6.3. Виртуализация вычислительной системы
Устаревание программного и аппаратного обеспечения является серьезной проблемой в области информационных технологий. Здесь помощь может оказать виртуализация. Устаревшее оборудование, к которому уже не найти современных драйверов, может быть заменено своей виртуальной программной версией. Программа, предназначенная для выполнения на редкой или устаревшей вычислительной системе, может быть выполнена в рамках виртуальной машины уже на современном компьютере. Виртуализация также полезна для экономного управления вычислительными ресурсами. С использованием виртуализации пользователь на одном физическом компьютере может работать с несколькими виртуальными компьютерами, имеющим различные характеристики и использующими различные ОС. Этот подход используется для организации виртуальных серверов для веб-хостинга, а также применяется в сфере облачных вычислений.
Виртуализация уровня вычислительной системы [45] имеет давнюю историю. Еще в конце 60-х годов компания IBM реализовала в своей ОС CP/CMS поддержку виртуализации на аппаратном уровне. Таким образом было организована работа с несколькими программными версиями компьютера System/360-370. С массовым развитием персональных компьютеров интерес к виртуализации сильно угас. Возобновление этого интереса произошло уже в 1999 году, когда компания VMware выпустила коммерчески успешное ПО VMware Workstation для виртуализации работы ОС Linux и Windows на компьютерах с архитектурой x86.
Для организации виртуальной машины требуется специальный программный модуль – монитор виртуальных машин или гипервизор. Гипервизор управляет доступом виртуальных машин к физическим ресурсам хост-машины. В этом отношении гипервизор ведет себя аналогично ядру операционной системы. Гипервизоры разделяют на следующие два типа:
- Работает прямо на оборудовании хост-машины, без участия ОС.
- Работает в рамках хост-ОС и, возможно, использует модуль ядра для управления физическими ресурсами хост-машины.
Теоретические основы виртуализуемости, определяющие, насколько эффективно работает гипервизор, были предложены в 1974 году Ж. Попеком (G. Popek) и Р. Голдбергом (R. Goldberg). Рассмотрим подробнее суть предложений этих авторов.
Выделены следующие типы команд компьютера:
- Привилегированные. Выполнение которых вызывает исключение, если это выполнение происходит вне режима ядра ОС.
- Чувствительные. Команды, которые позволяют управлять состоянием компьютера или отслеживать это состояние.
- Безвредные. Остальные команды.
Сформулированы следующие свойства, которыми должен обладать гипервизор:
- Безвредные команды выполняются аппаратурой напрямую, без привлечения гипервизора.
- Программы влияют на доступные им ресурсы системы только опосредованно, с помощью гипервизора.
- Программа под управлением гипервизора выполняется точно так же, как и без оного, за исключением временных характеристик и объема доступных ресурсов.
Наконец, авторы сформулировали следующую теорему виртуализуемости: построение гипервизора, удовлетворяющего этим свойствам для заданного компьютера возможно, если множество чувствительных команд этого компьютера является подмножеством привилегированных команд.
Аппаратная виртуализация, основанная на обработке гипервизором исключений со стороны привилегированных команд, использовалась еще в старых ОС от компании IBM. Тем не менее, для персональных компьютеров архитектуры x86 долгое время представленная выше теорема не выполнялась. В начале 2000-х реализация гипервизора на архитектуре x86-64 требовала серьезных ухищрений. Использовалась, в частности, динамическая трансляция программы с целью замены чувствительных команд на соответствующие обращения к гипервизору. Кроме того, применялась техника паравиртуализации, при использовании которой в гостевую ОС должны быть внесены изменения, включающие обращения к гипервизору. Наконец, в середине 2000-х компании Intel и AMD добавили в свои процессоры аппаратную поддержку виртуализации. Современные процессоры поддерживают аппаратную виртуализацию как процессора, так и ОЗУ, а также устройств ввода-вывода.
При использовании виртуальной машины с отличающейся от хост-машины процессорной архитектурой необходима эмуляция, которая может быть реализована в виде интерпретатора машинного кода, а также на основе статического (AOT) или динамического (JIT) двоичного транслятора.
Одной из популярных программ для задач виртуализации вычислительных систем является QEMU. В этой программе реализована эмуляция ряда компьютеров различных архитектур с набором периферийных устройств. В QEMU поддерживается аппаратная виртуализация с использованием сторонних гипервизоров, в числе которых KVM (Kernel-based Virtual Machine) и HAXM (Hardware Accelerated Execution Manager).
Рассмотрим пример использования QEMU. Предположим, мы хотим использовать дистрибутив Linux Alpine на виртуальной машине с архитектурой x86-64. В первую очередь создадим виртуальный жесткий диск размером 1 Гбайт, на который будет установлен дистрибутив Linux:
qemu-img create -f qcow2 alpine.qcow2 1G
Созданный жесткий диск доступен в виде файла alpine.qcow2. Теперь необходимо запустить виртуальную систему x86-64 с объемом ОЗУ в 1 Гбайт для установки Alpine на виртуальный жесткий диск. При этом используется виртуальный CD-ROM и ISO-файл alpine-standard-3.14.2-x86_64.iso:
qemu-system-x86_64 -m 1G -cdrom alpine-standard-3.14.2-x86_64.iso -hda alpine.qcow2
После установки Alpine на жесткий диск можно перезагрузить виртуальную систему и далее работать с ней с помощью следующей команды:
qemu-system-x86_64 -m 1G -hda alpine.qcow2
6.3.1. Виртуализация приложения
Виртуализация приложения позволяет выполнять приложения на тех платформах, для которых они не были предназначены. При этом виртуализируются интерфейсы операционной системы. Примером виртуализации уровня приложения является система Wine, позволяющая запускать приложения для Windows внутри Linux.
В QEMU имеется эмуляция режима пользователя, которая позволяет выполнять Linux-приложения, скомпилированные для одной процессорной архитектуры, на другой процессорной архитектуре.
6.3.2. Виртуализация уровня ОС
При виртуализации уровня ОС виртуализация аппаратных ресурсов обычно отсутствует. Существует единственное хост-ядро ОС и набор изолированных друг от друга пользовательских пространств, подключаемых к нему. Такие подключаемые пользовательские пространства называются контейнерами. Каждый контейнер содержит отдельную копию файловой системы ОС с установленным набором программ. Использование контейнеров облегчает установку, использование и взаимодействие сложных программ. В отличие от виртуализации, контейнеризация не несет накладных расходов на выполнение гостевого ядра ОС.
Рассмотрим пример использования контейнеров в системе Docker. Установим контейнер дистрибутива Alpine:
docker pull alpine
Запустим (run) контейнер в интерактивном режиме (-it), вызвав командный интерпретатор sh в Alpine:
docker run -it alpine sh
Необходимо учитывать, что после окончания сеанса работы с контейнером все несохраненные данные исчезнут. Данные, которые необходимо сохранять, например, файлы базы данных, записываются в каталог хост-системы. Команда Docker -v указывает этот каталог, а также его представление в файловой системе контейнера (/my_data):
docker run -it -v "$(pwd)/my_data:/my_data" alpine sh
Для построения контейнера удобно использовать конфигурационный файл Dockerfile. Предположим, стоит задача построить контейнер на базе Alpine с добавленным интерпретатором языка Python. Для выполнения этой задачи `Dockerfile имеет следующий вид:
FROM alpine
RUN apk add python3
Команда FROM указывает в этом примере базовый контейнер, а команда RUN – те команды, которые необходимо выполнить в процессе построения контейнера.