Виртуализация. Преимущества и недостатки

Концепция виртуализации ИТ - инфраструктуры

Интерес к виртуализации возникший в последнее время, объясняется довольно просто - произошла смена парадигмы, один сервер больше не означает "одно приложение". На смену устоявшимся представлениям пришла идея множества приложений на одном физическом сервере, функционирующие в режиме SMP (симметричного мультипроцессинга). Во многом это стало возможным благодаря увеличению вычислительных мощностей при отставании роста нагрузки приложений.

SMP предполагает, что вычислительные ресурсы организуются в пулы. Ресурсы можно добавлять в пулы, выводить из них и делить между несколькими приложениями, консолидируя множество приложений на одном сервере.

Далее, в текущей лекции, будет приведено описание различных типов виртуализации. Отметим, что, как правило, под виртуализацией понимают преобразование аппаратного обеспечения в программное. Т.е. несколько виртуальных машин используют общие аппаратные ресурсы. Общий подход к виртуализации заключается в установке программного слоя либо в операционную систему, либо в аппаратное обеспечение компьютера. Установленный программный слой используется для создания виртуальных машин, распределения аппаратных ресурсов и т.д.

В свою очередь, виртуальная машина является частью более масштабного решения - виртуальной инфраструктуры, представляющей собой динамическое распределение физических ресурсов, в зависимости от потребностей пользователей. Если виртуальная машина использует ресурсы конкретного компьютера, на котором функционирует, то виртуальная инфраструктура использует физические ресурсы всей ИТ-среды.

Преимущества использования виртуальных машин

Какими бы техническими "изюминками" не обладало решение, его эффективность и целесообразность использования определяются обеспечиваемым им функционалом и преимуществами, по сравнению с иными способами решения тех же задач. Рассмотрим основные преимущества виртуализации:

• виртуальная машина работает под управлением гостевых операционных систем и содержит все стандартные компоненты компьютера, а значит виртуальная машина полностью совместима со стандартными операционными системами, программным обеспечением и т.д.;
• в рамках виртуальной машины можно работать с устаревшими программными решениями и операционными системами;
• возможность создать защищенные пользовательские окружения для работы с сетью, в этом случае вирусные атаки могут нанести вред операционной системе, а не виртуальной машине;
• несколько виртуальных машин, развернутых на физических ресурсах одного компьютера, изолированы друг от друга, таким образом, сбой одной из виртуальных машин не повлияет на доступность и работоспособность сервисов и приложений других;
• поскольку каждая виртуальная машина представляет собой программный контейнер, то она может быть перенесена или скопирована, как и любой иной файл;
• виртуальные машины не зависят от аппаратного обеспечения, на котором функционируют в том смысле, что в качестве значений параметров виртуальной машины, таких как оперативная память, процессор и т.п., можно указать значения и типы, отличающиеся от реальной физической конфигурации компьютера;
• виртуальные машины идеально подходят для процессов обучения и переподготовки, поскольку позволяют развернуть требуемую платформу вне зависимости от параметров и программного обеспечения хоста (физического компьютера, на котором функционирует виртуальная машина);
• возможность сохранения состояния виртуальной машины позволяет быстро вернуться к точке до внесения изменений в систему;
• в рамках одной гостевой операционной системы может быть развернуто несколько виртуальных машин, объединенных в сеть и взаимодействующих между собой;
• виртуальные машины могут создавать представления устройств, которых физически нет (эмуляция устройств).

Недостатки использования виртуальных машин

Несмотря на то, что большая часть недостатков виртуальных машин разрешима, нельзя не упомянуть о них:

• обеспечение единовременной работы нескольких виртуальных машин потребует достаточного количества аппаратных мощностей;
• в зависимости от используемого решения, операционная система виртуальной машины может работать медленнее, чем на "чистом" аналогичном аппаратном обеспечении;
• различные платформы виртуализации не поддерживают виртуализацию всего аппаратного обеспечения и интерфейсов.

Типы виртуализации.

Рассмотрим основные типы виртуализации различных компонент ИТ - инфраструктуры.

1. Виртуализация операционной системы.

   Является наиболее распространенной в данный момент формой виртуализации. Виртуальная операционная система (виртуальная машина) представляет собой, как правило, совмещение нескольких операционных систем, функционирующих на одной аппаратной основе. Каждая из виртуальных машин управляется отдельно при помощи VMM (Virtual Machine Manager). Лидерами в области поставок решений для виртуализации информационных систем являются Microsoft, AMD, Intel и VMware.
2. Виртуализация серверов приложений.

   Под данным процессом виртуализации понимают процесс интеллектуальной балансировки нагрузки. Балансировщик нагрузки управляет несколькими веб - серверами и приложениями, как единой системой, пользователь, при этом, "видит" только один сервер, который, фактически, предоставляет функционал нескольких серверов.
3. Виртуализация приложений.

   Под виртуализацией приложений следует понимать использование программных решений в рамках изолированной виртуальной среды (более подробно виртуализация приложений будет рассмотрена в последующих лекциях).
4. Виртуализация сети.

