Виртуальные машины и гипервизоры

Виртуализация позволяет одному физическому серверу имитировать множество отдельных компьютеров. Каждый такой компьютер представляет собой виртуальную машину (VM) со своей операционной системой, приложениями, виртуальным CPU, памятью и диском. VM используют общее физическое оборудование, но остаются изолированными друг от друга.

Это основа современных центров обработки данных и облачных технологий. Вместо одного приложения на физический компьютер один мощный сервер может размещать десятки VM, значительно снижая затраты, потребление энергии и требования к площади.

Гипервизор (также называемый монитором виртуальных машин) — это программный уровень, который создаёт и запускает VM. Он распределяет физические CPU, RAM и хранилище между VM, сохраняя их изоляцию, чтобы сбой одной VM не вывел из строя соседние.

Гипервизор планирует доступ к физическому оборудованию так же, как операционная система планирует работу приложений. Для каждой гостевой OS кажется, что VM владеет полноценной физической машиной.

Гипервизор типа 1 работает непосредственно на оборудовании, без основной операционной системы под ним. Поскольку он располагается на физическом оборудовании, он быстр, эффективен и безопасен, поэтому именно его выбирают для производственных серверов и облачных систем.

• VMware ESXi
• Microsoft Hyper-V
• KVM (виртуальная машина на базе ядра)
• Xen

Центры обработки данных используют гипервизоры типа 1, чтобы один физический узел мог одновременно обслуживать множество клиентов.

Гипервизор типа 2 работает как приложение поверх обычной операционной системы, например Windows или macOS. Его легко установить, и он отлично подходит для тестирования, обучения и настольных компьютеров, но работает медленнее, поскольку запросы сначала проходят через основную ОС.

• VMware Workstation и Fusion
• Oracle VirtualBox
• Parallels Desktop

Используйте тип 2, чтобы запускать Linux на ноутбуке, а тип 1 — чтобы обслуживать парк серверов.

Основная машина — это физический компьютер и гипервизор, на котором выполняется всё остальное. Гостевая OS — операционная система, установленная внутри VM. Гостей можно свободно комбинировать: одна основная машина может одновременно запускать Windows Server, Ubuntu Linux и старую версию Windows.

Каждая гостевая система считает, что у неё есть выделенное оборудование, но все они используют общий пул CPU и памяти основной машины в соответствии с расписанием гипервизора.

Администраторы выделяют каждой VM долю vCPU (виртуальных ядер процессора), RAM и диска. Перераспределение ресурсов означает выделение общего объёма виртуальных ресурсов, превышающего физические возможности основной машины, в расчёте на то, что не все VM достигнут пиковых нагрузок одновременно.

При аккуратном выполнении это повышает эффективность, а при неосторожном приводит к конкуренции за ресурсы, когда VM борются за CPU или память и замедляются. Правильный подбор ресурсов для каждой VM помогает сохранить предсказуемую производительность.

Снимок фиксирует точное состояние VM в определённый момент времени. Если исправление или изменение что-то нарушит, можно за несколько секунд вернуться к снимку. Клонирование копирует VM целиком, чтобы быстро создать её идентичную новую версию.

Эти возможности делают VM гораздо гибче физических серверов, восстановление которых после серьёзной неисправности могло бы занять часы. Однако снимки не являются резервными копиями, поскольку хранятся на том же хранилище основной машины.

Контейнеры (например, Docker) — это облегчённая форма виртуализации. Вместо отдельной полноценной гостевой OS контейнеры используют общее ядро основной машины и включают только приложение с его зависимостями. Они запускаются за миллисекунды и используют гораздо меньше памяти.

VM обеспечивают изоляцию на уровне оборудования, используя полноценную OS, а контейнеры — на уровне OS. Оба подхода широко применяются, и во многих реальных системах контейнеры запускаются внутри VM для многоуровневой изоляции.

Живая миграция переносит работающую VM с одного физического узла на другой с небольшим простоем или вовсе без него. Гипервизор копирует память VM по сети на новый узел, а затем переключает работу так незаметно, что пользователи редко это замечают.

Это позволяет выполнять обслуживание оборудования, балансировку нагрузки и переключение при отказе, не отключая службы. VMware называет эту технологию vMotion; это одна из главных причин высокой доступности виртуализированных сред.

Облачные провайдеры управляют огромными парками гипервизоров. Когда вы арендуете облачный сервер, на самом деле вы получаете VM на общем оборудовании. Виртуализация позволяет провайдеру запустить вашу VM за несколько минут, масштабировать её и выставлять счёт только за использованные ресурсы.

Для сетевого специалиста это важно, поскольку сеть теперь простирается внутрь основной машины и соединяет виртуальные машины через виртуальные коммутаторы, с которыми вы познакомитесь на следующем уроке.

Преимущества: консолидация оборудования, быстрое предоставление ресурсов, удобное резервное копирование с помощью снимков, изоляция и живая миграция для обеспечения доступности.

Компромиссы: гипервизор создаёт небольшие накладные расходы, перераспределение ресурсов сопряжено с риском конкуренции, а множество VM на одном узле создают единую точку отказа, если этот узел выйдет из строя. Чтобы снизить этот риск, грамотно спроектированная система распределяет критически важные VM между несколькими узлами.

Проверьте, насколько хорошо вы понимаете типы гипервизоров.

Виртуализация разделяет один физический сервер на множество изолированных виртуальных машин, которыми управляет гипервизор. Гипервизоры типа 1 работают непосредственно на физическом оборудовании и используются в производственных системах, а гипервизоры типа 2 работают поверх основной OS и применяются на настольных компьютерах и для тестирования. Каждая VM получает vCPU, RAM и диск, поддерживает снимки, клонирование и живую миграцию и служит строительным блоком облачных вычислений.