Виртуализацияклассификация и области применения. Бесплатные серверные платформы виртуализации

Сегодня расскажу, что такое виртуализация, для чего она нужно и что она вам даст при ее внедрении. Рассмотрим понятия гипервизор. Разберем как это организованно у компании VMware на примере ее продукта ESXI 5.5. Основная задача любого бизнеса представленного в интернете это доступность ее сервисов. Сервесы как следует работают на железных серверах, представим ситуацию, что на одном мощном физическом сервере живет 5 разных сервисов. Все они имеют доступ к одной файловой систем, к ресурсам, они работают все хорошо. Проходит время и они начинают мешать друг другу, по разным причинам обновления по или самой ос. В итоге вы получаете что у вас из за одной службы перестаю работать нормально или вообще остальные 4. Виртуализация как раз помогает бизнесу консолидировать ресурсы и сделать каждый сервис не зависимым в рамках одного физического сервера.

Запомните золотое правило один сервер, один сервис

Физическая инфраструктура

Рассмотрим как работает приложение на физическом уровне. В современном мире если рассматривать железо на серверах, в 90 процентов случаем, оно не до загружено, в среднем процентов на 50-60, а это означает низкую утилизацию ресурсов. Примеров не рационального использования может служит служба DHCP , которая по определению легкая и может обслуживать хоть 1000 клиентов, будь она на Windows или Linux. В итоге запустив его на мощном сервере вы плохо его используете, недогружая, тратите лишнюю электро энергию, чем больше у вас таких серверов, тем мощнее нужна система охлаждения, мощнее система резервного электро питания, больше физического пространства в Unit. Короче как вы поняли всего больше, но когда пришла технология виртуализации, все поменялось, но об этом позже. Ниже представлена схема как работает приложение на физическом сервере.

Есть physical host, на котором стоит ОС и уже в ней крутится приложение. К physical host можно подключать ISCSI, NFS, FC системы хранения.

Такое шапито не могло долго продолжаться, и бизнесу задолбалось терять деньги на новом оборудовании. И вот тут в их жизнь вошла виртуализация. Такое магическое, не понятное слово, что из будущего. Технология виртуализации, помогла консолидировать ресурсы серверов, позволив запускать в рамках одного физического сервера, множество изолированных операционных систем, искренне считающих себя не зависимыми. на отдельном сервере, имея виртуальное оборудование. Клиенту как потребителю, вообще не интересует вообще до лампочки на чем реализован его сервис, будь то почта будь то база данных, ему главное продукт, но для бизнеса выгоднее когда в рамках одного сервера они могли бы запихнуть на него больше сервисов и продать их клиенту. Бала решена еще одна задача это поддержка старых приложений, которые написаны под какой нибудь Windows 95, а обновиться то хочется, в итоге создаете с ним отдельную виртуальную машину и живете спокойно. Проще стал переход от одного железа к другому, перенос осуществляется на лету без выключения, в большинстве случаев. Так что при поломке физического сервера, у вас будет возможность запустить виртуальную машину на другом, без проблем.

Пример из жизни: Есть сервер HP ему 4 года, ку него закончилась гарантия. В один из прекрасных дней на нем стали крошится диски, замена одного из таких стоила 800 баксов. За эти деньги были куплены 3 SSD Samsung evo 850, чувствуете разницу. В итоге на сервере были установлены все ssd и он был превращен в хост виртуализации, где на него переехали все те же виртуалки с теме же сервисами. А если бы был просто физический сервер, то все накрылось бы медным тазом. Виртуализация спасла нас от большого геморроя.

История виртуализации

История данной задумки и технологии началась еще в далеких 90 годах, первым ее реализовала компания VMware. Она предложила вариант, что ресурсы одного большого монстра, можно поделить на всех и жить по братски, так появилась концепция гипервизора. Гипервизор - это прослойка между ос и железом, которая помогает реализовать виртуализацию. В VMware это VMkernel процесс.

Виртуальная инфраструктура выглядит следующим образом, есть ESXi host , на нем лежит прослойка hepervisor VMware vSphere по верх которого уже лежат виртуальные машины. И все подключения FC, NFS, ISCSI идут только к ESXi host, который отдает все это дело гипервизору, где он уже дальше перераспределяет все ресурсу страждущим.

Ниже представлена картинка как выглядит Physical архитектура и виртуализация vmware. В физической архитектуре, ос функцианирует по верх железного оборудования. Рассматривая виртуализацию vmware, тут уже все немного иначе. Отличие в прослойке гипервизора ESXI (VMware vSphare). VMware vSphare Позволяет запускать экземпляры виртуальных машин, эмулируя для них оборудование. В такой реализации будет другая схема общения с ресурсами. Об этом мы поговорим в будущем.

В мире виртуализации есть одна вещь, которая никогда не виртуализовывается, это друзья процессор CPU. Виртуализация vmware или MS этого делать не умеют. Стартуя виртуальная машина, в зависимости от настроек получает одно или более ядер, виртуалка осознает какой тип CPU, версия и частотность на нем, все команды она на прямую отправляет на него. По этому очень важно, правильное распределение по ядрам CPU, чтобы виртуальные машины не мешали друг другу.

Что касается виртуализации сети, тут дело выглядит следующим образом. Если рассматривать физический сервер, то имея у себя сетевой адаптер, он использует его монопольно, со всей полосой пропускания. Рассматривая virtual архитектуру, то есть виртуальный коммутатор , в который подключенный виртуализованные сетевые адаптеры, а виртуальный коммутатор, общается уже с физическим сетевым адаптером или адаптерами. Вся пропускная способность делится на все виртуальные машины, но можно настроить приоритеты.