   Представляет собой объединение аппаратных и программных ресурсов в единую виртуальную сеть. Выделяют внутреннюю виртуализацию сети - создающую виртуальную сеть между виртуальными машинами одной системы, и внешнюю - объединяющую несколько сетей в одну виртуальную.
5. Виртуализация аппаратного обеспечения.

   В данном случае виртуализация заключается в разбиении компонент аппаратного обеспечения на сегменты, управляемые отдельно друг от друга. В некоторых случаях, виртуализация операционных систем невозможна без виртуализации аппаратного обеспечения.
6. Виртуализация систем хранения.

   В свою очередь делится на два типа: виртуализацию блоков и виртуализацию файлов.

   Виртуализация файлов, как правило используется в системах хранения, при этом ведутся записи о том, какие файлы и каталоги находятся на определенных носителях. Виртуализация файлов отделяет статичный указатель нахождения виртуального файла (C:\, к примеру) от его физического местоположения. Т.е. при запросе пользователем файла C:\file.doc решение виртуализации файлов отправит запрос к месту реального размещения файла.

   Виртуализация блоков. Используется в сетях распределенного хранения данных. Сервера - хранилища данных используют RAID - технологию. iSCSI интерфейс также использует блочную виртуализацию, позволяя операционной системе распределить виртуальное блочное устройство. Более подробную информацию о виртуализации систем хранения см. в п.№4 списка источников для самостоятельного изучения.
7. Виртуализация сервисов.

   По своей сути, виртуализация сервисов является объединением всех вышеуказанных типов виртуализации. Решение виртуализации сервисов позволяет работать с приложением вне зависимости от физического расположения его частей, объединяя и управляя их взаимодействием.

Приведенная выше типология рассматривает виртуализацию, в зависимости от части ИТ - инфраструктуры, в которой она применяется. Подходы к созданию интерфейсов между виртуальными машинами и системами виртуализации ресурсов также можно разделить на следующие типы:

• Полная виртуализация - технология, которая обеспечивает полную симуляцию базового оборудования, гостевая операционная система остается в нетронутом виде.
• Аппаратная виртуализация - технология, позволяющая запускать на одном компьютере (хосте) несколько экземпляров операционных систем (гостевых операционных систем). При этом гостевые ОС независимы друг от друга и от аппаратной платформы.

  Аппаратная виртуализация представляет собой набор инструкций, облегчающих выполнение операций на аппаратном уровне, которое до этого могли выполняться только программно, при этом затрачиваются дополнительные программные ресурсы.
• Паравиртуализация - техника виртуализации, при которой гостевые операционные системы подготавливаются для исполнения в виртуализированной среде, для этих целей в ядро ОС вносят незначительные изменения. Для взаимодействия с гостевой операционной системой используется API - интерфейс.

Виртуализация серверов. Сравнительное описание подходов.

Существует два основных подхода к виртуализации серверов: на одном сервере (на базе хоста), либо виртуализация операционной системы. Особенности подходов приведены ниже.

Виртуализация на базе хоста, или полная виртуализация, обладает следующими особенностями:

• возможность консолидации унаследованных серверов.
• не поддерживается изоляция аппаратных средств.
• при интенсивных вычислительных операциях производительность заметно падает.

Виртуализация на базе хоста, или паравиртуализация, обладает следующими особенностями :

• ограниченная поддержка ОС.
• не поддерживает поддержку унаследованных ОС.

Особенности виртуализации на базе хоста, или аппаратной виртуализации :

• реализация требует аппаратного обеспечения, поддерживающего Intel VT или AMD-V.
• сетевые и дисковые операции ввода\вывода осуществляются, практически, с эффективностью, обеспечиваемой исходным оборудованием.

Виртуализация операционной системы:

• применяется на серверах, требующих полной изоляции и высокой степени консолидации.
• преимущества различных решений виртуализации для бизнеса.
• параллельная работа нескольких ОС на одном сервере не поддерживается.
• имеется мало инструментальных средств корпоративного управления, в отличие от решений на базе виртуализации хоста.

Сценарии применения решений виртуализации

Рассмотрим типовые решения использования серверной виртуализации:

1. Консолидация. Виртуализация позволяет снизить количество физических серверов, а соответственно, и издержки на их техническое обслуживание. Кроме того, это ведет к упрощению ИТ - инфраструктуры, а значит к ее большей управляемости и гибкости.
2. Тестирование и разработка. Как уже отмечалось ранее, использование решений виртуализации позволяет ИТ - администраторам в короткие сроки разворачивать макет ИТ - инфраструктуры для целей тестирования. При чем это не потребует приобретения дополнительного оборудования, или перестройки уже имеющейся и функционирующей на предприятии ИТ - инфраструктуры.
3. Центр обработки данных. Виртуализация серверов позволяет обеспечить высокую степень адаптивности ИТ - инфраструктуры к меняющимся требованиям бизнеса. Благодаря возможности переноса виртуальных машин с одного сервера на другой, можно осуществлять динамическую балансировку нагрузки
4. Обеспечение отказоустойчивости сервисов. В случае сбоя физического сервера, обеспечивающего доступность и работоспособность сервисов посредством виртуальных машин, эти машины могут быть оперативно перенесены на базу другого физического сервера. Таким образом, время простоя сервисов из - за неисправностей, и по иным причинам, минимально.

