Virtualizace

Obsah 1 Co znamená „virtuální“ 1.1 Slovíčko „virtuální“ v oblasti výpočetní techniky 2 Virtualizace (Virtualization) 2.1 „Historie virtualizace“ 3 Nezaměňujte pojmy 4 Virtualizace OS (platform virtualization) 4.1 Proč virtualizovat? 4.2 Přístupy ke zrychlení virtualizace 4.3 Kontejnery 5 HW požadavky 6 Zdroje

Co znamená „virtuální“

Slovíčko „virtuální“ v oblasti výpočetní techniky

1. Zajištění nezávislosti SW na HW
   • Virtualizace HW (platformy)
     • SW je spouštěn v prostředí, díky kterému je nezávislý na konkrétním HW
     • Touto variantou se zabýváme dále.
   • Emulace API (viz dále)
   • Virtualizace úložného prostoru
     • Disková pole, kde více fyzických disků spojíme do jednoho virtuálního úložiště a naopak jedno fyzické úložiště můžeme rozdělit na více virtuálních.
   • Virtualizace síťových zařízení
     • Jeden velký a rychlý router/switch/jiné zařízení lze rozdělit na více virtuálních.
2. Simulace reálného života, kterou nám zprostředkovává počítač
   • virtual reality (VR)
   • virtual world
3. Počítačová náhrada něčeho, co se běžně řeší bez počítačů
   • virtual community
   • virtual library
   • virtual conference — schůzka či konference, při které je každý účastník jinde a komunikaci zabezepčuje software.
4. Náhrada jedné věci jinou, která se na venek chová stejně
   • virtual private network (VPN)

Virtualizace (Virtualization)

Pojem virtualizace obecně

• Odstínění programu od HW či SW, na kterých je závislý.
• Program běží v prostředí, které zajišťuje veškeré jeho požadavky místo odpovídajícího HW.

Z předchozího studia již znáte

• virtuální stroje ve VirtualBoxu
• virtuální stroj Javy (JVM)
  • Překladem Javy vzniká bytecode, který je prováděn speciálním virtuálním počítačem.
  • Instrukce JVM neodpovídají žádnému reálnému HW — nejde o napodobení konkrétního HW, ale o to, že implementace JVM existují pro různé HW platformy: bytecode → JVM → libovolný HW, na kterém běží JVM
• virtuální paměť — viz Přístup procesů do paměti

„Historie virtualizace“

Jak moc byl v historii SW závislý na konkrétním HW?

Virtualizace je možná i díky růstu výkonu počítačů.

Nezaměňujte pojmy

Virtualizace HW × simulace HW

• Při simulaci vybíráme pouze podstatné vlastnosti simulovaného systému.
• Simulovaný HW nelze použít jako náhradu skutečného.

Virtualizace HW × emulace API

• API — aplikační rozhraní operačního systému — sada funkcí, které operační systém nabízí aplikacím pro přístup k HW.
• Ve většině operačních systémů nemůže aplikace pracovat s HW přímo, ale pouze prostřednictvím služeb API operačního systému.
• Při emulaci API aplikaci spustíme tak, že všechny požadavky na API operačního systému se předávají ve skutečnosti emulátoru API.
• Emulátor API přijímá systémová volání od aplikace a převádí je na odpovídající volání API hostujícího operačního systému.
• Emulaci API lze použít pouze pro programy stejné HW platformy, protože instrukce aplikací se provádí přímo v procesoru počítače (překládají se pouze volání API při přístupu k HW — běžné instrukce se provádí přímo).

Virtualizace OS (platform virtualization)

• Někdy také označováno jako virtualizace hardware.
• To je to, co známe z VirtualBoxu.
• Virtualizační nástroj (hypervizor) přijímá požadavky od aplikace a provádí je.

Aplikace → Virtuální OS → Hypervizor → (Hostující OS →) hardware

• Hypervizor může:
  • být aplikace, která sama potřebuje ke spuštění jiný (hostující) operační systém (tak, jak to znáte z VirtualBoxu),
  • fungovat jako samostatný operační systém a běžet přímo nad hardware (XEN, Windows Server, VMware,...).

Proč virtualizovat?

Co virtualizace nabízí?

