В мире современных информационных технологий виртуализация играет ключевую роль, обеспечивая компаниям гибкость, эффективность и надежность в управлении вычислительными ресурсами. Одним из фундаментальных инструментов в этой области являются гипервизоры — специализированные программные платформы, которые позволяют создавать и управлять виртуальными машинами.
В данной статье мы глубже погрузимся в мир гипервизоров: от их определения и истории развития до сравнения с контейнерами, обсуждения типов и сравнительного анализа, а также рассмотрим важные аспекты выбора и расширения их функциональных возможностей.
Определение гипервизора и виртуализации
Гипервизор — это программное обеспечение, которое реализует технологию виртуализации. Оно создает и управляет виртуальными машинами (ВМ), позволяя одному физическому серверу работать с несколькими изолированными операционными системами. Гипервизор разделяет физические ресурсы сервера между ВМ, такие как память, процессорные ядра, сеть и хранилище данных.
Виртуализация, в свою очередь, представляет собой технологию, которая создает виртуальные версии серверов, компьютеров или рабочих станций. Эти виртуальные машины функционируют как независимые системы с собственными ресурсами и операционными системами, запускаемыми на одном физическом сервере.
Платформа для виртуализации — это комплексный набор инструментов, включающий в себя гипервизоры различных типов, управляющие интерфейсы, инструменты для управления ресурсами, мониторинга и резервного копирования данных. Она предоставляет возможности для создания, настройки и управления виртуальными средами, поддерживая механизмы миграции ресурсов и другие функции.
Таким образом, гипервизор является ключевым компонентом виртуализации, обеспечивая запуск и управление виртуальными машинами, в то время как платформа для виртуализации представляет собой более широкий инструментальный набор для работы с виртуальными средами.
История гипервизора
История гипервизоров начинается с использования виртуализации с 1960-х годов XX века, преимущественно на мейнфреймах компании IBM. Она была основным инструментом для тестирования концепций, изучения и улучшения аппаратных решений. Это позволило разворачивать системы и вносить изменения без риска для стабильности основного оборудования.
В начале нового тысячелетия виртуализация получила значительный толчок благодаря ее внедрению в операционные системы семейства Unix.
Этому способствовали несколько факторов:
- Улучшение аппаратных возможностей серверного оборудования.
- Продвижение в архитектуре, повышающее надежность и безопасность систем.
- Реализация аппаратной виртуализации на процессорах архитектуры x86.
Это привело к широкому распространению виртуализации. Системы виртуализации сейчас применяются не только для сложных инженерных задач, но и для разделения ресурсов на серверах, а также для домашних развлечений.
Проблемы безопасности гипервизоров
Несмотря на то, что гипервизоры считаются более безопасными, чем контейнеры благодаря множеству мер предосторожности, у них всё же есть свои проблемы, связанные с безопасностью. Теоретически хакеры могут создавать вредоносные программы и руткиты, которые маскируются под гипервизор на уровне операционной системы. Этот процесс, называемый «гиперджекингом», трудно выявить, так как вредоносное ПО может перехватывать действия операционной системы (например, ввод пароля) без необходимости дополнительной защиты, так как оно уже работает на уровне ОС.
Эксперты в области виртуализации продолжают активно обсуждать возможность обнаружения руткитов на базе гипервизора. Уже разработаны несколько методов по этой теме: некоторые реализовали концепцию вредоносного ПО (например, SubVirt и Blue Pill), другие продемонстрировали антируткит Hooksafe, который обеспечивает эффективную защиту ОС от руткитов на уровне ядра без заметных потерь в производительности.
Сравнение с контейнерами
Гипервизоры часто сравнивают с контейнерами. Вторые позволяют запускать большее количество приложений на одном устройстве.
Гипервизоры, как вы уже знаете, требуют выделения значительных ресурсов, так как каждая виртуальная машина (ВМ) имеет полную копию операционной системы и ее аппаратного обеспечения. Например, если выделить 4 ГБ оперативной памяти для ВМ, это означает, что основному устройству придется уступить 4 ГБ оперативной памяти.
