Такой подход может обеспечить простоту реализации платформы виртуализации и увеличить надежность платформы с несколькими одновременно запущенными гостевыми системами, при этом нет потерь производительности на обслуживание хостовой системы. Такая модель позволит приблизить производительность гостевых систем к реальным и сократить затраты производительности на поддержание хостовой платформы.

Недостатки аппаратной виртуализации

Стоит также отметить, что аппаратная виртуализация потенциально несет в себе не только положительные моменты. Возможность управления гостевыми системами посредством гипервизора и простота написания платформы виртуализации с использованием аппаратных техник дают возможность разрабатывать вредоносное программное обеспечение, которое после получения контроля на хостовой операционной системой, виртуализует ее и осуществляет все действия за ее пределами.

Наглядно эта процедура выглядит так:

Однако, не стоит преувеличивать опасность. Разработать вредоносную программу, использующую технологии виртуализации все равно гораздо сложнее, нежели, пользуясь «традиционными» средствами, эксплуатирующими различные уязвимости в операционных системах. При этом главное допущение, которое делается теми, кто утверждает, что такое вредоносное ПО сложнее в обнаружении и более того, может не использовать «дырки» в ОС, действуя исключительно «в рамках правил», состоит в том, что якобы виртуализованная операционная система не в состоянии обнаружить, что она запущена на виртуальной машине, что есть исходно неверная посылка. Соответственно, антивирусное обеспечение имеет все возможности обнаружить факт заражения. А, следовательно, пропадает и смысл разрабатывать столь ресурсоемкий и сложный троян, учитывая наличие куда более простых способов вторжения.

Технологии виртуализации компаний Intel и AMD

Компании Intel и AMD, являясь ведущими производителями процессоров для серверных и настольных платформ, разработали техники аппаратной виртуализации для их использования в платформах виртуализации. Эти техники не обладают прямой совместимостью, но выполняют в основном схожие функции. Обе они предполагают наличие гипервизора, управляющего не модифицированными гостевыми системами, и имеют возможности для разработки платформ виртуализации без необходимости эмуляции аппаратуры. В процессорах обеих компаний, поддерживающих виртуализацию, введены дополнительные инструкции для их вызова гипервизором в целях управления виртуальными системами. В данный момент группа, занимающаяся исследованием возможностей аппаратных техник виртуализации, включает в себя компании AMD, Intel, Dell, Fujitsu Siemens, Hewlett-Packard, IBM, Sun Microsystems и VMware.

Виртуализация Intel

Компания Intel официально объявила о запуске технологии виртуализации в начале 2005 года на конференции Intel Developer Forum Spring 2005. Новая технология получила кодовое название Vanderpool и официальное Intel Virtualization Technology (сокращенно Intel VT). Технология Intel VT содержит в себе некоторое множество техник различного класса, имеющих номера версий VT-x, где x — литер, указывающий на подвид аппаратной техники. Была заявлена поддержка новой технологии в процессорах Pentium 4, Pentium D, Xeon, Core Duo и Core 2 Duo. Intel также опубликовала спецификации на Intel VT для Itanium-based процессоров, где технология виртуализации фигурировала под кодовым именем «Silvervale» и версией VT-i. Однако, начиная с 2005 года, новые модели процессоров Itanium не поддерживают x86 инструкции аппаратно, и x86-виртуализация может быть использована на архитектуре IA-64 только с помощью эмуляции.

Для включения технологии Intel VT в компьютерные системы, компания Intel сотрудничала с производителями материнских плат, BIOS и периферийного оборудования, чтобы обеспечить совместимость Intel VT с существующими системами. Во многих компьютерных системах технология аппаратной виртуализации может быть выключена в BIOS. Спецификации на Intel VT говорят, что для поддержки этой технологии не достаточно одного лишь поддерживающего ее процессора, необходимо также наличие соответствующих чипсетов материнской платы, BIOS и программного обеспечения, использующего Intel VT. Список поддерживающих Intel VT процессоров приведен далее:

Процессоры для настольных платформ:

Процессоры для ноутбуков:

Процессоры для серверных платформ:

Компания Intel планирует также развивать технологию под названием Virtualization for Directed I/O к Intel VT, имеющую версию VT-d. На данный момент известно, что это существенные изменения в архитектуре ввода-вывода, которые позволят улучшить защищенность, робастность и производительность виртуальных платформ, использующих аппаратные техники виртуализации.

Виртуализация AMD

Компания AMD, так же, как и компания Intel, не так давно взялась за доработку архитектуры процессоров с целью поддержки виртуализации. В мае 2005 года компания AMD объявила о начале внедрения поддержки виртуализации в процессоры. Официальное название, которое получила новая технология — AMD Virtualization (сокращенно AMD-V), а ее внутреннее кодовое имя — AMD Pacifica. Технология AMD-V является логическим продолжением технологии Direct Connect для процессоров AMD64, направленной на повышение производительности компьютерных систем за счет тесной прямой интеграции процессора с другими компонентами аппаратного обеспечения.

