Технологии виртуализации - основные типы и методы виртуализации, аппаратная виртуализация

• Виртуализация - это отделение логических ресурсов от физических.  

• Она повышает эффективность, гибкость и упрощает администрирование.  

• Виртуализация также увеличивает надежность систем.  

• Разделение: использование нескольких виртуальных машин на одном физическом сервере.  

• Изоляция: каждая виртуальная машина изолирована от других.  

• Инкапсуляция: содержимое виртуальной машины упаковывается в файлы.  

• Аппаратная независимость: виртуальную машину можно запустить на любом стандартном оборудовании.  

• Виртуализация настольных систем: создание изолированных операционных систем в стандартной настольной системе.  

• Хостовая операционная система: физическое оборудование с установленной платформой виртуализации.  

• Виртуальные машины: возможность установки различных операционных систем в каждую виртуальную машину.  

• Поддержка устаревших приложений: возможность запуска старых приложений в современных операционных системах.  

• Минимизация конфликтов между приложениями: установка разных версий одного приложения без конфликтов.  

• Тестирование программного обеспечения: безопасная проверка приложений на различных операционных системах и конфигурациях.  

• Скачал образ для VirtualBox с сайта Вьетнама с уже настроенным Moodle.  

• Сайт предлагает множество готовых программных решений в виде контейнеров Docker или виртуальных машин.  

• Запустил образ, настроил проброс портов и получил доступ к Moodle через сеть.  

• Обсуждение виртуализации настольных систем, таких как VirtualBox и Workstation.  

• Вопросы по виртуализации серверов и их отличия от клиентских компьютеров.  

• Различие между сервером и клиентским компьютером по аппаратному обеспечению и использованию.  

• Сервер работает непрерывно, отвечая на запросы клиентов.  

• Виртуализация серверов позволяет использовать один физический сервер для множества виртуальных машин.  

• Преимущества: сокращение эксплуатационных затрат, увеличение времени работоспособности и доступности, упрощение администрирования.  

• Централизованная обработка и хранение данных, локальное представление пользовательских интерфейсов.  

• Использование терминальных серверов и тонких клиентов.  

• Данные хранятся на сервере, а компьютеры пользователей используются только для отображения интерфейса и отправки данных.  

• Тонкие клиенты отображают информацию, а все действия происходят на сервере.  

• Пример: в академии связи сервер был мощным, а компьютеры отображали картинку.  

• Преимущества: минимизация конфликтов, конфиденциальность данных, сокращение затрат на администрирование.  

• Виртуализация приложений устанавливает приложения в изолированные контейнеры.  

• Пример: софт за сервис можно рассматривать как виртуализацию приложений.  

• Другие виды виртуализации: виртуализация сети, виртуализация хранилища данных.  

• Полная эмуляция: создание виртуальной машины, моделирующей аппаратную архитектуру.  

• Проблемы: медленная эмуляция, редко используется на практике.  

• Примеры: Box, Box, PPC, QEMU.  

• Полная виртуализация: виртуализация всего оборудования, использование гипервизора.  

• Гипервизор распределяет ресурсы между гостевыми операционными системами.  

• Преимущества: быстрее, чем эмуляция, но производительность ниже, чем на реальном оборудовании.  

• Пара-виртуализация: использование реального оборудования для процессора, эмуляция для вспомогательного оборудования.  

• Смешанная система: процессор реальный, вспомогательное оборудование эмулируется.  

• Обсуждение полной виртуализации будет позже.  

• Использует гипервизор, но модифицирует гостевые операционные системы.  

• Вставляет вызовы гипервизора вместо прямого доступа к аппаратуре.  

• Требует модификации гостевой ОС, что снижает производительность.  

• Аппаратная поддержка виртуализации в современных процессорах.  

• Не требует модификации гостевой ОС, что делает пара-виртуализацию менее популярной.  

• Microsoft и VMware не используют пара-виртуализацию из-за сложности модификации ОС.  

• Использует одну операционную систему для всех виртуальных машин.  

• Требует внесения изменений в ядро ОС, но это устарело.  

• Современные Linux-системы поддерживают виртуализацию уровня ОС без модификаций.  

• Высокая производительность и меньшие накладные расходы.  

• Меньшая степень изоляции и надежности.  

• Контейнеры могут влиять друг на друга, что снижает стабильность.  

• Обсуждение методов виртуализации.  

• Разница между полной и пара-виртуализацией.  

• Пара-виртуализация требует модификации ядра гостевой ОС.  

• Гипервизор распределяет ресурсы между операционными системами.  

• Выделяет процессорное время, память и доступ к аппаратуре.  

