Применение виртуальных машин

Оглавление

Введение. 3

Немного истории. 3

Применение виртуальных машин. 4

Средства управления виртуальными машинамидля рабочих станций. 5

Microsoft Virtual PC.. 5

VMware Workstation 6.0. 6

Средства управления виртуальными машинамидля серверов. 8

Microsoft Virtual Server 2005 R2. 9

VMware Lab Manager. 10

Заключение. 11

  СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……... ………………………………………………12

 

Введение

Если ранее понятие виртуализации использовалось исключительно по отношению к корпоративным технологиям, то в последнее время о ней все чаще стали говорить как о технологии, ориентированной и на конечных пользователей. Особенно пристальное внимание виртуализации стали уделять после появления многоядерных процессоров для настольных ПК. Более того, практически во всех современных процессорах Intel и AMD реализована (хотя и по-разному) ее аппаратная поддержка. В данной статье мы рассмотрим основные особенности технологии виртуализации, выполненной на аппаратном уровне в процессорах Intel и AMD, а также расскажем об основных пакетах для осуществления программной виртуализации.

Немного истории

Идея виртуализации отнюдь не нова и уходит корнями в мэйнфреймы и RISC-серверы под управлением UNIX — она возникла вслед за появлением концепции многозадачности. В компьютерных технологиях термин «виртуализация» появился в 60-х годах прошлого века вместе с термином «виртуальная машина», означающим продукт виртуализации программно-аппаратной платформы.

Сегодня под виртуализацией понимается возможность запускать несколько виртуальных операционных систем (гостевых операционных систем) одновременно на одном физическом компьютере (хосте), то есть фактически создать несколько виртуальных компьютеров на одном физическом, при этом гостевые операционные системы вообще могут быть разными.

Однако в те далекие времена, когда технология виртуализации только зарождалась, ее практическая реализация была сложной, да к тому же недешевой задачей, учитывая «фирменный» характер этих вычислительных платформ.

Разработки в сфере виртуализации в 60-70-х годах прошлого столетия проводились только компанией IBM. В то время под виртуальной машиной понималась полностью защищенная и изолированная копия ресурсов компьютера, в которой приложения и операционная система будут вести себя точно так же, как и на реальном компьютере.

Для реализации виртуальных машин использовался монитор виртуальных машин (Virtual Machine Monitor, VMM) — специальная программа, функционирующая на уровне ядра операционной системы и обеспечивающая управление гостевыми операционными системами и виртуализацию процессора, памяти и устройств ввода-вывода, а также изоляцию программ.

Впервые полная виртуализация была реализована на компьютере IBM System 360, где в качестве монитора виртуальных машин использовалась программа CP 67. В таком компьютере каждая виртуальная машина представляла собой точный виртуальный образ аппаратных ресурсов физической машины и предоставляла пользователям возможность работы с виртуальными машинами в режиме разделения времени. В компьютере IBM System 360 монитор виртуальных машин, или программа CP 67, запускался на наивысшем уровне привилегий, то есть на том же уровне, на котором функционировала сама операционная система. Поэтому монитор виртуальных машин мог перехватывать выполнение привилегированных инструкций. Напомним, что привилегированные команды запрещены для использования прикладными программами. Привилегированные команды управляют системными функциями, например загрузкой системных регистров, которые могут выполняться только на нулевом уровне привилегий. При попытке выполнить их на другом уровне генерируется исключение общей защиты.

Однако производительности компьютера IBM System 360 оказалось не достаточно для эффективной реализации программной виртуализации, и в новом семействе компьютеров IBM System 370 на уровне архитектуры процессора были реализованы средства аппаратной поддержки виртуализации. Смысл аппаратной поддержки виртуализации на уровне архитектуры процессора заключался в том, что когда гостевая операционная система (операционная система виртуальной машины) выполнялась непосредственно на реальном процессоре и генерировала исполняемую процессором привилегированную команду (команду с наивысшим уровнем привилегий), то процессор должен был прервать свою работу и передать управление монитору виртуальных машин, который и решал, можно ли выполнить такую команду или необходимо смоделировать ее выполнение другими средствами. Для компьютеров IBM System 370 была специально разработана операционная система VM/370, выполняющая функции монитора виртуальных машин и поддерживающая архитектуру процессора, который имел аппаратные средства, бравшие на себя б о льшую часть работы монитора виртуальных машин по перехвату и эмуляции привилегированных команд. Преобразование команд и адресов памяти выполнялось на аппаратном уровне.