Контейнеры, в отличие от ВМ, используют ресурсы операционной системы и требуют меньше ресурсов для запуска конкретного приложения. Однако контейнеры не могут полностью заменить ВМ из-за риска потери данных: если хост становится уязвимым, все контейнеры внутри него могут быть повреждены или утеряны.
Гипервизор создает отдельные виртуальные машины, которые изолированы друг от друга. Это означает, что атака на одну виртуальную машину не затронет другие, обеспечивая безопасность всем машинам и их содержимому.
Преимущества гипервизора
Преимущества гипервизоров и систем виртуализации являются критическими для современных IT-инфраструктур по многим аспектам. Вот основные из них:
- Скорость развертывания. Гипервизоры позволяют мгновенно создавать виртуальные машины, что значительно упрощает выделение ресурсов для изменяющихся рабочих нагрузок.
- Эффективное использование ресурсов. Виртуализация помогает оптимально использовать мощности серверов. Вместо нескольких слабо загруженных серверов можно использовать один мощный, заполненный на максимум, что экономично и энергоэффективно.
- Кластеризация и отказоустойчивость. Гипервизоры позволяют создавать кластеры из нескольких серверов, обеспечивая высокую доступность виртуальных машин. В случае сбоя одного сервера ВМ автоматически мигрируют на другие рабочие узлы, что обеспечивает бесперебойную работу приложений.
- Гибкость и миграция. Функции миграции, такие как vMotion и Live Migration, позволяют перемещать ВМ между хостами без остановки работы приложений, что упрощает обслуживание и устранение неполадок.
- Автоматическое восстановление. Гипервизоры обеспечивают автоматическое восстановление после сбоев, перезапуская или перемещая ВМ на другие серверы в случае неполадок.
- Резервирование и репликация: Встроенные системы резервного копирования и репликации обеспечивают дополнительные уровни защиты данных и возможность быстрого восстановления после сбоев.
Типы гипервизоров
Гипервизоры 1-го типа, или «Bare-Metal», работают напрямую на аппаратном уровне, без операционной системы хоста. Они представляют собой минимальную операционную систему, которая управляет виртуальными машинами непосредственно на физическом оборудовании. Примеры таких гипервизоров: VMware ESXi, Microsoft Hyper-V (включая Hyper-V Server) и KVM.
Гипервизоры 2-го типа, или «Hosted», работают поверх операционной системы хоста. Они запускаются как приложения внутри операционной системы и используют ее ресурсы. Примеры гипервизоров этого типа: VMware Workstation, Oracle VirtualBox и Microsoft Virtual PC.
Некоторые также выделяют третий тип гипервизоров — гибридные, которые комбинируют аппаратную и программную виртуализацию. Эти гипервизоры могут использовать ядро, работающее на уровне аппаратного обеспечения, и компоненты управления на уровне операционной системы, обеспечивая баланс производительности и гибкость управления. Примеры гибридных гипервизоров включают VMware Fusion и Parallels Desktop для Mac, а также иногда Microsoft Hyper-V.
Сравнение гипервизоров
В 2024 году на рынке представлено много различных гипервизоров, начиная от бесплатных open source решений, таких как KVM, и заканчивая дорогостоящими корпоративными продуктами, например, ESXi или Hyper-V. Также существует значительное количество отечественных вариантов для виртуализации, таких как Брест, zVirt, SpaceVM, VMmanager, vStack, каждый из которых находится в спросе. Эти решения особенно актуальны в условиях стратегии импортозамещения, привлекательны для государственных учреждений, которые обязаны выбирать ПО из реестра Минпромторга в соответствии с законодательством.
Каждый гипервизор имеет свои уникальные особенности, преимущества и недостатки. Для облегчения выбора я проведу сравнительный анализ наиболее популярных решений. Но прежде — краткий обзор каждого из них.
Hyper-V
Microsoft Hyper-V — это один из популярных гипервизоров 1-го типа (bare-metal), разработанный компанией Microsoft. Основное его преимущество заключается в том, что он встроен в операционные системы Windows Server и клиентские версии Windows. Это позволяет пользователям управлять им с помощью графического интерфейса или PowerShell без необходимости дополнительной установки.
Hyper-V отлично подходит для организаций, использующих экосистему Microsoft и приложения, ориентированные на Windows. Кроме того, по сравнению с VMware ESXi, он представляет собой более доступное решение при равных условиях.