Осталось рассмотреть еще дисковую подсистему. Слева классическая ситуация с железным хостом, не важно как ос, использоваться все будет в монопольном режиме. Рассматривая виртуальные жесткие диски, тут иначе. Каждая ос думает, что у нее настоящий жесткий диск, но по факту это файл лежащий на общем хранилище, как и файлы других виртуальных машин. И не важно по какому протоколу соединено с хостом хранилище.

Виртуализа́ция в вычислениях - процесс представления набора вычислительных ресурсов, или их логического объединения, который даёт какие-либо преимущества перед оригинальной конфигурацией. Это новый виртуальный взгляд на ресурсы, не ограниченных реализацией, географическим положением или физической конфигурацией составных частей. Обычно виртуализированные ресурсы включают в себя вычислительные мощности и хранилище данных.

«За последние несколько лет рынок серверной виртуализации сильно возмужал. Во многих организациях более 75% серверов виртуальные, это говорит о высоком уровне насыщения», - заявил директор по исследованиям в Gartner Майкл Варилов (Michael Warrilow).

По словам аналитиков, отношение к виртуализации среди организаций различного размера отличается больше, чем когда-либо. Популярность виртуализации среди компаний с более крупными ИТ-бюджетами в 2014-2015 г.г. оставалась на прежнем уровне. Такие компании продолжают пользоваться виртуализацией активно, и в этом сегменте близится насыщение. Среди же организаций с более маленькими ИТ-бюджетами ожидается снижение популярности виртуализации в ближайшие два года (до конца 2017 г). Такая тенденция уже наблюдается.

«Физиколизация »

По наблюдениям Gartner, компании все чаще прибегают к так называемой «физиколизации» - запуску серверов без программного обеспечения для виртуализации. Ожидается, что к концу 2017 г. в более чем 20% таких компаний виртуальными будут менее трети операционных систем на серверах с архитектурой x86. Для сравнения, в 2015 г. таких организаций было в два раза меньше.

Аналитики отмечают, что причины отказа от виртуализации у компаний различные. Сегодня у заказчиков есть новые опции - они могут воспользоваться программно-конфигурируемой инфраструктурой или гиперконвергированными интегрированными системами. Появление таких опций заставляет поставщиков технологий виртуализации действовать активнее: расширять доступную «из коробки» функциональность своих решений, упрощать взаимодействие с продуктами и сокращать клиентам сроки окупаемости.

Гиперконвергированные интегрированные системы

В начале мая 2016 г. компания Gartner опубликовала прогноз относительно гиперконвергированных интегрированных систем. По оценке аналитиков, в 2016 г. этот сегмент вырастет на 79% по сравнению с 2015 г. почти до $2 млрд и в течение пяти лет достигнет стадии мейнстрима.

В ближайшие годы сегмент гиперконвергированных интегрированных систем будет демонстрировать самые высокие темпы роста по сравнению с любыми другими интегрированными системами. К концу 2019 г. он вырастет примерно до $5 млрд и займет 24% рынка интегрированных систем, прогнозируют в Gartner, отмечая, что рост этого направления приведет к каннибализации других сегментов рынка.

К гиперконвергированным интегрированным системам (hyperconverged integrated systems - HCIS) аналитики относят аппаратно-программные платформы, которые объединяют в себе программно-конфигурируемые вычислительные узлы и программно-конфигурируемую систему хранения данных, стандартное сопутствующее оборудование и общую панель управления.

Типы виртуализации

Виртуализация - это общий термин, охватывающий абстракцию ресурсов для многих аспектов вычислений. Некоторые наиболее характерные примеры виртуализации приведены ниже.

Паравиртуализация

Паравиртуализация - техника виртуализации , при которой гостевые операционные системы подготавливаются для исполнения в виртуализированной среде, для чего их ядро незначительно модифицируется. Операционная система взаимодействует с программой гипервизора, который предоставляет ей гостевой API , вместо использования напрямую таких ресурсов, как таблица страниц памяти. Код, касающийся виртуализации, локализуется непосредственно в операционную систему. Паравиртуализация требует, чтобы гостевая операционная система была изменена для гипервизора, и это является недостатком этого метода, так как подобное изменение возможно лишь в случае, если гостевые ОС имеют открытые исходные коды, которые можно модифицировать согласно лицензии. �В то же время паравиртуализация предлагает производительность почти как у реальной невиртуализированной системы, а также возможность одновременной поддержки различных операционных систем, как и при полной виртуализации.

Виртуализация инфраструктуры

В данном случае, будем понимать под этим термином создание ИТ-инфраструктуры , не зависимой от аппаратной части. Например, когда нужный нам сервис находится на гостевой виртуальной машине и нам в принципе не особо важно, на каком физическом сервере он располагается.

Виртуализация серверов, десктопов, приложений – существует множество методов для создания подобной независимой инфраструктуры. В этом случае на одном физическом или хост-сервере посредством специального ПО, именуемого "гипервизор", размещается несколько виртуальных или "гостевых" машин.

Современные системы виртуализации, в частности, VMware и Citrix XenServer в большинстве своем работают по принципу bare metal, то есть ставятся прямо на "голое железо".

Пример

Виртуальная система, построена не на bare metal гипервизоре, а на сочетании операционной системы Linux CentOS 5.2 и VMware Server на базе серверной платформы Intel SR1500PAL, 2 процессора Intel Xeon 3.2/1/800, 4Gb RAM, 2xHDD 36Gb RAID1 и 4xHDD 146Gb в RAID10 общим объемом 292Gb. На хост-машине размещены четыре виртуальные машины:

• почтовый сервер Postfix на базе операционной системы FreeBSD (Unix). Для доставки почты конечному пользователю использовался протокол POP3.
• прокси-сервер Squid на базе все той же системы FreeBSD .
• выделенный контроллер домена, DNS, DHCP на базе Windows 2003 Server Standard Edition .
• управляющая рабочая станция на базе Windows XP для служебных целей.

