เครื่องเสมือนและไฮเปอร์ไวเซอร์

เวอร์ชวลไลเซชัน ทำให้เซิร์ฟเวอร์จริงหนึ่งเครื่องทำหน้าที่เสมือนเป็นคอมพิวเตอร์แยกกันหลายเครื่อง คอมพิวเตอร์เสมือนแต่ละเครื่องคือเครื่องเสมือน (VM) ที่มีระบบปฏิบัติการ แอปพลิเคชัน CPU เสมือน หน่วยความจำ และดิสก์ของตนเอง VM เหล่านี้ใช้ฮาร์ดแวร์จริงร่วมกัน แต่ยังคงแยกออกจากกัน

นี่คือรากฐานของศูนย์ข้อมูลและคลาวด์สมัยใหม่ แทนที่จะติดตั้งหนึ่งแอปพลิเคชันต่อเซิร์ฟเวอร์จริงหนึ่งเครื่อง เซิร์ฟเวอร์ทรงพลังเพียงเครื่องเดียวสามารถโฮสต์ VM ได้หลายสิบเครื่อง ช่วยลดค่าใช้จ่าย การใช้พลังงาน และพื้นที่ติดตั้งได้อย่างมาก

ไฮเปอร์ไวเซอร์ (เรียกอีกอย่างว่าโปรแกรมตรวจสอบเครื่องเสมือน) คือชั้นซอฟต์แวร์ที่สร้างและเรียกใช้ VM ไฮเปอร์ไวเซอร์แบ่ง CPU จริง, RAM และพื้นที่จัดเก็บ แล้วจัดสรรส่วนต่าง ๆ ให้ VM แต่ละเครื่อง พร้อมรักษาการแยกออกจากกันเพื่อไม่ให้การหยุดทำงานของเครื่องหนึ่งทำให้เครื่องข้างเคียงหยุดทำงานไปด้วย

ไฮเปอร์ไวเซอร์จัดตารางการเข้าถึงฮาร์ดแวร์จริง เช่นเดียวกับที่ระบบปฏิบัติการจัดตารางการทำงานของแอปพลิเคชัน สำหรับระบบปฏิบัติการแขกแต่ละระบบ จะดูเสมือนว่า VM มีเครื่องจริงทั้งเครื่องเป็นของตนเอง

ไฮเปอร์ไวเซอร์ประเภทที่ 1 ทำงานโดยตรงบนฮาร์ดแวร์ โดยไม่มีระบบปฏิบัติการโฮสต์อยู่ด้านล่าง เนื่องจากทำงานบนฮาร์ดแวร์โดยตรง จึงรวดเร็ว มีประสิทธิภาพ และปลอดภัย เหมาะสำหรับเซิร์ฟเวอร์ใช้งานจริงและคลาวด์

• VMware ESXi
• Microsoft Hyper-V
• KVM (เครื่องเสมือนที่ทำงานบนเคอร์เนล)
• Xen

ศูนย์ข้อมูลใช้ไฮเปอร์ไวเซอร์ประเภทที่ 1 เพื่อให้โฮสต์หนึ่งเครื่องรองรับผู้เช่าหลายรายพร้อมกันได้

ไฮเปอร์ไวเซอร์ประเภทที่ 2 ทำงานเป็นแอปพลิเคชันบนระบบปฏิบัติการทั่วไป เช่น Windows หรือ macOS ติดตั้งง่ายและเหมาะสำหรับการทดสอบ การเรียนรู้ และคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อป แต่ทำงานช้ากว่าเนื่องจากคำขอต้องผ่านระบบปฏิบัติการโฮสต์ก่อน

• VMware Workstation และ Fusion
• Oracle VirtualBox
• Parallels Desktop

ใช้ประเภทที่ 2 เพื่อเรียกใช้ Linux บนแล็ปท็อป และใช้ประเภทที่ 1 เพื่อเรียกใช้ฟาร์มเซิร์ฟเวอร์