В списке далее приведены процессоры, поддерживающие функции аппаратной виртуализации AMD-V. Поддержка этих функций должна работать во всех процессорах серии AMD-V для настольных компьютеров под Socket AM2, начиная со степпинга F. Необходимо также отметить, что процессоры Sempron не поддерживают аппаратную виртуализацию.

Процессоры для настольных платформ:

Для ноутбуков поддерживаются процессоры с брендом Turion 64 X2:

Для серверных платформ поддерживаются следующие процессоры Opteron:

Программное обеспечение, поддерживающее аппаратную виртуализацию

На данный момент, абсолютное большинство вендоров программных платформ виртуализации заявило о поддержке технологий аппаратной виртуализации Intel и AMD. Виртуальные машины на этих платформах могут быть запущены при поддержке аппаратной виртуализации. Кроме того, во многих операционных системах, в дистрибутив которых включены программные платформы паравиртуализации, такие как Xen или Virtual Iron, аппаратная виртуализация позволит запускать неизмененные гостевые операционные системы. Так как паравиртуализация является одним из видов виртуализации, требующих модификации гостевой операционной системы, реализация в платформах паравиртуализации поддержки аппаратной виртуализации является для этих платформ весьма приемлемым решением, с точки зрения возможности запуска не модифицированных версий гостевых систем. В приведенной далее таблице перечислены основные популярные платформы виртуализации и программное обеспечение, поддерживающие технологии аппаратной виртуализации:

Аппаратная виртуализация сегодня

Компания VMware, входящая в исследовательскую группу аппаратных техник виртуализации, в конце 2006 года провела исследование в отношении собственной программной виртуализации в сравнении с аппаратными технологиями виртуализации компании Intel. В документе «A Comparison of Software and Hardware Techniques for x86 Virtualization» были зафиксированы результаты этого исследования (на процессоре 3.8 GHz Intel Pentium 4 672 с отключенной технологией Hyper-Threading). Один из экспериментов проводился с помощью систем тестов SPECint2000 и SPECjbb2005, являющихся стандартом де-факто для оценки производительности компьютерных систем. В качестве гостевой системы использовалась ОС Red Hat Enterprise Linux 3, управляемая программным и аппаратным гипервизором. Ожидалось, что аппаратная виртуализация даст коэффициент производительности около ста процентов в отношении нативного запуска операционной системы. Однако результаты оказались весьма неожиданными: в то время как программный гипервизор без использования аппаратных техник виртуализации давал 4 процента потерь производительности в отношении нативного запуска, аппаратный гипервизор, в целом, терял 5 процентов производительности. Результаты этого теста приведены на рисунке далее:

Выводы

Поддержка технологий аппаратной виртуализации в процессорах открывает широкие перспективы по использованию виртуальных машин в качестве надежных, защищенных и гибких инструментов для повышения эффективности виртуальных инфраструктур. Наличие поддержки аппаратных техник виртуализации в процессорах не только серверных, но и настольных систем, говорит о серьезности намерений производителей процессоров в отношении всех сегментов рынка пользователей компьютерных систем. Использование аппаратной виртуализации в перспективе должно уменьшить потери производительности при запуске нескольких виртуальных машин на одном физическом сервере. Безусловно, аппаратная виртуализация повысит защищенность виртуальных систем в корпоративных средах. Сейчас простота разработки платформ виртуализации с использованием аппаратных техник привела к появлению новых игроков на рынке средств виртуализации. Вендоры систем паравиртуализации широко применяют аппаратную виртуализацию для запуска не модифицированных гостевых систем. Дополнительным преимуществом аппаратных техник виртуализации является возможность запуска 64-битных гостевых систем на 32-битных версиях платформ виртуализации (например, VMware ESX Server).

Не стоит воспринимать результаты производительности, как единственно верные. Объективная оценка производительности различных аппаратных и программных платформ для виртуализации является нетривиальной задачей, упомянутая рабочая группа в составе SPEC работает над созданием набора стандартных методов для оценки таких систем. На сегодня можно отметить, что средства виртуализации от AMD являются технически более совершенными, нежели реализованные Intel. Многое зависит и от используемого ПО, к примеру, в отличие от VMWare, есть значительно более «отзывчивые» к аппаратной поддержке среды, например, Xen 3.0.

Источник

01 — Виртуализация рабочих мест. Что это и с чем едят

Как мы и обещали в анонс-посте, мы открываем цикл статей по виртуализации рабочего пространства.

Тема “модная” на западе, и ее развивают достаточно давно, как технологически (программно), так и с точки зрения аппаратной части. Если вы слышали о таких словах, как “тонкие клиенты”, “виртуализация”, “bring your own device”, “удаленный доступ к данным”, то, скорее всего, вы слышали о какой-либо из частей этого необъятного моря виртуализации рабочих мест.