Виртуализация серверов

• Виртуальная машина - это окружение, которое представляется для «гостевой» операционной системы, как аппаратное. Однако на самом деле это программное окружение, которое симулируется программным обеспечением хостовой системы. Эта симуляция должна быть достаточно надёжной, чтобы драйверы гостевой системы могли стабильно работать. При использовании паравиртуализации, виртуальная машина не симулирует аппаратное обеспечение, а, вместо этого, предлагает использовать специальное

Виртуализация - это технология, обеспечивающая абстрагирование процессов и их представления от вычислительных ресурсов. Понятие виртуализации далеко не новое и было введено ещё в 60-х годах компанией IBM.

Можно выделить следующие разновидности виртуализации:

Типичными представителями виртуальных машин являются VMware Workstation и Microsoft Virtual PC, которые в основном используются в тестовых целях системными администраторами и разработчиками программного обеспечения. Компания VMware выпустила также бесплатную версию VMware Server, которая позволяет на одном физическом сервере запускать несколько виртуальных серверов, объединять их в сети, использовать их как обычные серверы в компании. Но данные продукты имеют один существенный недостаток – это производительность. Так как все виртуальные машины работают как приложения, им соответственно выделяются ресурсы операционной системы, которая в свою очередь выделяет ресурсы физического сервера. В итоге производительность даже одной виртуальной машины оказывается в несколько раз ниже, чем производительность физического сервера.

Ситуация кардинально изменилась, когда в процессорах появилась аппаратная поддержка виртуализации – Гипервизор. Были выпущены VMware vSphere 5(ESXi) и Microsoft Hyper-V. Эти продукты являются полноценными решениями виртуализации серверов, позволяющие получить производительность виртуальных машин практически аналогичную производительности физического сервера на котором они запущены. Эти решения позволяют использовать виртуализацию в масштабах предприятия. Таким образом, можно на ограниченном количестве высокопроизводительных серверов создать довольно мощную среду, состоящую из сотен виртуальных серверов, на которых будут работать корпоративные приложения, ERP системы, сервера баз данных и т.д. В данный момент ни один ЦОД не обходится без систем виртуализации серверов.

Преимущества виртуализации:

• Снижение затрат на оборудование. Благодаря консолидации нескольких виртуальных серверов на одном физическом сервере, виртуализация позволяет значительно сократить расходы на серверное оборудование. На одном физическом сервере могут одновременно функционировать десятки и даже сотни виртуальных серверов.
• Снижение затрат на программное обеспечение. Некоторые производители программного обеспечения ввели отдельные схемы лицензирования специально для виртуальных сред. Так, например, покупая одну лицензию на Microsoft Windows Server 2008 R2 Enterprise, вы получаете право одновременно её использовать на 1 физическом сервере и 4 виртуальных (в пределах одного сервера), а Windows Server 2008 R2 Datacenter лицензируется только на количество процессоров и может использоваться одновременно на неограниченном количестве виртуальных серверов.
• Снижение затрат на обслуживание. Меньшее количество оборудования легче и дешевле обслуживать.
• Снижение затрат на электроэнергию. В среднем 70% времени сервера работают в пустую, потребляя электроэнергию и выделяя большое количества тепла. Виртуализация позволяет более эффективно использовать процессорное время и увеличить утилизацию до 90%.
• Увеличение гибкости инфраструктуры. Виртуализация позволяет программному обеспечению абстрагироваться от физического оборудования. Таким образом, появляется возможность миграции виртуальных машин между различными физическими серверами. Раньше при выходе сервера из строя приходилось переустанавливать ОС, восстанавливать данные из резервных копий, что занимало часы. Сейчас достаточно мигрировать виртуальную машину с одного сервера на другой, без каких-либо переустановок. Также как VmWare, так и Hyper-V предоставляют средства миграции физических машин на виртуальные.
• Повышение уровня отказоустойчивости. Виртуализация предоставляет средства кластеризации целого сервера, независимо от работающего на нём программного обеспечения. Предоставляется возможность кластеризовать некластеризуемые сервисы. В данном случае получается не кластеризация в чистом виде, т.к. фактически происходит перезапуск виртуальной машины. Но в случае выхода из строя физического сервера, виртуальная машина автоматически запустится на другом сервере без вмешательства системного администратора.

Компания ЛанКей является ведущим российским системным интегратором, а также обладает статусом золотого партнёра Microsoft (Microsoft Gold Certified Partner) и VMware VIP Partner. Мы предлагаем решения виртуализации серверов в масштабах предприятия на базе и Microsoft Hyper-V . Компания ЛанКей предлагает услуги по построению центров обработки данных (ЦОД) с применением технологий виртуализации. Мы успешно завершили ряд проектов по внедрению систем виртуализации на базе данных продуктов, с которыми можно ознакомиться в разделе Выполненные проекты .

Сертифицированные специалисты ЛанКей проконсультируют вас по любым вопросам, связанным с технологиями виртуализации, помогут выбрать оптимальное решение для вашей ИТ-инфраструктуры, а также выполнят внедрение и обеспечат поддержку любых решений виртуализации.