Виртуализация рабочих станций

Виртуализация рабочих станций подразумевает выделение различных вычислительных уровней и хранение их в центрах обработки данных, таким образом, пользователи могут получить доступ к приложениям и данным по сети при минимальных рисках потери.

Сценариев использования виртуализации рабочих станций множество, все зависит исключительно от потребностей бизнеса. Если обобщить возможные варианты использования виртуализации рабочих станций, то можно выделить следующие цели:

• Обеспечение мобильности сотрудников. Виртуализация может обеспечить работу с приложениями без их установки, предоставляя доступ к данным как интерактивном, так и в автономном режимах.
• Обеспечение доступности приложений. Сотрудники фирмы могут использовать необходимые сервисы и приложения при наличии одного только подключения к Интернету. Отсутствует необходимость в привязке сотрудника к одному конкретному рабочему месту, для обеспечения выполняемых им функций.
• Защита интеллектуальной собственности. В случае, когда необходимо предоставить сотрудникам, партнерам или заказчикам конфиденциальную информацию, то для обеспечения ее сохранности, и управляемого доступа к ней, может быть использована инфраструктура виртуальных рабочих столов.

Преимущества решений виртуализации для бизнеса

Учитывая все вышесказанное можно выделить ряд положительных, с точки зрения бизнеса, моментов, обеспечиваемых использованием решений виртуализации:

1. обеспечение SMP - совместного использования пула ресурсов несколькими приложениями одновременно.
2. живая миграция - приложение может быть перенесено с одной группы ресурсов на другую без приостановления его функционирования.
3. оперативное развертывание дополнительных рабочих станций и серверов для тестирования, отладки и обновления имеющихся решений.
4. возможность добавлять и изымать ИТ - ресурсы из пула без необходимости остановки работ.
5. повышение устойчивости приложений.
6. балансировка используемых ресурсов.
7. сокращение энергопотребления за счет оптимизации, используемых ресурсов

Термины

SMP - симметричное мультипроцессирование - архитектура многопроцессорных компьютеров, в которой несколько одинаковых процессоров подключаются к общей памяти. SMP позволяет процессору работать с данными вне зависимости от места их расположения, при наличии соответствующего программного обеспечения задачи могут перемещаться между процессорами для обеспечения оптимального распределения нагрузки.

Консолидация приложений - процесс размещения нескольких приложений на одном физическом сервере (хосте).

Гостевая операционная система - операционная система виртуальной машины. На одном физическом хосте может быть одна хостовая операционная система и несколько гостевых.

VMM (Virtual Machine Manager) - тип приложений, разработанный для управления виртуальными машинами.

Полная виртуализация - технология полного симулирования базового оборудования.

Паравиртуализация - техника виртуализации, при которой гостевые операционные системы подготавливаются для работы в виртуальной среде путем внесения модификаций в их ядро.

Аппаратная виртуализация - технология, позволяющая запускать на одном компьютере (хосте) несколько виртуальных машин.

Балансировка нагрузки - распределение выполнения вычислительных задач между несколькими серверами с целью оптимизации использования ресурсов и сокращения времени исполнения.

Тонкий клиент - программное обеспечение в сетях с клиент - серверной архитектурой, используется для взаимодействия с сервером, как правило, не несет никакой вычислительной нагрузки.

Краткие итоги

Технология виртуализации является естественным ответом на всевозрастающее многообразие программных решений, их усложнение и, как следствие, постоянно меняющихся требований к аппаратной части и ИТ - инфраструктуре в целом.

В настоящее время, под виртуализацией, как правило, понимают процесс использования нескольких виртуальных машин, в зависимости от круга решаемых задач и потребностей бизнеса. Но это лишь малая часть потенциала технологий виртуализации. Уже кажется вполне реальным подход к формированию виртуальной ИТ - инфраструктуры.

Сложно усмотреть существенные недостатки в подобном подходе, который помимо гибкости, масштабируемости и надежности также обещает простоту в управлении и сокращение издержек. Пожалуй, единственным сдерживающим фактором может быть недостаток квалифицированного персонала для формирования и сопровождения подобной инфраструктуры.

Отметим, что без развития технологий виртуализации не был бы возможен и переход к "облакам", что будет описано позже, в рамках данного курса.

Мы рассмотрели в рамках текущей лекции концепцию виртуализации, ее типы, преимущества и недостатки различных подходов, а также многообразие сценариев использования решений виртуализации. Важным представляется следующий вывод: виртуализация сегодня, это уже не просто интересная тема и альтернативная возможность организации работы; виртуализация - уже совершенный "шаг", переход от классической инфраструктуры к виртуализированной уже осуществлен с концептуальной и технологической точек зрения и большего преимущества смогут добиться те, кто раньше остальных осуществит переход фактический.