• Изолирует операционные системы друг от друга.  

• Виртуализация появилась на мейнфреймах в 1974 году.  

• В 1974 году были опубликованы формальные требования для виртуализации.  

• Эти требования актуальны до сих пор и определяют модель системы.  

• Представлена модель стандартной электронно-вычислительной машины с одним центральным процессором и линейной однородной оперативной памятью.  

• Процессор поддерживает два режима работы: привилегированный режим супервизора и режим пользователя для прикладных приложений.  

• Память поддерживает режим сегментации для организации виртуальной памяти.  

• Виртуальная память используется на всех современных компьютерах с 80-х годов.  

• Позволяет работать с программами, требующими больше памяти, чем есть в оперативной памяти, за счет использования жесткого диска.  

• В 32-разрядных системах виртуальная память ограничена 4 ГБ, в 64-разрядных системах ограничений нет.  

• Виртуальная память разделена на страницы или сегменты.  

• В 32-разрядных системах виртуальная память составляет 4 ГБ, в 64-разрядных системах ограничений нет.  

• Программы могут использовать только выделенные им страницы памяти, что предотвращает конфликты.  

• При обращении к странице памяти, которая не находится в оперативной памяти, происходит прерывание.  

• Операционная система подгружает данные из внешней памяти в оперативную.  

• Визуально это проявляется в торможении компьютера при большом количестве открытых вкладок в браузере.  

• Изоляция: виртуальные машины должны иметь доступ только к назначенным им ресурсам и не влиять на другие виртуальные машины или гипервизор.  

• Эквивалентность: программы на виртуальных машинах должны вести себя так же, как на реальных системах, за исключением количества доступных ресурсов.  

• Эффективность: большинство инструкций виртуального процессора должны исполняться напрямую, без вмешательства гипервизора.  

• Полная эмуляция не подходит из-за неэффективности.  

• Ловушки прерывают выполнение программы и передают управление обработчику.  

• Обработчик работает в режиме супервизора и может выполнять дополнительные действия.  

• Ловушки могут быть вызваны попыткой изменить состояние процессора или обратиться к памяти за пределами диапазона.  

• Это предотвращает доступ к чужой памяти и обеспечивает безопасность.  

• Привилегированные инструкции требуют выполнения в режиме супервизора.  

• Служебные инструкции могут менять режим работы процессора или диапазон допустимой памяти.  

• Безвредные инструкции не зависят от режима работы процессора и выполняются одинаково вне зависимости от виртуализации.  

• Монитор виртуальных машин работает в режиме супервизора, а виртуальные машины — в пользовательском режиме.  

• Виртуальные машины не могут самовольно менять системные ресурсы, что предотвращает утечки.  

• Безвредные инструкции выполняются одинаково, а служебные обрабатываются монитором.  

• На практике не всегда удается выполнить все условия для эффективной виртуализации.  

• Если условие не выполнено, приходится находить оптимальный баланс между изоляцией и эффективностью.  

• В системе x86 виртуальная память и кольца защиты изначально были предусмотрены, что усложняет задачу.  

• В системе есть три кольца привилегий: кольцо ноль для ядра, кольцо три для приложений и кольцо минус один для гипервизора.  

• Некоторые инструкции, такие как pushf, могут записывать флаги в стек, что может быть опасно для привилегированного режима.  

• Эти уязвимости возникли из-за неправильного планирования системы, не учитывающего виртуализацию.  

• Избегать уязвимых инструкций малореалистично.  

• Перекомпилировать всю ОС и приложения для избегания этих инструкций невозможно.  

• Решение: динамическая бинарная трансляция, где опасные инструкции заменяются на вызовы гипервизора.  

• Программная виртуализация использует гипервизор для модификации кода на лету.  

• Гостевые дополнения могут модифицировать код в памяти, что более эффективно.  

• Эти методы ограничены и не всегда работают.  

• Аппаратная поддержка виртуализации добавляет кольцо минус один для гипервизора.  

• Это позволяет гипервизору работать в более привилегированном режиме.  

• Аппаратная виртуализация требует включения в BIOS и может ускорить работу.  

• Аппаратная виртуализация поддерживается в последних версиях процессоров Intel и AMD.  

• Включение аппаратной виртуализации в BIOS необходимо для работы современных продуктов, таких как Hyper-V.  

• Аппаратная виртуализация может ускорить работу и избежать использования обходных режимов.  

• Аппаратная виртуализация является современной тенденцией для виртуализации серверов и настольных ПК.  

• Программная виртуализация используется реже, так как аппаратная виртуализация быстрее и эффективнее.  

• Вопросы и обсуждение будут рассмотрены в следующей части.