Примеры некоторых проектов по виртуализации VMware и Hyper-V, реализованных компанией ЛанКей:

Заказчик	Описание решения
	В рамках плановой модернизации ИТ-инфраструктуры компания ЛанКей произвела развёртывание кластера виртуальных машин на базе гипервизора Microsoft Hyper-V из состава Windows Server 2012 Datacenter. В качестве серверной платформы использовались Blade-серверы и системы хранения данных HP. В качестве системы резервного копирования данных был развёрнут Microsoft System Center Data Protection Manager (DPM) 2012. А в целях автоматизации управления виртуальной средой был развёрнут Microsoft System Center Virtual Machine Manager (SCVMM) 2012. По результатам проекта от заказчика получен отзыв .
	В связи с открытием нового производственного комплекса в Московской области, стояла задача построить серверную инфраструктуру для автоматизиции процессов в складских помещениях. Компания ЛанКей построила кластер виртуальных машин на базе гипервизора VMware vSphere 5, а также серверов и систем хранения данных IBM. По результатам выполненных работ от заказчика получен положительных отзыв .
	Построен отказоустойчивый и масштабируемый кластер виртуальных машин на базе Hyper-V из состава Windows Server 2012 Datacenter. Аппаратная платформа кластера была основана на блэйд-серверах HP c7000 и системах хранения данных NetApp FAS2240.
	В рамках проекта по созданию ИТ-инфраструктуры построен кластер виртуальных машин на базе Windows Server 2012 Hyper-V. Для построения кластера использовались сервера и системы хранения данных IBM. В качестве системы резервного копирования был развёрнут Symantec BackUp Exec 2012 V-Ray Edition. Изначально вся инфраструктура была развёрнута на базе облачных сервисов IaaS компании ЛанКей, после чего все виртуальные машины были смигрированы из облачной инфраструктуры в локальный кластер заказчика.
	ООО «РН-Энерго» - крупнейшая независимая энергосбытовая компания, осуществляющая поставки электроэнергии потребителям по всей территории Российской Федерации. В рамках проекта модернизации ЦОД «РН-Энерго», компания ЛанКей построила отказоустойчивый кластер виртуальных машин на базе VMware vSphere 5.1. Была произведена модернизация существующих блэйд-систем, а также установка новых серверов и систем хранения данных. Существующие серверные мощности и критические бизнес-системы были мигрированы на новый кластер виртуальных машин с соблюдением непрерывности бизнес-процессов. Для реализации задач бизнеса по хранению, резервированию и восстановлению информации была внедрена система резервного копирования данных для виртуальной среды на базе Veeam BackUp, что позволило достигнуть необходимых показателей RTO и RPO.
	В рамках проекта по созданию ИТ-инфраструктуры ОАО "Квадра-Р" выполнено построение отказоустойчивого кластера виртуальных машин на базе VMware vSphere 5.1. Использовались сервера и системы хранения данных производства HP. Для обеспечения задач по резервному копированию было выполнено внедрение системы резервного копирования на базе Veeam BackUp & Replication, являющегося одним из лидеров рынка. Резервирование электропитания было реализовано на базе ИБП производства APC. Все сопутствующие сервисы были развёрнуты на базе построенного кластера виртуальных машин.
	В связи с совершением сделки по покупке 100% акций компании ОАО «СИБУР-Минудобрения» (впоследствии переименован в ОАО "СДС-Азот") Холдинговой компаний "Сибирский деловой союз" в декабре 2011 года, возникла необходимость в отделении ИТ-инфраструктуры ОАО «СДС-Азот» от сети Холдинга СИБУР.

В рамках данной лекции будут рассмотрены следующие вопросы: Особенности виртуализации серверов. Виртуальные машины. Гипервизоры. Определения. Типы. Список материалов для самостоятельного изучения.

• Особенности виртуализации серверов
• Виртуальные машины
• Гипервизоры
• Термины
• Краткие итоги

Ранее, в данном курсе, рассматривалась виртуализация серверов и преимущества данного подхода. В текущей лекции мы остановимся подробнее на этом вопросе.

Примечание. Материал лекции основан на разделе "Server Virtualization" книги "Understanding Microsoft Virtualizations Solutions" M. Tulloch (Chapter 2).

В настоящее время серверы выполняют широкий круг задач, а аппаратные мощности обеспечивают возможность развертывания нескольких сложных приложений в рамках одного сервера. При этом ряд приложений, функционирующих на сервере, могут быть несовместимы с другими решениями. Таким образом, с точки зрения отказоустойчивости, безопасности и управления, организационный подход "одно приложение - один сервер" является наиболее предпочтительным, что, тем не менее, влечет за собой проблему неоптимального использования вычислительных ресурсов - часть мощностей будет простаивать, не говоря уже о том, что даже средней организации придется содержать парк из нескольких серверов.

Таким образом, подход при котором на каждое приложение выделяется отдельный сервер является предпочтительным по критериям надежности и качества работы приложений, но и очень затратным.

Решением, в подобной ситуации, может стать виртуализация серверов, при этом организационный подход сводится к "одно приложение - один виртуальный сервер". На одном сервере могут быть развернуты несколько виртуальных машин, действующих как отдельные компьютеры со своей операционной системой.

Особенности виртуализации серверов

Основываясь на вступительной части лекции, можно сказать, что целью виртуализации серверов, с точки зрения бизнеса, является организация оптимальной серверной инфраструктуры по соотношению затрат на ее организацию и обеспечиваемых ею возможностей.

Иными словами, виртуализация серверов позволяет:

• минимизировать затраты на покупку серверного оборудования;
• снизить издержки на сопровождение серверной инфраструктуры;
• упростить процесс резервирования (создание резервных виртуальных машин на разных физических серверах);
• организовать изолированную виртуальную среду для тестирования и отладки работы приложений;
• продлить срок использования программных решений более старых версий;
• осуществить процесс миграции серверного окружения из одного места в другое.