Hyper-V предлагает следующий функционал:
- Быстрое создание виртуальных машин, их управление, миграцию и мониторинг.
- Полноценную виртуализацию ресурсов, включая сети и хранилища, такие как SAN, NAS и облачные ресурсы.
- Динамическое распределение ресурсов, которое автоматически адаптирует нагрузку между виртуальными машинами в реальном времени.
- Возможность высокой доступности с помощью Failover Clustering, которая автоматически восстанавливает работу виртуальных машин после сбоев хоста.
- Функцию Checkpoint для создания снимков виртуальных машин, аналогичную snapshots в VMware ESXi, что позволяет сохранять состояние виртуальных машин на определенный момент времени.
- Возможность создания кластеров Hyper-V для повышения отказоустойчивости и эффективного управления ресурсами.
- Интеграцию с облачными сервисами Microsoft Azure для создания гибридных облаков и миграции виртуальных машин между локальными и облачными средами.
Hyper-V и VMware ESXi являются платными решениями, что может быть недоступно для малого бизнеса. В таких случаях часто используют бесплатные open source решения, например, KVM, один из самых популярных открытых гипервизоров.
VMware
VMware является технологией виртуализации, разработанной одноименной американской компанией. Она используется для организации работы виртуальных серверов.
ESXi, известный как аппаратный гипервизор, основан на легковесном Linux-ядре VMkernel и включает все необходимые инструменты для виртуализации.
Для использования VMware требуется лицензия для каждого физического процессора. Объем оперативной памяти и количество виртуальных машин, запускаемых на оборудовании, не влияют на необходимость лицензирования.
VMware предоставляет бесплатные инструменты виртуализации, однако они ограничены для профессионального применения. Например, API доступно только для чтения, количество виртуальных процессоров не должно превышать восьми, и отсутствуют средства управления бэкапами. Эти ограничения делают VMware несостоятельным для корпоративного использования.
VMware Workstation
VMware Workstation, гипервизор созданный в 1999 году, представляет собой средство виртуализации для компьютеров x86-64 с операционными системами Windows и Linux. Этот гипервизор поддерживает более двухсот различных гостевых операционных систем. Существует бесплатная версия VMware Hypervisor с ограниченной функциональностью, которую обычно используют для ознакомления и проведения тестов.
KVM
KVM — это гипервизор 1-го типа (bare-metal), который интегрирован в ядро open source операционной системы Linux и многие ее дистрибутивы, что делает его очень распространенным. Он распространяется под лицензией GPL, что подчеркивает его бесплатность, но не ущемляет его функциональность и производительность.
Хотя KVM сам по себе обеспечивает основные функции гипервизора, его чистый использование без дополнительных инструментов и интерфейсов управления достаточно редко. Обычно KVM выступает в качестве надежной и мощной основы для создания других полноценных виртуализированных систем и платформ. Такие популярные решения, как Proxmox VE и OpenStack, используют KVM для виртуализации и облачных вычислений. Эти платформы также предлагают опциональную платную поддержку для пользователей.
Proxmox VE — одна из наиболее популярных платформ для виртуализации, основанная на технологиях QEMU, KVM и LXC (Linux Containers). Она поддерживает как полную виртуализацию, так и контейнеризацию с использованием технологии OpenVZ. Контейнеры в Proxmox VE разделяют ядро операционной системы хоста, обеспечивая изоляцию и высокую производительность без эмуляции аппаратных компонентов.
Технически Proxmox VE можно отнести как к оболочке для KVM и LXC, так и к гипервизорам 2-го типа, так как она работает поверх Debian Linux. Вопрос о категории Proxmox VE остается предметом обсуждений.
Proxmox VE обладает широким функционалом, который подходит как для простых задач, так и для построения сложных виртуализированных инфраструктур:
- Создание, запуск и управление виртуальными машинами на базе KVM и контейнерами LXC.
- Кластеризация для обеспечения отказоустойчивости и масштабируемости, автоматическое балансирование нагрузки и непрерывная работа приложений.
- Интегрированные средства для создания резервных копий и восстановления виртуальных машин, обеспечивающие быстрое восстановление после сбоев.