И, прежде чем углубляться в изучение данной темы, пожалуй, стоит провести небольшой ликбез и ответить на самые простые вопросы, чтобы упорядочить те обрывки информации, которые уже есть у некоторых читателей в головах. Ну а тем, кто уже “в теме”, думаем, тоже будет интересно почитать, вдруг что-нибудь новое узнаете, или увидите проблему под другим углом?

Итак, виртуализация рабочего места. Что она из себя представляет? Прежде чем ответить на данный вопрос, предлагаем вам задуматься вообще о самом термине «рабочее пространство» и такой фразе, как «виртуализация рабочего места».

С точки зрения IT, конечно же, первые ассоциации будут с рабочим компьютером (и рабочим столом, как физическим, так и “виртуальным”, который вам предлагает ваша операционная система). И именно виртуальный рабочий стол (системы) является отличным примером того, как виртуализируется рабочее место. На рабочем столе находятся активные (текущие) документы, программы, с которыми вы работаете в данный момент, а многозадачность ОС и удобная файловая система упрощают вашу работу.

Лет тридцать назад вместо Word’а на рабочем столе (реальном) вполне могла бы стоять печатающая машинка

(и хорошо, если это был какой-нибудь модный Selectric от IBM, с функцией удаления опечаток).

Вместо приложения “калькулятор” — его “десктопный” аналог, подключенный к розетке или автономный. Вместо поиска от Google — толстая стопка папок, пронумерованная по годам (или буквам алфавита). Вместо адресной книги почтового клиента — телефонный справочник и стопка конвертов. Вместо систем CAD/CAE — набор чертежных принадлежностей и технической документации. Ну а что было ещё чуть раньше… лучше не вспоминать.

За картинку спасибо mikejum, у него есть интересный пост, посвящённый счётам.

Сейчас все эти бумажно-аппаратные комплексы перенесены внутрь компьютеров, а сами компьютеры (и даже мобильные телефоны) по цене сравнимы с деревянной мебелью из IKEA. Сравните сложность производства стула, и, скажем, центрального процессора по техпроцессу в 45 нанометров. А ведь их стоимость сопоставима, и, порой, отличается не в 10-20 раз, а в 2-3. И, тем не менее, рабочее место до сих пор часто выглядит далёким от рафинированных промо-материалов без проводов, питания, в конно-сферических условиях в вакууме; а на наших столах всё ещё лежат документы, письменные принадлежности, стоит телефон, да мало ли чего ещё?

Наверняка почти у каждого на столе не только компьютер, но и прочие предметы офисного быта.

Что отличает процесс виртуализации, шедший последние 100 лет от того процесса, который идёт сегодня? Масштабы и скорость. Виртуализация рабочего места сегодня — это перенос вашего компьютера (и всех его приложений) в “виртуальное” состояние, и выполняется оно подобно тому, как в прошлом “аппаратные” помощники офисных служащих получили свои цифровые аналоги, после чего оказались в музеях.

Если раньше виртуализация стермилась отвязать вас от множества конкретных вещей, то в наше время виртуализация рабочих мест — способ отвязать вас от конкретного “железа” компьютера. Вместо большого, занимающего место системного блока — маленькая коробочка, размером с домашний роутер, или монитор-моноблок.

Вместо блока питания на 350 ватт — небольшой и экономичный БП, как у ноутбуков, не требующий активного охлаждения. Вместо отдельных мест для бухгалтеров, инженеров и менеджеров — универсальные рабочие места, готовые к работе в любое время. Все программы, данные и настройки — на сервере, “железо” которого рассчитано на постоянные нагрузки, имеет коэффициент надежности “четыре девятки”, а ПО грамотно распределяет доступные ресурсы между активыми пользователями. Простаивающий компьютер инженера никак не поможет экономить на электроэнергии или ускорить работу его соседа. Виртуализация рабочих мест (в актуальном прочтении) решает эти и многие другие проблемы. Причем развертывание новых рабочих станций и расширение занимает минуты против часов в “классическом” случае. А вместо “неудобного” компьютера вы можете использовать ваш привычный ноутбук или планшет с док-станцией и внешним монитором. А самое главное — внутри компании практически с любого компьютера вы можете получить доступ к своим документам, файлам и приложениям за считанные секунды, и при этом не бояться ни потенциальной утечки данных, ни нарушений уровня допуска, ни потенциальных дыр в защите чужого компьютера. Ни файлов, ни данных, ни чего-либо хоть сколько-нибудь ценного на клиенте не хранится.

Что же умеет виртуализация сегодня, и какие технологии применяются в отрасли?

У обоих подходов есть как сильные, так и слабые стороны, но, прежде чем о них говорить, надо понять, чем они отличаются.