Отметим следующее, несмотря на несомненные преимущества виртуализации серверов, следует тщательно планировать данный процесс. Во - первых, не следует создавать большое число виртуальных машин на одном сервере, поскольку виртуализация фактически делит вычислительные мощности между виртуальными серверами. Во - вторых, миграцию виртуальной машины можно осуществить лишь в том случае, если в обоих физических серверах используются процессоры одного производителя.

Виртуальные машины

Хотя мы уже давали определение виртуальной машины ранее, для полноты восприятия материала последующих лекций необходимо подробнее рассмотреть некоторые аспекты использования множества операционных систем на одном физическом компьютере.

Виртуальная машина

Каждая операционная система функционирует в рамках отдельной виртуальной машины и использует логический экземпляры процессора, жесткого диска, сетевого адаптера и прочего аппаратного обеспечения. Виртуальные машины независимы друг от друга, каждая из операционных систем, функционирующих в их рамках, "считает", что монопольно контролирует оборудование физического компьютера.

С учетом особенностей виртуальных машин, серверная виртуализация должна отвечать следующим требованиям:

• Наличие интерфейса управления. Виртуализация серверов требует наличия управляющих интерфейсов для создания, настройки и мониторинга виртуальных машин (в т.ч. осуществлять все эти действия удаленно), функционирующих на компьютере.
• Управление памятью. Виртуализация серверов требует наличия решения, которое гарантирует, что каждая виртуальная машина получит необходимое количество ресурсов памяти и то, что данные ресурсы изолированы от других виртуальных машин.
• Наличие планировщика ресурсов. Необходимо наличие решения управления доступом виртуальных машин к аппаратным ресурсам. Администратор должен иметь возможность задавать приоритет доступа к ресурсам для каждой виртуальной машины.
• Контроль состояния виртуальной машины. Виртуализация серверов требует наличия решения для отслеживания информации о текущем состоянии всех виртуальных машин на компьютере и управления переходами от одного состояния к другому.
• Системы хранения и сетевого доступа. Серверная виртуализация требует наличия функционала, обеспечивающего представление аппаратных ресурсов таким образом, чтобы каждая виртуальная машина имела дело только со "своими" жесткими дисками и сетевым адаптером. Кроме того должна обеспечиваться возможность мультиплексного доступа к физическому оборудованию таким образом, чтобы ресурсы виртуальных машин были изолированы друг от друга.
• Виртуальные устройства. Серверная виртуализация требует наличия виртуальных устройств, которые могут быть использованы операционной системой виртуальной машины, как логическое представление устройств определенно типа. К примеру, если виртуальная операционная система пытается получить доступ к физическому устройству, то она получает его через связанное виртуальное устройство, функционирующее аналогично физическому.
• Драйверы виртуальных устройств. Серверная виртуализация требует наличия соответствующих драйверов виртуальных устройств в рамках операционной системы виртуальной машины, использующей эти устройства. Эти драйверы обеспечивают взаимодействие приложений с виртуальным представлением аппаратного обеспечения.

Таким образом, при выборе решения для виртуализации необходимо учитывать его соответствие указанным требованиям.

Гипервизоры

Понимание виртуализации серверов и виртуальных машин будет неполным без представления о гипервизоре.

Гипервизор - программное обеспечение или аппаратная схема, обеспечивающая единовременное параллельное функционирование нескольких операционных систем на одном компьютере.

Основное назначение гипервизора - обеспечение изолированных сред выполнения для каждой виртуальной машины и управление доступом виртуальной машины и гостевой операционной системы к физическим аппаратным ресурсам компьютера.

Выделяют несколько типов гипервизоров.

Гипервизор первого типа выполняется как контрольная программа непосредственно на стороне аппаратной части компьютера. Операционные системы виртуальных машин выполняются уровнем выше.

Рис. 5.1. Гипервизор 1го типа

Поскольку данный гипервизор работает независимо от операционной системы он обеспечивает большую производительность, надежность и безопасность.

Гипервизоры первого типа используются в следующих решениях:

• Microsoft Hyper - V.
• VMware ESX Server.
• Citrix XenServer.

Гипервизор второго типа выполняется в рамках хостовой операционной системы. Гостевые операционные системы виртуальных машин располагаются уровнем выше.

Рис. 5.2. Гипервизор 2го типа

Данный тип гипервизоров обеспечивает худшую производительность, по сравнению с первым типом.

Гипервизоры второго типа используются в следующих решениях:

• Microsoft Virtual Server.
• VMware Server.
• Microsoft Virtual PC.

Следующим типом гипервизора является монолитный. В состав монолитного гипервизора включены драйверы аппаратных устройств.

Рис. 5.3. Монолитный гипервизор

Использование монолитного гипервизора имеет как ряд преимуществ, так и некоторые недостатки. В качестве преимущества можно отметить сравнительно высокую производительность, поскольку гостевые операционные системы взаимодействуют напрямую с аппаратным обеспечением хостового компьютера.

При этом, учитывая многообразие аппаратных устройств таких как материнские платы, контроллеры HDD, сетевые адаптеры и т.д., разработчики решений виртуализации вынуждены тесно сотрудничать с производителями аппаратного обеспечения. Таким образом, поддерживается только оборудование, драйверы которого содержатся в гипервизоре. Также стоит отметить более низкую безопасность, поскольку все происходит в наиболее привилегированной части системы.

Монолитный гипервизор используется в решении VMware ESX.

Заключительный тип гипервизора, который мы рассмотрим - микроядерный. В данном случае драйверы устройств находятся внутри хостовой операционной системы. При этом хостовая операционная система, как гостевые, запускается в виртуальном окружении и называется "родительской". Только родительская операционная система имеет доступ к аппаратному обеспечению, дочерние, в свою очередь, могут взаимодействовать с аппаратной частью только через "родителя".