После реализации программно-аппаратной виртуализации в компьютерах IBM System 370 аппаратная поддержка виртуализации была реализована в системах VM/ESA, в которых механизмы управления памятью позволяли выделять гостевым системам отдельные непрерывные области памяти и более эффективно преобразовывать адреса памяти.

Следует отметить, что технология виртуализации, которая стала своего рода стандартом де-факто для больших ЭВМ и мэйнфреймов, долгое время не могла «прижиться» в компьютерах с архитектурой х86, и тому были свои весомые причины.

Microsoft Virtual PC

Средство управления виртуальными машинами Microsoft Virtual PC основано на технологиях, разработанных компанией Connectix (приобретенной корпорацией Microsoft в 2003 году). Один из первых продуктов Connectix был предназначен для выполнения Windows-приложений на компьютерах под управлением Mac OS, а Windows-версия этого продукта появилась в 2001 году.

В качестве хостовой операционной системы в Microsoft Virtual PC 2007 (рис. 5) можно использовать операционные системы Windows Vista Business, Windows Vista Enterprise, Windows Vista Ultimate, Windows Server 2003 Standard Edition, Windows Server 2003 Standard x64 Edition, Windows XP Professional или Windows XP Tablet PC Edition.

 

Рис. 5. Microsoft Virtual PC 2007

Гостевые операционные системы, полностью поддерживаемые данным продуктом, включают Windows 98, Windows 98 Second Edition, Windows Millennium Edition (Windows Me), Windows 2000 Professional, Windows XP Home Edition, Windows XP Professional, Windows Vista Enterprise, Windows Vista Business, Windows Vista Ultimate, OS/2 Warp Version 4 Fix Pack 15, OS/2 Warp Convenience Pack 1 и OS/2 Warp Convenience Pack 2. При необходимости Virtual PC позволяет создавать виртуальные машины и с серверными версиями Windows, а также с некоторыми версиями Linux (о планируемой поддержке Linux было официально объявлено компанией Microsoft в прошлом году). Что касается других операционных систем — их неофициальный список находится по адресу: http://vpc.visualwin.com/.

Технические требования для Microsoft Virtual PC 2007 невысоки: процессор AMD Athlon/Duron, Intel Celeron или Pentium II/ III/ 4, Intel Core Duo, Intel Core2 Duo с тактовой частотой от 400 МГц, CD-ROM, монитор с разрешением 800x600. Однако сами по себе виртуальные машины могут быть достаточно требовательны к ресурсам — это зависит от операционных систем, которые загружаются в виртуальные машины (см. таблицу). При этом следует иметь в виду, что для определения реальной потребности в оперативной и дисковой памяти следует просуммировать требования, предъявляемые к ним исходной операционной системой и операционными системами всех виртуальных машин, которые предполагается запускать одновременно.

Из технических особенностей Microsoft Virtual PC следует отметить разнообразные способы эмуляции сетевого взаимодействия, начиная с ее отсутствия и заканчивая интеграцией в локальную сеть, в которую включен хост, а также поддержку эмуляции сетевого взаимодействия с другими виртуальными машинами как с отдельными компьютерами и поддержку трансляции адресов NAT. Microsoft Virtual PC поддерживает обмен данными между виртуальными машинами и операционной системой хоста с помощью буфера обмена и операций drag-and-drop, а также синхронизацию времени. В качестве виртуальных жестких дисков данный продукт позволяет использовать файлы как фиксированного, так и «плавающего» размера, а также реальные жесткие диски или их разделы. Отметим, что при наличии на жестком диске нескольких операционных систем, установленных в разных разделах, Virtual PC обеспечивает загрузку неактивной операционной системы в качестве гостевой.