VDI — virtual desktop infrastructure — программно-аппаратный комплекс, который работает следующим образом: имеется сервер с серверной ОС, на котором крутятся “образы” с клиентскими операционками. Часть файлов у образов общая, часть — раздельная, но суть заключается в том, что у каждого из пользователей — свой образ операционки, а доступ к нему осуществляется (как правило, но из правил есть и исплючения) через тонкие клиенты. На тонком клиенте крутится либо специальная версия Windows (с приставкой Embedded), которая обеспечивает подключение к серверу и работу с “образом ОС”. который хранится на сервере, либо очень маленькая операционная система, единственным назначением которой является загрузка “железа” и базовых драйверов, поиск и подключение к серверу и вывод виртуального рабочего стола на ваш монитор.

RDP/RDS — remode desktop protocol / remote desktop services — программно-аппаратный комплекс, который работает иначе, нежели VDI. Главное отличие заключается в том, что серверная ОС является вашей рабочей средой: все программы запускаются прямо на сервере (внутри его ОС), и по протоколу RDP вы получаете доступ к конкретным приложениям или пользовательскому рабочему столу, но при этом никакого “образа” с вашей личной ОС на сервере нет, максимум — папка с пользовательским профилем и данными / документами. Доступ по протоколу RPD требует его поддержки на клиентской стороне, что накладывает определенные ограничения как на серверные, так и на пользовательские технологии.

Преимуществом VDI перед RDS является изолированное рабочее пространство для пользователей и большая свобода в выборе ПО и аппаратной части как серверов, так и пользовательских устройств. Также VDI-подход обеспечивает большую надежность в работе и немного проще в настройке и использовании.

RDS-подход может сэкономить ваши средства на лицензиях на софт (не требуется приобретения отдельного Гипервизора, т.к. его фунцкионал уже встроен в серверную ОС), требует чуть меньше аппаратаных ресурсов сервера, позволяет реализовывать интересные программные решения для совместной работы нескольких специалистов над одним проектом, но накладывает соответствующие ограничения в виду одной ОС для всех подключенных пользователей и имеет недостатки, прямо вытекающие из достоинств.

Производительность при большом числе подключений будет ниже, чем у VDI-решения, настройка и реализация — сложней, а количество подключений может ограничиваться не только аппаратными возможностями серверного железа, но и программно, на уровне ОС или приложений.

Мы еще расскажем подробнее о каждом из подходов, об их сильных и слабых сторонах, с примерами, картинками и полным набором всего того, без чего не обходится хорошая статья на Хабре. Пока же вернемся к виртуализации рабочих мест, есть еще кое-что, что необходимо упомянуть, прежде чем двигаться дальше.

Существует еще одно модное нынче течение и связанный с ним тип виртуализации. Речь идет о BYOD (“bring your own device”, “притащи свою железку”) и виртуализации приложений.

Реализаций у BYOD‘а — масса, начиная со спонсирования покупки того железа, с которым вы хотите работать (ноутбука, моноблока или еще какого-нибудь девайса), заканчивая бонусами в денежном эквиваленте, если вы приносите своё собственное устройство или работаете по удаленке, появляясь в офисе только тогда, когда это действительно необходимо.

Для работодателя BYOD выгоден тем, что он не тратится на покупку рабочих станций, а дает возможность выбрать работнику самому, на чем трудиться. Обычно IT-отделы хорошо понимают свои потребности и способны воплотить их наиболее точно, самостоятельно выбрав необходимые железки. Для пользователя BYOD выгоден тем, что он использует привычные и удобные ему инструменты, любимую клавиатуру с привычным расположением символов и функциональных клавиш, мышь, которая сидит в руке “как влитая”, и так далее.

Виртуализация приложений “проецирует” нужное вам приложение с сервера на ваш девайс, прозрачно для вас или в отдельном “окне” с рабочим столом, в зависимости от реализации. Все данные и рабочие файлы могут храниться одновременно в двух местах, в зашифрованном хранилище на локальном устройстве и в storag’e на сервере, а доступ к приложениям и данным может быть получен не только с ноутбука или домашнего компьютера, но и с планшета или телефона. У данного подхода есть много различных реализаций, отличающихся подходами, отвечающими за безопасность и сохранность данных, способами авторизации, доступностью с мобильных устройств и много чем еще, он сочетает в себе как большое количество плюсов, так и весомые минусы (особенно беспокоит BYOD безопасников и отделы, связанные с конфиденциальной информацией).

С базовыми понятиями виртуализации рабочих мест, а также с актуальными тенденциями в этой сфере, вроде бы, мы закончили. У вас остались вопросы? Есть, что добавить? Имели опыт работы с “виртуалками”? Хочется поделиться впечатлениями? Мы ждем вас в комментариях!

Источник