Рис. 5.4. Микроядерный гипервизор

Данный тип гипервизоров обладает рядом преимуществ по сравнению с монолитными:

• совместимость с любым оборудованием, драйверы которого располагаются в рамках родительской ОС.
• более высокий уровень безопасности.
• более высокая производительность гипервизора, поскольку он не должен взаимодействовать с драйверами устройств.

Примером использования данного типа гипервизора является Microsoft Hyper - V.

Термины

Виртуальная машина - программная вычислительная среда, использующая аппаратные ресурсы физического компьютера и обеспечивающая возможность запуска нескольких операционных систем на одном компьютере.

Виртуализация сервера - процесс размещения нескольких виртуальных серверов в рамках одного физического.

Гипервизор - программное, или аппаратное решение, позволяющее одновременное и параллельное функционирование нескольких операционных систем на одном компьютере.

Краткие итоги

Целью данной лекции было сформировать начальное представление о виртуализации серверов, необходимых требованиях для данного вида решений, структуре гипервизоров и виртуальных машинах. Все это является необходимым минимумом для дальнейшего рассмотрения решения виртуализации серверов Microsoft Hyper - V в последующих лекциях.

Приведенное разнообразие гипервизоров должно лишний раз сказать о том, что внедрению решений виртуализации в бизнесе должны предшествовать этапы анализа и планирования.

Платформа Microsoft Application Virtualization (App-V) , как и MED-V является частью Microsoft Desktop Optimization Pack и используется для преобразования приложений в виртуальные службы с централизованным управлением. Иными словами, приложение при этом функционирует в изолированной виртуальной среде.

Подобный подход, в числе прочего, позволяет:

• использовать приложения без непосредственной их установки;
• решить проблему совместимости приложений, как с операционной системой, так и с другими приложениями (одно приложение - одна изолированная среда);
• использовать параллельно несколько версий одного приложения;
• централизовать управление приложениями;
• ускорить процесс развертывания нового рабочего места;
• упростить процессы обновления и исправления приложений;
• контролировать использование лицензий.

Виртуализировать, естественно, можно не все приложения. Приложения запускающиеся до загрузки операционной системы, устанавливающие драйверы, антивирусы и т.п. не поддерживаются технологией App-V.

Принципы работы

Виртуальное приложение является приложением, которое может работать в рамках автономной виртуальной среды, которую иногда называют "песочницей", располагающейся на хосте.

Виртуальная среда содержит все необходимое для запуска приложения и запускается в рамках клиентского программного обеспечения App-V.

После виртуализации самих приложений и установки клиентского программного обеспечения App-V, становятся возможными различные способы доставки приложений на клиентский компьютер.

Рассмотрим более подробно механизмы работы App-V.

Сегодня, говоря о технологиях виртуализации, как правило, подразумевают виртуализацию серверов, так как последняя становится наиболее популярным решением на рынке IT. Виртуализация серверов подразумевает запуск на одном физическом сервере нескольких виртуальных серверов. Виртуальные машины или сервера представляют собой приложения, запущенные на хостовой операционной системе, которые эмулируют физические устройства сервера. На каждой виртуальной машине может быть установлена операционная система, на которую могут быть установлены приложения и службы. Типичные представители это продукты VmWare (ESX, Server, Workstation) и Microsoft (Hyper-V, Virtual Server, Virtual PC).

Рис. 2.3.

Центры обработки данных используют большое пространство и огромное количество энергии, особенно если прибавить к этому сопровождающие их системы охлаждения и инфраструктуру. Средствами технологий виртуализации выполняется консолидация серверов, расположенных на большом количестве физических серверов в виде виртуальных машин на одном высокопроизводительном сервере.

Число физических машин, необходимых для работы в качестве серверов уменьшается, что снижает количество энергии, необходимой для работы машин и пространство, требуемое для их размещения. Сокращение в количестве серверов и пространстве уменьшает количество энергии, необходимой для их охлаждения. При меньшем расходе энергии вырабатывается меньшее количество углекислого газа. Данный показатель, например в Европе, имеет достаточно важную роль.

Немаловажным фактором является финансовая сторона. Виртуализация является важным моментом экономии. Виртуализация не только уменьшает потребность в приобретении дополнительных физических серверов, но и минимизирует требования к их размещению. Использование виртуального сервера предоставляет преимущества по быстроте внедрения, использования и управления, что позволяет уменьшить время ожидания развертывания какого-либо проекта.

Не так давно появились модели последнего поколения процессоров в архитектуре x86 корпораций AMD и Intel, где производители впервые добавили технологии аппаратной поддержки виртуализации. До этого виртуализация поддерживалась программно, что естественно приводила к большим накладным расходам производительности.

Для появившихся в восьмидесятых годах двадцатого века персональных компьютерах проблема виртуализации аппаратных ресурсов, казалось бы, не существовала по определению, поскольку каждый пользователь получал в свое распоряжение весь компьютер со своей ОС. Но по мере повышения мощности ПК и расширения сферы применения x86-систем ситуация быстро поменялась. "Диалектическая спираль" развития сделала свой очередной виток, и на рубеже веков начался очередной цикл усиления центростремительных сил по концентрации вычислительных ресурсов. В начале нынешнего десятилетия на фоне растущей заинтересованности предприятий в повышении эффективности своих компьютерных средств стартовал новый этап развития технологий виртуализации, который сейчас преимущественно связывается именно с использованием архитектуры x86.

Отметим, что хотя в идеях x86-виртуализации в теоретическом плане вроде бы ничего неизвестного ранее не было, речь шла о качественно новом для ИТ-отрасли явлении по сравнению с ситуацией 20-летней давности. Дело в том, что в аппаратно-программной архитектуре мэйнфреймов и Unix-компьютеров вопросы виртуализации сразу решались на базовом уровне и аппаратном уровне. Система же x86 строилась совсем не в расчете на работу в режиме датацентров, и ее развитие в направлении виртуализации - это довольно сложный эволюционный процесс со множеством разных вариантов решения задачи.