Из иных особенностей работы с дисками следует обратить внимание на возможность коллективной работы с одним и тем же образом жесткого диска с сохранением изменений отдельно для каждого пользователя, а также на возможность отмены всех изменений, сделанных пользователем в данном сеансе работы (последняя возможность особенно полезна при тестировании инсталляционных приложений). Отметим также возможность сохранения состояния виртуальной машины — в этом случае при ее повторном старте операционная система окажется уже загруженной, а приложения — запущенными.

Из параметров, доступных для конфигурации, следует отметить долю процессорного времени, потребляемую виртуальной машиной, средства сетевого доступа, конфигурацию дисководов, цветовое разрешение, правила «захвата» мыши при щелчке в окне виртуальной машины, а также правила безопасности, позволяющие заблокировать те или иные возможности манипуляции виртуальными машинами для пользователей, не имеющих административных прав.

Ну и последний аспект, который нельзя обойти вниманием, — это поддержка технологии аппаратной виртуализации Intel VT и AMD Pacific. Причем в Virtual PC 2007 поддержка данных технологий активирована по умолчанию и если процессор поддерживает технологию аппаратной виртуализации и есть соответствующая настройка в BIOS, то при использовании пакета Virtual PC 2007 будут задействованы возможности процессора по аппаратной поддержке виртуализации.

Отметим, что Virtual PC 2007 является свободным для загрузки продуктом.

VMware Workstation 6.0

Компания VMware (http://www.vmware.com/) была основана в 1998 году, и первым ее продуктом стало выпущенное в 1999-м средство управления виртуальными машинами VMware (позже переименованное в VMware Workstation), предназначенное для платформ Windows и Linux. Для того времени подход VMware к организации вычислений в разноплатформенных средах был поистине революционным — ранее о виртуальных машинах говорили только применительно к мэйнфреймам.

Продукт VMware Workstation 6.0 (рис. 6), предназначенный главным образом для тестирования настольных и многозвенных распределенных приложений и их конфигураций, поддерживает весьма широкий спектр как операционных систем хоста, так и гостевых операционных систем. Этот продукт может использовать в качестве ОС хоста несколько последних версий операционных систем от Microsoft, Red Hat, SuSE, Ubuntu, а также Sun Solaris (для процессоров x86) и FreeBSD. В качестве гостевых ОС VMware Workstation может применять различные, в том числе 64-разрядные, версии Windows, Linux, Novell NetWare, DOS, Sun Solaris и FreeBSD. Виртуальные машины могут располагаться как в файле, так и на отдельном жестком диске или в его отдельном разделе.

 

Рис. 6. VMware Workstation 6

WMware Workstation 6.0 поддерживает виртуальные и реальные IDE- и SCSI-диски, накопители на гибких дисках, дисководы CD-ROM, DVD-ROM компьютера-хоста, LPT-, COM-, USB-порты и динамически подключаемые к хосту USB-устройства, такие как сканеры, принтеры, жесткие диски и флэш-карты, подключаемые КПК и фотоаппараты. Помимо реальных дисководов, WMware Workstation умеет работать с образами дисков формата ISO, рассматривая их как дисководы CD-ROM. Поддержка SCSI-устройств, таких как сканеры, ленточные накопители, дисководы CD-ROM, DVD-ROM, может осуществляться даже при отсутствии драйверов этих устройств в операционной системе хоста.

WMware Workstation 6.0 поддерживает разнообразные способы эмуляции сетевого взаимодействия, начиная с ее отсутствия и заканчивая интеграцией в локальную сеть, в которую включен хост, а также эмуляцию сетевого взаимодействия с другими виртуальными машинами как с отдельными компьютерами, трансляцию адресов NAT, виртуальный DHCP-сервер, организацию сетевых мостов с помощью беспроводных соединений, широкий спектр сетевых протоколов, переключение между разными виртуальными сетями.

VMware Workstation 6.0 позволяет создавать «моментальные снимки» виртуальной машины (snapshots), сохраняя в виде файла компьютера-хоста сведения о ее состоянии, запущенных приложениях и их данных (при этом можно сделать несколько «снимков» одной и той же машины), а также поддерживает обмен данными между виртуальными машинами и операционной системой хоста с помощью буфера обмена и операций drag-and-drop, синхронизацию времени гостевой ОС и ОС хоста, возможность отмены всех изменений, сделанных пользователем в данном сеансе работы. Отметим также наличие в этом продукте средств оптимизации памяти и средств управления многозвенными приложениями, предназначенных специально для повышения производительности труда разработчиков и пользователей, эксплуатирующих единственную рабочую станцию.