โฮสต์ คือเครื่องจริงและไฮเปอร์ไวเซอร์ที่เรียกใช้ทุกอย่าง ส่วนระบบปฏิบัติการแขกคือระบบปฏิบัติการที่ติดตั้งอยู่ภายใน VM คุณสามารถใช้ระบบแขกหลายแบบร่วมกันได้อย่างอิสระ เช่น โฮสต์เครื่องเดียวอาจเรียกใช้ Windows Server, Ubuntu Linux และ Windows รุ่นเก่าร่วมกัน

ระบบแขกแต่ละระบบเชื่อว่าตนมีฮาร์ดแวร์เฉพาะ แต่ทั้งหมดใช้กลุ่มทรัพยากร CPU และหน่วยความจำของโฮสต์ร่วมกันตามตารางการทำงานของไฮเปอร์ไวเซอร์

ผู้ดูแลระบบกำหนดสัดส่วนของvCPU (แกนประมวลผลเสมือน) RAM และดิสก์ให้ VM แต่ละเครื่อง การจัดสรรเกินทรัพยากรจริง หมายถึงการกำหนดทรัพยากรเสมือนรวมมากกว่าที่โฮสต์มีอยู่จริง โดยคาดว่า VM ทั้งหมดจะไม่ใช้ทรัพยากรสูงสุดพร้อมกัน

หากทำอย่างระมัดระวัง วิธีนี้จะเพิ่มประสิทธิภาพการใช้ทรัพยากร แต่หากทำโดยไม่ระวังจะทำให้เกิดการแย่งชิงทรัพยากร ซึ่ง VM ต้องแย่ง CPU หรือหน่วยความจำกันและทำงานช้าลง การปรับขนาด VM แต่ละเครื่องให้เหมาะสมช่วยให้ประสิทธิภาพคาดการณ์ได้

สแนปช็อต บันทึกสถานะที่แน่นอนของ VM ณ ช่วงเวลาหนึ่ง หากแพตช์หรือการเปลี่ยนแปลงทำให้เกิดปัญหา คุณสามารถย้อนกลับไปยังสแนปช็อตได้ภายในไม่กี่วินาที ส่วนการโคลนจะคัดลอก VM ทั้งเครื่องเพื่อสร้างเครื่องใหม่ที่เหมือนกันได้อย่างรวดเร็ว

คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้ VM ยืดหยุ่นกว่าเซิร์ฟเวอร์จริงมาก เพราะการสร้างเครื่องจริงที่เสียหายขึ้นใหม่อาจใช้เวลาหลายชั่วโมง อย่างไรก็ตาม สแนปช็อตไม่ใช่ข้อมูลสำรอง เนื่องจากจัดเก็บอยู่บนพื้นที่จัดเก็บของโฮสต์เดียวกัน

คอนเทนเนอร์ (เช่น Docker) เป็นเวอร์ชวลไลเซชันรูปแบบที่เบากว่า แทนที่แต่ละเครื่องจะมีระบบปฏิบัติการแขกแบบเต็มรูปแบบ คอนเทนเนอร์จะแชร์เคอร์เนลของโฮสต์และบรรจุเฉพาะแอปพลิเคชันกับส่วนที่ต้องพึ่งพา คอนเทนเนอร์เริ่มทำงานได้ภายในเสี้ยววินาทีและใช้หน่วยความจำน้อยกว่ามาก

VM แยกออกจากกันในระดับฮาร์ดแวร์โดยมีระบบปฏิบัติการเต็มรูปแบบของตนเอง ส่วนคอนเทนเนอร์แยกออกจากกันในระดับระบบปฏิบัติการ ทั้งสองแบบใช้กันอย่างแพร่หลาย และการใช้งานจริงจำนวนมากเรียกใช้คอนเทนเนอร์ภายใน VM เพื่อเพิ่มการแยกเป็นชั้น ๆ

