CC BY
11УДК 62
Е.А. Федотов, В.Н. Федотова, М.И. Поляничка
АНАЛИЗ МЕТОДОВ ВИРТУАЛИЗАЦИИ ПРИМЕНЯЕМЫХ В ИНФРАСТРУКТУРЕ ПРЕДПРИЯТИЯ
Рассмотрены основные методы виртуализации, применяемые в инфраструктуре предприятия. Проанализированы причины использования виртуализации в информационных технологиях. Показаны дальнейшие пути развития виртуализации в информационных системах.
Ключевые слова: виртуализация, отказоустойчивость, пара-виртуализация, информационные технологии, операционная система.
Полная виртуализация является методом виртуализации, которая используется для обеспечения определенного вида среды виртуальной машины, а именно полного моделирования основных аппаратных средств. Полная виртуализация требует, чтобы каждая характерная черта аппаратного обеспечения была отражена в одной из нескольких виртуальных машин, в том числе - полный набор команд, операции ввода/вывода, прерывания, доступ к памяти и все другие элементы, которые используются программным обеспечением, запущенным на "голой" машине и которое предназначено для запуска в виртуальной машине. Каждое действие и нюанс оригинального оборудования необходимо передать виртуальной системе [1-3].
Полная виртуализация достаточно редко используется, так как это достаточно большое обязательство и некоторые системные производители препятствуют этому. Намного более распространение получила частичная виртуализация, где все необходимые системные биты присутствуют, но физическая система аппаратных средств обращается с большой частью вычислений низкого уровня и функций.
На машине с полной виртуализацией, программное обеспечение эмулирует оригинальную машину настолько точно, что можно установить любую программу без преобразований и дополнительных шагов. Виртуальный интерфейс имитирует аппаратное обеспечение до такой степени, что приложение будет работать точно так же, как и на оригинальной системе. В частичной виртуализации почти всегда есть задержка на установленном программном обеспечении, так как команды перемещаются между эмулятором и фактическими аппаратными средствами.
Существует несколько причин, по которым полная виртуализация используется в информационных технологиях. Когда машина и его операционная система (ОС) полностью виртуализированы, можно предоставлять это отдельным пользователям как полный рабочий стол. Пользователи смогут использовать его как хотят, изменяя любые настройки и устанавливая любые программы. Если возникнет проблема, то администраторы могут удалить отдельный сегмент пользователя и выделить ему новый.
Таким же образом отделена изолированная система аппаратного или программного обеспечения в полной среде виртуализации от имеющегося оборудования машины. Это означает, что пользователь, независимо от того, что он может сделать, никогда не будет на самом деле взаимодействовать с физическим оборудованием. Следовательно, деструктивные действия пользователя, случайные или намеренные, не принесут вреда реальной системе.
Последняя причина является наиболее технически важной. Поскольку система программного обеспечения не ограничивается фактическим аппаратным, присутствующим в системе, виртуальное оборудование может быть изменено для улучшения производительности по сравнению с исходной машиной. Резервные или ненужные аппаратные средства могут быть удалены. Существует возможность изменить параметры аппаратных средств таким образом, что было невозможно с оригинальным оборудованием. Такая возможность позволяет системе работать с максимальной эффективностью, что почти невозможно у реальной системы аппаратного обеспечения.
Потребность в виртуализации с аппаратной поддержкой происходит из-за того, что существуют неявные ограничения в виртуализации, основанной на программном обеспечении. Одной из основных проблем, связанных с управлением виртуализацией только через программное обеспечение является то, что архитектура х86 использует концепцию уровней привилегий для машинных команд. Наиболее привилегированные операции, которые зарезервированы для ОС, имеют уровень привилегий 0. Виртуальная система, которая работает поверх хостовой, не может непосредственно получить доступ к 0 уровню привилегий и поэтому инструкции, переданные на хост, подвергаются преобразованию, занимающему много
© Федотов Е.А., Федотова В.Н., Поляничка М.И., 2015.
Вестник магистратуры. 2015. № 11 (50). Т. 1.
ISSN 2223-4047
времени. Хотя некоторые изобретательные методы развивались годами, для передачи привилегированных инструкций на хост, даже в самом лучшем случае, этот метод приносит значительную нагрузку на систему.
Паравиртуализация появилась как метод для минимизации этих нагрузок путем предоставления API с гипервизора. Таким образом, гость может использовать привилегированные операции, но паравиртуализация добавляет дополнительную сложность, требуя изменений в гостевой системе - либо в рамках исходного кода, либо на уровне двоичного кода. Аппаратная виртуализация сокращает участие в управлении вопросами перевода привилегий и адресного пространства в хост-системе.