Из новшеств последней версии VMware Workstation назовем поддержку назначения виртуальной машине двух виртуальных процессоров (что полезно для тестирования двухпроцессорных конфигураций ПО), средства преобразования виртуальных машин, созданных с помощью Microsoft Virtual PC и Microsoft Virtual Server, а также образов ОС, созданных с помощью Symantec LiveState Recovery, в виртуальные машины VMware, поддержку 64-разрядных процессоров Intel и AMD, поддержку адаптеров для беспроводных сетей, средства автоматического обнаружения устройств хранения данных и USB-устройств.

Кроме того, пакет VMware Workstation 6.0 поддерживает технологии аппаратной виртуализации Intel VT и AMD Pacific. Правда, для того чтобы активировать данную поддержку, какие-либо «галки» в настройках пакета VMware Workstation 6.0 отсутствуют. Собственно, если в качестве хостовой ОС применяется 64-разрядная версия операционной системы, процессор поддерживает аппаратную виртуализацию, а в BIOS данная поддержка активирована, то пакет VMware Workstation 6.0 будет использовать возможности процессора по аппаратной виртуализации, то есть в зависимости от типа процессора задействовать технологию Intel VT или AMD Pacific. Если же в качестве хостовой ОС применяется 32-разрядная операционная система, то по умолчанию технология Intel VT или AMD Pacific использоваться не будет — независимо от настроек BIOS и типа процессора. Для того чтобы принудительно задействовать технологию Intel VT или AMD Pacific в случае 32-разрядной версии хостовой операционной системы, необходимо отредактировать VMX-файл, в котором содержится описание созданной виртуальной машины. Собственно, все что требуется — это добавить в данный файл следующую строку:

 

monitor_control.vt32=”TRUE”

 

После этого при запуске виртуальной машины будет применяется технология аппаратной поддержки виртуализации.

Правда, нужно отметить, что, несмотря на возможность принудительного использования технологии Intel VT или AMD Pacific при применении 32-разрядных версий хостовой ОС, делать этого не следует, поскольку, как заявляет сама компания VMware, производительность виртуальной машины от этого только ухудшится.

Минимальные требования различных операционных систем для их выполнения под управлением виртуальных машин

Операционная система виртуальной машины	Оперативная память	Пространство на жестком диске
Windows 98, Windows 98 Second Edition	64 Мбайт	500 Мбайт
Windows Millennium Edition (Windows Me)	96 Мбайт	2 Гбайт
Windows 2000 Professional	96 Мбайт	2 Гбайт
Windows XP Home Edition	128 Мбайт	2 Гбайт
Windows XP Professional	128 Мбайт	2 Гбайт
Windows Vista Enterprise	512 Мбайт	15 Гбайт
Windows Vista Business	512 Мбайт	15 Гбайт
Windows Vista Ultimate	512 Мбайт	15 Гбайт
OS/2 Warp Version 4 Fix Pack 15, OS/2 Warp Convenience Pack 1, OS/2 Warp Convenience Pack 2	64 Мбайт	500 Мбайт

VMware Lab Manager

VMware Lab Manager (рис. 9) — инструмент для управления виртуальной инфраструктурой и конфигурациями, предназначенный для тестовых лабораторий. Он позволяет создавать библиотеки конфигураций виртуальных машин и осуществлять тестирование конфигураций программного обеспечения без развертывания на реальных серверах, что делает этот продукт полезным в проектах внедрения информационных систем или при модернизации ИТ-инфраструктуры. Данный продукт обладает и программным интерфейсом, позволяющим создавать решения на его основе.