1. Spouštění programů pro různé operační systémy na jednom počítači
   • Všechny operační systémy mají běžet zároveň.
2. Spouštění SW, který vyžaduje starší nebo netypický HW
3. Testování prostředí bez rizika poškození hlavního systému
   • Jednoduché vyzkoušení alternativní konfigurace OS
   • Testování nastavení
   • Nastavení vyšších oprávnění pro jiné uživatele — aniž by mohli poškodit hlavní systém
   • Vývoj operačních systémů
4. Úspora prostředků za HW a energii
   • Proč? Virtualizace sama přece část výkonu spotřebuje...
5. Snazší správa
   • Rychlé vytváření konfigurací podle šablony.
   • Kopírování stávající konfigurace.
6. Efektivnější využití výkonu
   • Proč? Virtualizace sama přece část výkonu spotřebuje...
7. Vývoj programů, které musí fungovat na různých platformách
   • Vývoj SW, který musí běžet na více operačních systémech a testovat na mnoha HW zařízeních je nepraktické

Problémy

1. Hypervizor sám spotřebuje část výpočetního výkonu (různý podíl podle způsobu virtualizace, ale vždy nějaký výkon potřebuje).
2. Pokud provozujeme více virtuálních strojů, dochází k opakovanému ukládání stejných dat.
   • Třicet virtuálních strojů s OS Windows bude zabírat samo o sobě cca 600 GB místa — přitom se většina kódu bude opakovat třicetkrát.

Přístupy ke zrychlení virtualizace

• Full virtualization (plná virtualizace)
  • Veškerá činnost hardware virtuálního stroje je prováděna hypervizorem (softwarově).
  • (-) Pomalé, náročné na výpočetní výkon.
  • (+) Lze virtualizovat jakoukoli platformu nezávisle na platformě hostitelského počítače.
• Paravirtualization (paravirtualizace)
  • Předpokládá spolupráci mezi hostitelským a virtualizovaným operačním systémem.
  • Předpoklad: virtualizovaný operační systém musí umět pracovat s informací, že teď běží na virtuálním stroji.
  • Spouštím běžný výpočet přímo ve (fyzickém) procesoru hostitelského počítače s tím, že pokud virtuální operační systém potřebuje pracovat s HW, tak ví, že má oslovit hypervizor.
  • (-) Lze použít pouze pro operační systémy, které tento způsob virtualizace podporují (GNU/Linux).
  • (-) Virtualizovaná a hostitelská platforma musí být stejné.
  • (+) Většina kódu aplikace se provádí přímo v hardware.
  • (+) Virtuální stroje mohou za některých okolností sdílet některé systémové knihovny apod.
• Hardware-assisted virtualization (virtualizace s podporou HW)
  • Využívá rozšiřující instrukční sady moderních procesorů.
  • (-) Virtualizovaná a hostitelská platforma musí být stejné.
  • (-) Náš procesor musí mít zabudovánu podporu virtualizace (dnes ji běžně procesory střední a vyšší třídy mají).
  • (+) Na rozdíl od paravirtualizace lze virtualizovat libovolný operační systém.
  • (+) Většina kódu aplikace se provádí přímo v hardware.

Kontejnery

• Cíl — omezení opakujícího se kódu pro velké množství virtuálních strojů (úspora místa na disku, zjednodušení běhu).
• Místo kompletního virtuálního operačního systému vytváříme jen „kontejner“, který obsahuje aplikaci a potřebné knihovny, které aplikace vyžaduje.
• Ostatní knihovny a zbytek operačního systému je společný pro všechny kontejnery (je na serveru jen jednou).
• Riziko: menší míra oddělení mezi jednotlivými aplikacemi. Havárie, chyba či záměrný útok ze strany jedné aplikace má větší šanci ovlivnit činnost celého systému než u klasické virtualizace HW.

HW požadavky

1. Dostatek paměti pro hostitelský OS i pro virtuální OS
   • V současnosti (2010) musí být obvykle operační paměť pro virtuální stroj vyhrazena trvale v celé velikosti, bez ohledu na aktuální využití.
2. Dostatek místa na pevném disku
   • Virtuální pevné disky lze omezit, aby zabíraly jen tolik místa, kolik je na nich aktuálně zapsáno dat.
3. Pro některé přístupy vyžadují sadu instrukcí pro HW-podporu virtualizace:
   • Intel VT-x
   • AMD V
   • Úkol: Najděte příklad tří typů procesorů s podporou virtualizace OS.

Zdroje

• en.wikipedia.org > Virtualization
• Virtual (computing). In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 22 November 2009 at 20:34, last modified on 22 November 2009 at 20:34 [cit. 2010-09-18]. Dostupné z WWW: <http://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_computing>.