VT-х расширения компании Intel в виртуализации обеспечивают лучшую производительность и более широкий спектр функций с аппаратной поддержкой без модификации гостевой системы или других осложнений. VT-i расширения обеспечивают аналогичную функциональность для систем Intel Itanium, а технология компании AMD, AMD-V приносит подобный спектр возможностей для AMD чипов. Использование виртуализации с аппаратной поддержкой позволяет иметь более простой и меньший по размеру код гипервизора и почти родную производительность виртуальной машины. Виртуализация с аппаратной поддержкой обеспечивает три ключевых усовершенствования производительности по сравнению с программными решениями:
1.Более быстрая передача контроля за платформой между гостевой операционной системой и виртуальной машиной;
2.Безопасная передача прав на использование определенных устройств ввода/вывода гостевой операционной системой;
3.Оптимизированная сеть для виртуализации с ускорением, основанным на адаптере.
Паравиртуализация позволяет нескольким ОС работать на оборудовании в одно и тоже время, используя системные ресурсы более производительно, путем эффективного распределения ресурсов. В отличие от полной виртуализации, где вся система эмулируется (BIOS, диск, процессор, NIC и т.д.), модуль управления в паравиртуализации (гипервизор или монитор виртуальной машины) работает с ОС, которая была изменена для работы в виртуальной машине.
Абстракция, созданная с паравиртуализацией обычно, означает, что операционные системы выступят лучше, чем полная модель виртуализации, где все элементы должны быть эмулированы. Тем не менее, эта эффективность приходит за счет гибкости и безопасности. Гибкость теряется, поскольку ОС должна быть изменена, чтобы запуститься с паравиртуализацией. Это означает, что конкретная операционная система или дистрибутив не могут быть доступными для использования. Например, Red Hat Linux, Enterprise Linux или Windows Server могут быть недоступны в качестве гостевой операционной системы для конкретной задачи. Безопасность снижается, так как гостевая операционная система имеет контроль над основными аппаратными средствами, слегка увеличивая риск воздействия на более низкий уровень оборудования, что может отразиться на все остальные гостевые операционные системы на хосте.
Кроме повышения производительности, эффективность паравиртуализации также может привести к улучшению масштабирования. Если полная система виртуализации требует 10% мощности процессора на одну гостевую операционную систему, то для размещения шести операционных систем на один процессор приведет к тому, что одной гостевой операционной системе не будет хватать ресурсов, когда все шесть запущены и каждый из них занимает 10% ЦПУ в дополнение к накладным расходам. Паравиртуализация, требующая лишь 2% ЦПУ на одну гостевую операционную систему, могла бы обеспечить восемь операционных систем на один процессор, также затрачивая 10% ЦПУ на одну ОС.
Виртуализация операционных систем относится к технологии виртуализации серверов, которая предполагает адаптацию операционной системы таким образом, что она может запускать различные приложения, управляемые несколькими пользователями одновременно на одном компьютере. Операционные системы не будут мешать друг другу, даже если они находятся на том же компьютере.
При такой виртуализации ОС работает как несколько различных индивидуальных систем. Виртуа-лизированная среда принимает команды от различных пользователей, использующих различные приложения на одной машине. Пользователи и их запросы обрабатываются раздельно виртуальной операционной системой. Виртуализация ОС обеспечивает независимость приложений от ОС. Техника виртуализации ОС предлагает детальный контроль на уровне приложений путем способствования свободного перемещения определенных приложений. Более высококачественная миграция степени детализации реализует большую гибкость, приводящую к снижению накладных расходов.
Виртуализация ОС также может быть использована для переноса критически важных приложений под управление другого экземпляра ОС. Обновления и патчи базовой операционной системы выполняются своевременно, и практически не имеют влияния на доступность приложений. Процессы в виртуальной среде ОС изолированы и их взаимодействия с экземпляром основной ОС контролируются.
Список литературы
1. Graziano, Charles David, "A performance analysis of Xen and KVM hypervisors for hosting the Xen Worlds Project" (2011). Graduate Theses and Dissertations. Paper 12215.
2. Передовые технологии защиты данных специально для виртуальной среды [Электронный ресурс]. URL: http: // www.veeam.com (дата обращения 20.09.2015).
3. vCenter Operations Management Suite [Электронный ресурс]. URL: http: // www.vmware.com/ru/products/vcenter-operations-management (дата обращения 20.09.2015)
ФЕДОТОВ ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - старший преподаватель кафедры программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, Россия.
ФЕДОТОВА ВИКТОРИЯ НИКОЛАЕВНА - магистрант кафедры программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, Россия.
ПОЛЯНИЧКА МАКСИМ ИГОРЕВИЧ - магистрант кафедры программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, Россия.