การย้ายระบบขณะทำงาน ย้าย VM ที่กำลังทำงานจากโฮสต์จริงเครื่องหนึ่งไปยังอีกเครื่องหนึ่ง โดยหยุดให้บริการเพียงเล็กน้อยหรือไม่หยุดเลย ไฮเปอร์ไวเซอร์จะคัดลอกหน่วยความจำของ VM ผ่านเครือข่ายไปยังโฮสต์ใหม่ แล้วสลับการทำงานอย่างราบรื่นจนผู้ใช้แทบไม่สังเกตเห็น

ความสามารถนี้ช่วยให้บำรุงรักษาฮาร์ดแวร์ กระจายโหลด และสลับไปใช้ระบบสำรองได้โดยไม่ต้องปิดบริการ VMware เรียกความสามารถนี้ว่า vMotion และเป็นเหตุผลสำคัญที่ทำให้สภาพแวดล้อมแบบเวอร์ชวลไลซ์มีความพร้อมใช้งานสูง

ผู้ให้บริการคลาวด์เรียกใช้ฟาร์มไฮเปอร์ไวเซอร์ขนาดใหญ่ เมื่อคุณเช่าเซิร์ฟเวอร์คลาวด์ สิ่งที่คุณได้รับจริง ๆ คือ VM บนฮาร์ดแวร์ที่ใช้ร่วมกัน เวอร์ชวลไลเซชันทำให้ผู้ให้บริการสร้าง VM ของคุณได้ภายในไม่กี่นาที ปรับขนาดได้ และคิดค่าบริการเฉพาะทรัพยากรที่คุณใช้

สำหรับช่างเทคนิคเครือข่าย เรื่องนี้สำคัญเพราะเครือข่ายขยายเข้าไปภายในโฮสต์ด้วย โดยเชื่อมต่อเครื่องเสมือนผ่านสวิตช์เสมือน ซึ่งคุณจะได้เรียนรู้ในบทถัดไป

ประโยชน์: รวมฮาร์ดแวร์ ลดเวลาจัดเตรียมระบบ สำรองข้อมูลได้ง่ายผ่านสแนปช็อต แยกสภาพแวดล้อม และย้ายระบบขณะทำงานเพื่อให้บริการต่อเนื่อง

ข้อแลกเปลี่ยน: ไฮเปอร์ไวเซอร์เพิ่มภาระการทำงานเล็กน้อย การจัดสรรเกินทรัพยากรจริงมีความเสี่ยงต่อการแย่งชิงทรัพยากร และการมี VM จำนวนมากบนโฮสต์เดียวทำให้เกิดจุดล้มเหลวเพียงจุดเดียวหากโฮสต์นั้นหยุดทำงาน การออกแบบที่ดีควรกระจาย VM สำคัญไปยังโฮสต์หลายเครื่องเพื่อจัดการความเสี่ยงนี้

ทดสอบความเข้าใจเกี่ยวกับประเภทของไฮเปอร์ไวเซอร์

เวอร์ชวลไลเซชันแบ่งเซิร์ฟเวอร์จริงหนึ่งเครื่องออกเป็นเครื่องเสมือนหลายเครื่องที่แยกจากกัน โดยมีไฮเปอร์ไวเซอร์เป็นผู้จัดการ ไฮเปอร์ไวเซอร์ประเภทที่ 1ทำงานบนฮาร์ดแวร์โดยตรงสำหรับระบบใช้งานจริง ส่วนประเภทที่ 2ทำงานบนระบบปฏิบัติการโฮสต์สำหรับเดสก์ท็อปและการทดสอบ VM แต่ละเครื่องได้รับ vCPU, RAM และดิสก์ รองรับสแนปช็อต การโคลน และการย้ายระบบขณะทำงาน และเป็นหน่วยพื้นฐานของการประมวลผลแบบคลาวด์