Grunderna i hypervisorer och virtualisering

Föreställ dig att flera datorer, var och en med sitt eget operativsystem, körs på en enda fysisk maskin. Detta kraftfulla koncept kallas virtualisering.

Det gör att du kan dela en dators resurser, som processor, minne och lagring, mellan flera virtuella miljöer.

Virtualisering erbjuder många fördelar och är därför en grundpelare i modern datorteknik:

• Serverkonsolidering: Kör många servrar på färre fysiska maskiner och sparar därmed utrymme och energi.
• Resursisolering: Varje virtuell maskin (VM) är isolerad, så att problem i en maskin inte påverkar andra.
• Utveckling och testning: Skapa snabbt nya miljöer för programutveckling och testning utan att påverka produktionssystem.
• Säkerhet: Isolera potentiellt riskfyllda program i en sandlåda.

I centrum för virtualisering finns hypervisorn, även kallad Virtual Machine Monitor (VMM).

Hypervisorn är ett programvaru- eller firmwarelager som skapar och kör virtuella maskiner. Den hanterar den fysiska maskinvarans resurser och tilldelar dem till de olika virtuella maskinerna.

Det finns två huvudtyper av hypervisors.

Typ 1-hypervisors körs direkt på värddatorns fysiska maskinvara, utan ett underliggande operativsystem. De kallas ofta bare-metal-hypervisors.

• Exempel: VMware ESXi, Microsoft Hyper-V, Xen.
• Fördelar: Hög prestanda, effektivitet och säkerhet tack vare direkt åtkomst till maskinvaran.

Däremot körs typ 2-hypervisorer som ett program ovanpå ett befintligt operativsystem (det så kallade värdoperativsystemet).

Värdoperativsystemet hanterar maskinvaran, och hypervisorn virtualiserar sedan resurser för de virtuella gästmaskinerna.

• Exempel: Oracle VirtualBox, VMware Workstation, Parallels Desktop.
• Fördelar: Enklare att konfigurera och använda på en stationär dator, samt lämpligt för testning och personligt bruk.

En virtuell maskin (VM) är en emulering av ett datorsystem. Den fungerar som en fysisk dator, komplett med en egen virtuell CPU, ett eget minne, en egen hårddisk och egna nätverksgränssnitt.

Operativsystemet som körs inuti en VM kallas gästoperativsystem (till exempel Windows, Linux eller macOS).

Kom ihåg att operativsystem vanligtvis körs i Ring 0 (det mest privilegierade läget) för att få åtkomst till maskinvaran. Gästoperativsystem i en VM *tror* att de befinner sig i Ring 0.

Hypervisorn fångar upp privilegierade instruktioner från gästoperativsystemet och översätter dem. På så sätt säkerställs att gästen inte kan styra maskinvaran direkt, vilket förhindrar konflikter och upprätthåller isoleringen.

Moderna processorer innehåller särskilda tillägg som gör virtualisering betydligt effektivare. Dessa kallas tekniker för maskinvaruassisterad virtualisering:

• Intel VT-x (Virtualization Technology for x86)
• AMD-V (AMD Virtualization)

Dessa tillägg introducerar nya CPU-lägen (som VMX root- och non-root-lägen) som gör det möjligt för hypervisorn att hantera virtuella maskiner mer direkt. Därmed minskar kostnaden för att fånga upp och översätta instruktioner.

Virtualisering är grundläggande för många moderna tekniker:

• Molntjänster: Publika moln (AWS, Azure och Google Cloud) bygger på omfattande virtualiserad infrastruktur.
• Containerisering: Tekniker som Docker bygger vidare på virtualisering på operativsystemnivå.
• Säkerhetssandlådor: Otillförlitlig programvara körs i isolerade virtuella maskiner för att förhindra att systemet äventyras.
• Äldre program: Äldre programvara kan fortsätta köras på modern maskinvara.

I den här lektionen utforskade vi virtualiseringens fascinerande värld. Vi lärde oss vad virtualisering är, varför den är så viktig och vilken central roll hypervisorn har.

Nu förstår Ni skillnaden mellan typ 1-hypervisorer (bare-metal) och typ 2-hypervisorer (hosted), hur virtuella maskiner och gästoperativsystem samverkar samt hur viktig maskinvaruassisterad virtualisering (VT-x/AMD-V) är för effektiv prestanda.