 

Рис. 9. VMware Lab Manager

Заключение

С момента второго рождения средств управления виртуальными машинами в конце 90-х годов эти продукты заметно эволюционировали. Если поначалу они рассматривались лишь как удобное средство работы с дополнительной операционной системой и как инструмент для тестирования и документирования приложений, то сегодня наблюдается разделение этих средств на инструменты для тестирования конфигураций и приложений, применения их в учебных и демонстрационных целях (то есть, по существу, инструменты для конечных пользователей, разработчиков, преподавателей и специалистов по маркетингу) и средства использования виртуализации для обеспечения эффективного функционирования корпоративной ИТ-инфраструктуры. При этом наиболее активно данная категория средств развивается в последнем направлении.

 

Оглавление

Введение. 3

Немного истории. 3

Применение виртуальных машин. 4

Средства управления виртуальными машинамидля рабочих станций. 5

Microsoft Virtual PC.. 5

VMware Workstation 6.0. 6

Средства управления виртуальными машинамидля серверов. 8

Microsoft Virtual Server 2005 R2. 9

VMware Lab Manager. 10

Заключение. 11

  СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……... ………………………………………………12

 

Введение

Если ранее понятие виртуализации использовалось исключительно по отношению к корпоративным технологиям, то в последнее время о ней все чаще стали говорить как о технологии, ориентированной и на конечных пользователей. Особенно пристальное внимание виртуализации стали уделять после появления многоядерных процессоров для настольных ПК. Более того, практически во всех современных процессорах Intel и AMD реализована (хотя и по-разному) ее аппаратная поддержка. В данной статье мы рассмотрим основные особенности технологии виртуализации, выполненной на аппаратном уровне в процессорах Intel и AMD, а также расскажем об основных пакетах для осуществления программной виртуализации.

Немного истории

Идея виртуализации отнюдь не нова и уходит корнями в мэйнфреймы и RISC-серверы под управлением UNIX — она возникла вслед за появлением концепции многозадачности. В компьютерных технологиях термин «виртуализация» появился в 60-х годах прошлого века вместе с термином «виртуальная машина», означающим продукт виртуализации программно-аппаратной платформы.

Сегодня под виртуализацией понимается возможность запускать несколько виртуальных операционных систем (гостевых операционных систем) одновременно на одном физическом компьютере (хосте), то есть фактически создать несколько виртуальных компьютеров на одном физическом, при этом гостевые операционные системы вообще могут быть разными.

Однако в те далекие времена, когда технология виртуализации только зарождалась, ее практическая реализация была сложной, да к тому же недешевой задачей, учитывая «фирменный» характер этих вычислительных платформ.

Разработки в сфере виртуализации в 60-70-х годах прошлого столетия проводились только компанией IBM. В то время под виртуальной машиной понималась полностью защищенная и изолированная копия ресурсов компьютера, в которой приложения и операционная система будут вести себя точно так же, как и на реальном компьютере.

Для реализации виртуальных машин использовался монитор виртуальных машин (Virtual Machine Monitor, VMM) — специальная программа, функционирующая на уровне ядра операционной системы и обеспечивающая управление гостевыми операционными системами и виртуализацию процессора, памяти и устройств ввода-вывода, а также изоляцию программ.

Впервые полная виртуализация была реализована на компьютере IBM System 360, где в качестве монитора виртуальных машин использовалась программа CP 67. В таком компьютере каждая виртуальная машина представляла собой точный виртуальный образ аппаратных ресурсов физической машины и предоставляла пользователям возможность работы с виртуальными машинами в режиме разделения времени. В компьютере IBM System 360 монитор виртуальных машин, или программа CP 67, запускался на наивысшем уровне привилегий, то есть на том же уровне, на котором функционировала сама операционная система. Поэтому монитор виртуальных машин мог перехватывать выполнение привилегированных инструкций. Напомним, что привилегированные команды запрещены для использования прикладными программами. Привилегированные команды управляют системными функциями, например загрузкой системных регистров, которые могут выполняться только на нулевом уровне привилегий. При попытке выполнить их на другом уровне генерируется исключение общей защиты.

