Аппаратная виртуализация

Аппаратная виртуализация позволяет создавать виртуальные машины (ВМ) на физическом оборудовании с максимально эффективным распределением ресурсов. Как она работает, каких типов бывает и какие преимущества дает бизнесу — разбираемся в статье.

Аппаратная виртуализация позволяет создавать виртуальные машины (ВМ) на физическом оборудовании с максимально эффективным распределением ресурсов. Как она работает, каких типов бывает и какие преимущества дает бизнесу — разбираемся в статье.

Как это работает

Базовый уровень любого типа представления — сервер. Обработка данных выполняется на физическом оборудовании вне зависимости от степени абстракции.

При аппаратном представлении на сервер устанавливается гипервизор. Это программа, создающая наборы виртуальных мощностей. Что такое гипервизор, мы рассматривали в отдельной статье.

Верхний уровень абстракции — виртуальные машины. На первый взгляд она не отличается от традиционного сервера. По сути же ВМ состоит из одного виртуального диска и файлов, которые описывают ее характеристики. 

Виртуальная машина устанавливается на аппаратный гипервизор. И уже на подготовленную ВМ ставятся операционные системы, программное обеспечение. 

Проиллюстрировать концепцию можно на примере книги. Допустим, физический сервер с установленным ПО — это книга. Объект, который можно взять с полки, переместить в пространстве. Если вам нужно сделать копию такой книги, чтобы передать ее другому человеку, то придется потратить много ресурсов. Перепечатать или отсканировать каждую страницу, скрепить все листы, сделать переплет.

Настроенная ВМ с выделенными мощностями и установленными приложениями — это цифровая версия книги. Можно создавать сколько угодно копий, затрачивая минимум времени и сил. Сделайте резервную копию для себя, перенесите копию на другую машину, передайте другому пользователю. В случае с серверами такую простоту распространения и управления обеспечивает виртуализация процессора и других ресурсов.

Аппаратная поддержка

Чтобы запуск ВМ стал возможным, распределение ресурсов должно поддерживаться процессорами. Есть две основные технологии от крупных производителей — Intel VT и AMD-V.

Обе технологии развиваются сразу в нескольких направлениях. Основное — CPU Virtualization. Это позволяет запускать на одном процессоре несколько систем, работающих параллельно или вложенных друг в друга. 

Также развиваются технологии виртуального графического представления и ввода-вывода. Они помогают организовывать удаленный доступ или совместное использование физического оборудования, например, при организации дистанционных рабочих мест или для онлайн-игр.

Типы аппаратной виртуализации

Выделяют следующие типы виртуализации:

• Полная виртуализация — это подход, при котором оборудование имитируется полностью. В итоге получается среда, которую можно запускать на разных серверах без длительной настройки. 
• Паравиртуализация — для виртуальной машины создается специальная версия ОС. Она может быть изменена или перекомпилирована с учетом того, какие аппаратные ресурсы предоставляет сервер.
• Представление с аппаратной поддержкой — полностью виртуализированная ВМ создается с использованием аппаратного обеспечения компьютера.

Выбор типа зависит от того, какие задачи нужно решать.

Отличия аппаратного представления от программного

Мы разобрались, что такое виртуализация на аппаратном уровне и каких типов она бывает. Но существует еще программное представление. Оно подразумевает использование хостовой системы. При таком подходе добавляется еще один уровень абстракции:

1. Физический сервер, у которого есть некоторые ресурсы.
2. Хостовая операционная система.
3. Гипервизор — программа, которая устанавливается в хостовой ОС.
4. Виртуальные машины — программы, которые устанавливаются и управляются через гипервизор.

Добавление дополнительного слоя абстракции усложняет процесс и снижает производительность «железа». Физическое оборудование тратит ресурсы на работу хостовой ОС и гипервизора. Есть и другие проблемы:

• Если в работе хостовой системы возникнут проблемы, то пострадают все развернутые внутри нее ВМ. Они просто не получат доступ к мощностям физического оборудования, так как один уровень абстракции утерян.
• Проблемы с безопасностью становятся глобальными. Если скомпрометировать хостовую ОС, то под угрозой окажутся и все развернутые на ней ВМ.
• Невозможно обновить или переустановить хостовую систему без остановки ВМ.

Для решения простых пользовательских задач подходит программная виртуализация. Например, ее можно использовать, чтобы протестировать другую операционную систему внутри основной. Без такого типа пришлось бы ставить рядом несколько ОС и постоянно переключаться между ними.

Для бизнес-задач используется аппаратная виртуализация, которая обеспечивает высокую производительность и безопасность. Здесь главное — эффективная трата ресурсов.

Преимущества для бизнеса

Технология виртуализации имеет целый ряд преимуществ. Выделим главные:

• Экономичность — снижаются затраты на приобретение, настройку, обслуживание физического оборудования. Вместо нескольких серверов можно использовать одну мощную машину, на которой система виртуализации отвечает за разделение мощностей между ВМ, выполняющими разные задачи.
• Гибкость — конфигурацию ВМ можно настроить один раз и сохранить в виде образа, а затем раскатывать на разном оборудовании или, например, переносить между серверами на timeweb.cloud.
• Масштабируемость — при увеличении нагрузки можно в короткий срок поднять дополнительные ВМ, которые добавят недостающие ресурсы и сделают работу более стабильной.
• Отказоустойчивость — в любой момент вы можете сделать снимок состояния ВМ. Для надежности созданные копии распределяются географически. В таком случае даже выход из строя части оборудования не обрушивает инфраструктуру. Повышается нагрузка на работающую часть, но это быстро исправляется поднятием дополнительных ресурсов.
• Безопасность — ВМ изолированы друг от друга. Компрометация одной машины не приводит к проблемам в работе другой машины.

При аппаратной виртуализации внешние приложения не отличают виртуальные машины от физических серверов. Гостевые ОС исполняются на процессоре без виртуализации. Более того, одна гостевая ОС ничего не знает о других ОС, которые на самом деле находятся с ней на одном физическом оборудовании. Такая изолированность помогает поддерживать высокий уровень безопасности.

Виртуализацию используют крупные компании, малый и средний бизнес, отдельные пользователи. Она помогает выстроить гибкую инфраструктуру любого размера, которую легко масштабировать и защитить от внешних и внутренних угроз.