Важный момент заключается также в качественно разных бизнес-моделях развития мэйнфреймов и x86. В первом случае речь идет фактически о моновендорном программно-аппаратном комплексе для поддержки довольно ограниченного круга прикладного ПО для достаточно узкого круга крупных заказчиков. Во втором - мы имеем дело с децентрализованным сообществом производителей техники, поставщиков базового ПО и огромной армией разработчиков прикладного программного обеспечения.

Использование средств x86-виртуализации началось в конце 90-х с рабочих станций: одновременно с увеличением числа версий клиентских ОС постоянно росло и количество людей (разработчиков ПО, специалистов по технической поддержке, экспертов), которым нужно было на одном ПК иметь сразу несколько копий различных ОС.

Виртуализация для серверной инфраструктуры стала применяться немного позднее, и связано это было, прежде всего, с решением задач консолидации вычислительных ресурсов. Но тут сразу сформировалось два независимых направления:

• поддержка неоднородных операционных сред (в том числе, для работы унаследованных приложений). Этот случай наиболее часто встречается в рамках корпоративных информационных систем. Технически проблема решается путем одновременной работы на одном компьютере нескольких виртуальных машин, каждая из которых включает экземпляр операционной системы. Но реализация этого режима выполнялась с помощью двух принципиально разных подходов: полной виртуализации и паравиртуализации ;
• поддержка однородных вычислительных сред подразумевает изоляцию служб в рамках одного экземпляра ядра операционной системы (виртуализация на уровне ОС ), что наиболее характерно для хостинга приложений провайдерами услуг. Конечно, тут можно использовать и вариант виртуальных машин, но гораздо эффективнее создание изолированных контейнеров на базе одного ядра одной ОС.

Следующий жизненный этап технологий x86-виртуализации стартовал в 2004-2006 гг. и был связан с началом их массового применения в корпоративных системах. Соответственно, если раньше разработчики в основном занимались созданием технологий исполнения виртуальных сред, то теперь на первый план стали выходить задачи управления этими решениями и их интеграции в общую корпоративную ИТ-инфраструктуру. Одновременно обозначилось заметное повышение спроса на виртуализацию со стороны персональных пользователей (но если в 90-х это были разработчики и тестеры, то сейчас речь уже идет о конечных пользователях как профессиональных, так и домашних).

Многие трудности и проблемы разработки технологий виртуализации связаны с преодолением унаследованных особенностей программно-аппаратной архитектуры x86. Для этого существует несколько базовых методов:

(Full, Native Virtualization). Используются не модифицированные экземпляры гостевых операционных систем, а для поддержки работы этих ОС служит общий слой эмуляции их исполнения поверх хостовой ОС, в роли которой выступает обычная операционная система. Такая технология применяется, в частности, в VMware Workstation, VMware Server (бывший GSX Server), Parallels Desktop, Parallels Server, MS Virtual PC, MS Virtual Server, Virtual Iron. К достоинствам данного подхода можно причислить относительную простоту реализации, универсальность и надежность решения; все функции управления берет на себя хост-ОС. Недостатки - высокие дополнительные накладные расходы на используемые аппаратные ресурсы, отсутствие учета особенностей гостевых ОС, меньшая, чем нужно, гибкость в использовании аппаратных средств.

(paravirtualization). Модификация ядра гостевой ОС выполняется таким образом, что в нее включается новый набор API, через который она может напрямую работать с аппаратурой, не конфликтуя с другими виртуальными машинами. При этом нет необходимости задействовать полноценную ОС в качестве хостового ПО, функции которого в данном случае исполняет специальная система, получившая название гипервизора ( hypervisor ). Именно этот вариант является сегодня наиболее актуальным направлением развития серверных технологий виртуализации и применяется в VMware ESX Server, Xen (и решениях других поставщиков на базе этой технологии), Microsoft Hyper-V. Достоинства данной технологии заключаются в отсутствии потребности в хостовой ОС – ВМ, устанавливаются фактически на "голое железо", а аппаратные ресурсы используются эффективно. Недостатки - в сложности реализации подхода и необходимости создания специализированной ОС-гипервизора.

Виртуализация на уровне ядра ОС (operating system-level virtualization). Этот вариант подразумевает использование одного ядра хостовой ОС для создания независимых параллельно работающих операционных сред. Для гостевого ПО создается только собственное сетевое и аппаратное окружение. Такой вариант используется в Virtuozzo (для Linux и Windows), OpenVZ (бесплатный вариант Virtuozzo) и Solaris Containers. Достоинства - высокая эффективность использования аппаратных ресурсов, низкие накладные технические расходы, отличная управляемость, минимизация расходов на приобретение лицензий. Недостатки - реализация только однородных вычислительных сред.

Подразумевает применение модели сильной изоляции прикладных программ с управляемым взаимодействием с ОС, при которой виртуализируется каждый экземпляр приложений, все его основные компоненты: файлы (включая системные), реестр, шрифты, INI-файлы, COM-объекты, службы. Приложение исполняется без процедуры инсталляции в традиционном ее понимании и может запускаться прямо с внешних носителей (например, с флэш-карт или из сетевых папок). С точки зрения ИТ-отдела, такой подход имеет очевидные преимущества: ускорение развертывания настольных систем и возможность управления ими, сведение к минимуму не только конфликтов между приложениями, но и потребности в тестировании приложений на совместимость. Данная технология позволяет использовать на одном компьютере, а точнее в одной и той же операционной системе несколько несовместимых между собой приложений одновременно. Виртуализация приложений позволяет пользователям запускать одно и то же заранее сконфигурированное приложение или группу приложений с сервера. При этом приложения будут работать независимо друг от друга, не внося никаких изменений в операционную систему. Фактически именно такой вариант виртуализации используется в Sun Java Virtual Machine , Microsoft Application Virtualization (ранее называлось Softgrid), Thinstall (в начале 2008 г. вошла в состав VMware), Symantec/Altiris.

