Maszyny wirtualne i hipernadzorcy

Wirtualizacja pozwala jednemu serwerowi fizycznemu udawać wiele oddzielnych komputerów. Każdy taki komputer to maszyna wirtualna (VM) z własnym systemem operacyjnym, aplikacjami, wirtualnym procesorem, pamięcią i dyskiem. Maszyny wirtualne współdzielą rzeczywisty sprzęt znajdujący się pod nimi, ale pozostają od siebie odizolowane.

To podstawa współczesnych centrów danych i chmury. Zamiast uruchamiać jedną aplikację na jednym fizycznym komputerze, pojedynczy wydajny serwer może obsługiwać dziesiątki maszyn wirtualnych, znacznie ograniczając koszty, zużycie energii i zajmowaną powierzchnię.

Hypervisor (nazywany również Virtual Machine Monitor) to warstwa oprogramowania, która tworzy i uruchamia maszyny wirtualne. Dzieli fizyczny procesor, pamięć RAM i przestrzeń dyskową, przydzielając ich części poszczególnym maszynom wirtualnym oraz utrzymując ich izolację, aby awaria jednej nie wyłączyła sąsiednich.

Hypervisor planuje dostęp do rzeczywistego sprzętu, podobnie jak system operacyjny planuje działanie aplikacji. Dla każdego systemu operacyjnego gościa wygląda to tak, jakby maszyna wirtualna posiadała kompletny komputer fizyczny.

Hypervisor typu 1 działa bezpośrednio na sprzęcie, bez systemu operacyjnego hosta pod spodem. Ponieważ działa na bare metal, jest szybki, wydajny i bezpieczny, dlatego wybiera się go do serwerów produkcyjnych i chmur.

• VMware ESXi
• Microsoft Hyper-V
• KVM (Kernel-based Virtual Machine)
• Xen

Centra danych korzystają z hypervisorów typu 1, aby jeden host mógł jednocześnie obsługiwać wielu dzierżawców.

Hypervisor typu 2 działa jako aplikacja na zwykłym systemie operacyjnym, takim jak Windows lub macOS. Jest łatwy w instalacji i świetnie nadaje się do testowania, nauki oraz pracy na komputerach osobistych, ale działa wolniej, ponieważ żądania najpierw przechodzą przez system operacyjny hosta.

• VMware Workstation i Fusion
• Oracle VirtualBox
• Parallels Desktop

Typu 2 należy używać do uruchamiania systemu Linux na laptopie, a typu 1 do obsługi farmy serwerów.

Host to maszyna fizyczna oraz hypervisor, który uruchamia wszystkie elementy. Guest OS to system operacyjny zainstalowany wewnątrz maszyny wirtualnej. Można swobodnie łączyć różnych gości: jeden host może jednocześnie uruchamiać Windows Server, Ubuntu Linux i starszą wersję systemu Windows.

Każdy system gościa zakłada, że ma dedykowany sprzęt, ale wszystkie współdzielą pulę procesora i pamięci hosta zgodnie z harmonogramem hypervisora.

Administratorzy przydzielają każdej maszynie wirtualnej część vCPU (wirtualnych rdzeni procesora), pamięci RAM i przestrzeni dyskowej. Overcommitting oznacza przydzielenie łącznie większej liczby zasobów wirtualnych, niż host ma fizycznie, przy założeniu, że nie wszystkie maszyny wirtualne osiągną szczytowe obciążenie jednocześnie.

Odpowiednio zastosowane rozwiązanie zwiększa wydajność wykorzystania zasobów, ale nieostrożne prowadzi do rywalizacji o zasoby, w której maszyny wirtualne konkurują o procesor lub pamięć i działają wolniej. Właściwe dobranie rozmiaru każdej maszyny wirtualnej pomaga utrzymać przewidywalną wydajność.

Snapshot przechwytuje dokładny stan maszyny wirtualnej w określonym momencie. Jeśli poprawka lub zmiana spowoduje problemy, można w ciągu kilku sekund przywrócić stan z migawki. Cloning kopiuje całą maszynę wirtualną, aby szybko utworzyć jej identyczną nową wersję.

Funkcje te sprawiają, że maszyny wirtualne są znacznie bardziej elastyczne niż serwery fizyczne, których odbudowa po awarii mogłaby zająć wiele godzin. Migawki nie są jednak kopiami zapasowymi, ponieważ znajdują się na tym samym magazynie hosta.

Kontenery (takie jak Docker) są lżejszą formą wirtualizacji. Zamiast posiadać osobny, kompletny system operacyjny gościa, kontenery współdzielą jądro hosta i zawierają tylko aplikację oraz jej zależności. Uruchamiają się w ciągu milisekund i zużywają znacznie mniej pamięci.

Maszyny wirtualne zapewniają izolację na poziomie sprzętu, a każda z nich ma pełny system operacyjny; kontenery izolują na poziomie systemu operacyjnego. Oba rozwiązania są powszechne, a w wielu rzeczywistych wdrożeniach kontenery uruchamia się wewnątrz maszyn wirtualnych, aby uzyskać wielowarstwową izolację.

Migracja na żywo przenosi działającą maszynę wirtualną z jednego hosta fizycznego na inny przy niewielkiej przerwie lub bez przerwy w działaniu. Hypervisor kopiuje pamięć maszyny wirtualnej przez sieć na nowy host, a następnie przełącza działanie tak płynnie, że użytkownicy rzadko to zauważają.

Umożliwia to konserwację sprzętu, równoważenie obciążenia i przełączanie awaryjne bez wyłączania usług. VMware nazywa tę funkcję vMotion; jest ona jednym z kluczowych powodów wysokiej dostępności środowisk zwirtualizowanych.

Dostawcy chmury uruchamiają ogromne farmy hypervisorów. Wynajmując serwer w chmurze, otrzymuje się w rzeczywistości maszynę wirtualną na współdzielonym sprzęcie. Wirtualizacja pozwala dostawcy uruchomić maszynę wirtualną w ciągu kilku minut, skalować ją i naliczać opłaty wyłącznie za wykorzystane zasoby.

Dla technika sieciowego ma to znaczenie, ponieważ sieć rozciąga się teraz również wewnątrz hosta i łączy maszyny wirtualne za pomocą przełączników wirtualnych, które zostaną omówione w następnej lekcji.

Korzyści: konsolidacja sprzętu, szybkie udostępnianie zasobów, łatwe tworzenie kopii zapasowych za pomocą migawek, izolacja oraz migracja na żywo zapewniająca dostępność.

Kompromisy: hypervisor wprowadza niewielki narzut, overcommitting niesie ryzyko rywalizacji o zasoby, a wiele maszyn wirtualnych na jednym hoście tworzy pojedynczy punkt awarii, jeśli host przestanie działać. Dobry projekt rozmieszcza kluczowe maszyny wirtualne na wielu hostach, aby ograniczyć to ryzyko.

Sprawdź, jak rozumiesz typy hypervisorów.

Wirtualizacja dzieli jeden serwer fizyczny na wiele odizolowanych maszyn wirtualnych zarządzanych przez hypervisor. Hypervisory typu 1 działają bezpośrednio na sprzęcie i są przeznaczone do środowisk produkcyjnych, natomiast typu 2 działają na systemie operacyjnym hosta i służą do pracy na komputerach osobistych oraz testowania. Każda maszyna wirtualna otrzymuje vCPU, pamięć RAM i przestrzeń dyskową, obsługuje migawki, klonowanie i migrację na żywo, a także stanowi podstawowy element chmury obliczeniowej.