Однако производительности компьютера IBM System 360 оказалось не достаточно для эффективной реализации программной виртуализации, и в новом семействе компьютеров IBM System 370 на уровне архитектуры процессора были реализованы средства аппаратной поддержки виртуализации. Смысл аппаратной поддержки виртуализации на уровне архитектуры процессора заключался в том, что когда гостевая операционная система (операционная система виртуальной машины) выполнялась непосредственно на реальном процессоре и генерировала исполняемую процессором привилегированную команду (команду с наивысшим уровнем привилегий), то процессор должен был прервать свою работу и передать управление монитору виртуальных машин, который и решал, можно ли выполнить такую команду или необходимо смоделировать ее выполнение другими средствами. Для компьютеров IBM System 370 была специально разработана операционная система VM/370, выполняющая функции монитора виртуальных машин и поддерживающая архитектуру процессора, который имел аппаратные средства, бравшие на себя б о льшую часть работы монитора виртуальных машин по перехвату и эмуляции привилегированных команд. Преобразование команд и адресов памяти выполнялось на аппаратном уровне.

После реализации программно-аппаратной виртуализации в компьютерах IBM System 370 аппаратная поддержка виртуализации была реализована в системах VM/ESA, в которых механизмы управления памятью позволяли выделять гостевым системам отдельные непрерывные области памяти и более эффективно преобразовывать адреса памяти.

Следует отметить, что технология виртуализации, которая стала своего рода стандартом де-факто для больших ЭВМ и мэйнфреймов, долгое время не могла «прижиться» в компьютерах с архитектурой х86, и тому были свои весомые причины.

Применение виртуальных машин

Если в период широкого применения мэйнфреймов основной задачей виртуальных машин была персонализация рабочей среды пользователя (свой текстовый редактор, компилятор языка Fortran, компоновщик, загруженные процессы и пр.), то сегодня они применяются для решения совершенно иных задач.

Виртуальные машины с настольными операционными системами используются разработчиками программного обеспечения для тестирования приложений.

Типичный пример применения виртуальных машин — тестирование приложений на корректность работы под управлением различных операционных систем (например, Windows 2000, Windows XP и Windows 98 разных языковых версий с различной комбинацией установленных пакетов обновлений и офисных приложений). Такое тестирование обычно производится при разработке «коробочных» продуктов и в проектах внедрения бизнес-приложений, предполагающих наличие у заказчика действующих рабочих станций и серверов, приобретенных в разные годы.

Тестированию в виртуальных машинах удобно подвергать приложения, влияющие на настройки операционных систем, например инсталляционные приложения. Дело в том, что инсталляционные приложения обычно не только копируют файлы, но и вносят изменения в реестр, файлы конфигурации, переменные окружения, системное меню. Для возвращения операционной системы в исходное состояние нужно устранить эти изменения, и в случае применения виртуальной машины вместо реальной можно просто восстановить конфигурацию операционной системы из резервной копии виртуальной машины.

Серверные средства управления виртуальными машинами используются тогда, когда на одном физическом сервере требуется выполнять приложения, не отличающиеся высокой степенью загруженности и высоким трафиком, но требующие наличия либо различных платформ, либо несовместимых между собой конфигураций одной и той же платформы.

Помимо разработчиков приложений, системных интеграторов и администраторов сетей, виртуальные машины с настольными операционными системами иногда могут применяться и бизнес-пользователями. Наиболее распространенный пример — использование их для запуска приложений, не функционирующих под управлением операционной системы, установленной на рабочей станции пользователя (например, написанных много лет назад DOS-приложений, которые по-прежнему эксплуатируются).

Другими примерами применения являются тестирование работоспособности самих операционных систем или сетевых служб, документирование приложений, предназначенных для платформы, отличной от той, что используется для подготовки документации, демонстрация продуктов для различных платформ и их взаимодействия на одном компьютере, подготовка учебных классов к занятиям путем копирования на рабочие станции виртуальных машин с настроенным программным обеспечением, техническая поддержка многоплатформенных продуктов.

Обсудив, что представляет собой современная технология виртуальных машин и где она применяется, перейдем к рассмотрению наиболее распространенных средств управления ими. В настоящее время на рынке указанной категории программного обеспечения лидируют две компании: Microsoft и VMware, Inc. — обе они производят средства управления виртуальными машинами и для рабочих станций, и для серверов.