Виртуализация представлений (рабочих мест) Виртуализация представлений подразумевает эмуляцию интерфейса пользователя. Т.е. пользователь видит приложение и работает с ним на своём терминале, хотя на самом деле приложение выполняется на удалённом сервере, а пользователю передаётся лишь картинка удалённого приложения. В зависимости от режима работы пользователь может видеть удалённый рабочий стол и запущенное на нём приложение, либо только само окно приложения.

Потребности бизнеса меняют наши представления об организации рабочего процесса. Персональный компьютер, ставший за последние десятилетия неотъемлемым атрибутом офиса и средством выполнения большинства офисных задач, перестает успевать за растущими потребностями бизнеса. Реальным инструментом пользователя оказывается программное обеспечение, которое лишь привязано к ПК, делая его промежуточным звеном корпоративной информационной системы. В результате активное развитие получают "облачные" вычисления, когда пользователи имеют доступ к собственным данным, но не управляют и не задумываются об инфраструктуре, операционной системе и собственно программном обеспечении, с которым они работают.

Вместе с тем, с ростом масштабов организаций, использование в ИТ-инфраструктуре пользовательских ПК вызывает ряд сложностей:

• большие операционные издержки на поддержку компьютерного парка;
• сложность, связанная с управлением настольными ПК;
• обеспечение пользователям безопасного и надежного доступа к ПО и приложениям, необходимым для работы;
• техническое сопровождение пользователей;
• установка и обновление лицензий на ПО и техническое обслуживание;
• резервное копирование и т.д.

Уйти от этих сложностей и сократить издержки, связанные с их решением, возможно благодаря применению технологии виртуализации рабочих мест сотрудников на базе инфраструктуры виртуальных ПК – Virtual Desktop Infrastructure ( VDI ). VDI позволяет отделить пользовательское ПО от аппаратной части – персонального компьютера, - и осуществлять доступ к клиентским приложениям через терминальные устройства.

VDI - комбинация соединений с удаленным рабочим столом и виртуализации. На обслуживающих серверах работает множество виртуальных машин, с такими клиентскими операционными системами, как Windows 7, Windows Vista и Windows XP или Linux операционными системами. Пользователи дистанционно подключаются к виртуальной машине своей настольной среды. На локальных компьютерах пользователей в качестве удаленного настольного клиента могут применяться терминальные клиенты, старое оборудование с Microsoft Windows Fundamentals или дистрибутив Linux.

VDI полностью изолирует виртуальную среду пользователей от других виртуальных сред, так как каждый пользователь подключается к отдельной виртуальной машине. Иногда используется статическая инфраструктура VDI , в которой пользователь всегда подключается к той же виртуальной машине, в других случаях динамическая VDI , в которой пользователи динамически подключаются к различным виртуальным машинам, и виртуальные машины создаются по мере необходимости. При использовании любой модели важно хранить данные пользователей вне виртуальных машин и быстро предоставлять приложения.

Наряду с централизованным управлением и простым предоставлением компьютеров, VDI обеспечивает доступ к настольной среде из любого места, если пользователи могут дистанционно подключиться к серверу.

Представим, что на клиентском компьютере возникла неполадка. Придется выполнить диагностику и, возможно, переустановить операционную систему. Благодаря VDI в случае неполадок можно просто удалить виртуальную машину и за несколько секунд создать новую среду, с помощью созданного заранее шаблона виртуальной машины. VDI обеспечивает дополнительную безопасность, так как данные не хранятся локально на настольном компьютере или ноутбуке.

Как пример виртуализации представлений можно рассматривать и технологию тонких терминалов, которые фактически виртуализируют рабочие места пользователей настольных систем: пользователь не привязан к какому-то конкретному ПК, а может получить доступ к своим файлам и приложениям, которые располагаются на сервере, с любого удаленного терминала после выполнения процедуры авторизации. Все команды пользователя и изображение сеанса на мониторе эмулируются с помощью ПО управления тонкими клиентами. Применение этой технологии позволяет централизовать обслуживание клиентских рабочих мест и резко сократить расходы на их поддержку - например, для перехода на следующую версию клиентского приложения новое ПО нужно инсталлировать только один раз на сервере.

Одним из наиболее известных тонких клиентов является терминал Sun Ray, для организации работы которого используется программное обеспечение Sun Ray Server Software . Для начала сеанса Sun Ray достаточно лишь вставить в это устройство идентификационную смарт-карту. Применение смарт-карты существенно повышает мобильность пользователя - он может переходить с одного Sun Ray на другой, переставляя между ними свою карточку и сразу продолжать работу со своими приложениями с того места, где он остановился на предыдущем терминале. А отказ от жесткого диска не только обеспечивает мобильность пользователей и повышает безопасность данных, но и существенно снижает энергопотребление по сравнению с обычными ПК, поэтому терминал Sun не имеет вентилятора и работает практически бесшумно. Кроме того, сокращение числа компонентов тонкого терминала уменьшает и риск выхода его из строя, а следовательно, экономит расходы на его обслуживание. Еще одно преимущество Sun Ray - это существенно расширенный по сравнению с обычными ПК жизненный цикл продукта , поскольку в нём нет компонентов, которые могут морально устареть.