- Мониторинг производительности и ресурсов виртуальных сред, включая журналирование и создание отчетов.
- Возможность интеграции с другими системами управления, такими как OpenStack или Kubernetes, для расширения возможностей управления и автоматизации.
Proxmox VE отличается низкими требованиями к аппаратной среде, что делает ее подходящей для развертывания на различных устройствах, включая домашние серверы и специализированное оборудование.
Xen
XenServer является популярной виртуализационной платформой, использующей гипервизор Xen 1-го типа (bare-metal) с открытым исходным кодом. Сам по себе гипервизор Xen минималистичен, бесплатен (лицензия GPL) и предоставляет полноценную среду виртуализации для развертывания виртуальных машин.
Благодаря использованию в AWS, Xen стал самым популярным гипервизором в мире по количеству запущенных виртуальных машин. Это объясняет его прозвище «гипервизор для облачных вычислений».
Ранее коммерческая версия XenServer называлась «Citrix Hypervisor». Сейчас доступны как базовая бесплатная версия, так и платная коммерческая с корпоративной поддержкой и расширенным набором функций и инструментов управления. Проект Xen включает множество подпроектов, включая XenServer с гипервизором Xen и набором инструментов XAPI.
Существует также интересный форк XCP-ng (Xen Cloud Platform), который представляет собой дистрибутив Linux для запуска гипервизора Xen «из коробки», основанный на XAPI. Это открытая и бесплатная альтернатива платформе Citrix XenServer с полным набором необходимого функционала, отсутствующего в бесплатной версии.
Проект Xen был разработан в Кембридже для Linux и поддерживает виртуализацию на различных архитектурах, включая x86, x86-64, IA-64, ARM и другие. Он широко используется в крупных облаках и виртуализированных средах благодаря высокой производительности, надежности и масштабируемости.
XenServer представляет собой пакетное решение для виртуализации на базе гипервизора Xen, где инструментарий XAPI уже выбран за пользователя. Вы можете настроить свой вариант на базе Xen под свои нужды, выбрав соответствующий инструментарий управления, однако замена XAPI не предусмотрена — он интегрирован в систему.
XAPI представляет собой проприетарные API, обеспечивающие интерфейсы для управления хостами, хранилищами и сетями. При объединении двух или более хостов XenServer в кластер, XAPI предоставляет дополнительные инструменты управления.
Ключевые функции XenServer:
- Гипервизор Xen 1-го типа с высокой производительностью, надежностью и безопасностью.
- Мощные средства для создания, управления и мониторинга виртуальных машин, включая журналирование и создание отчетов. Поддержка множества гостевых операционных систем.
- Возможность создания кластеров из нескольких физических хостов для повышения отказоустойчивости и масштабируемости инфраструктуры, автоматическая балансировка нагрузки.
- Простая интеграция с существующими инфраструктурами.
- Обслуживание без простоев благодаря миграции виртуальных машин между узлами кластера XenServer.
- Интегрированные инструменты для резервного копирования виртуальных машин и их автоматического восстановления, обеспечивающие высокую защиту данных и быстрое восстановление после сбоев.
- Интеграция с другими системами управления, такими как OpenStack или Kubernetes, расширяющая функциональные возможности и обеспечивающая гибкость управления и автоматизации.
Oracle VM VirtualBox
Oracle VM VirtualBox — это гипервизор, который работает на различных операционных системах, включая Windows, Linux, macOS и другие. Мало кто знает, что изначально VirtualBox был разработан компанией Sun Microsystems, но позже был приобретен корпорацией Oracle, которая продолжила его развитие под своим брендом.
Этот гипервизор является одним из самых популярных в массовом сегменте, частично благодаря своему открытому исходному коду и распространению по лицензии GNU GPL.
Особенность VirtualBox в том, что даже на 32-битной операционной системе хоста можно создавать и использовать 64-битные гостевые операционные системы.
Как выбрать гипервизор
Выбор гипервизора оказывает значительное влияние на бизнес-процессы. Внедрение виртуализации может значительно изменить вашу рабочую среду и эффективность работы. Чтобы избежать временных и финансовых затрат, важно подойти к выбору гипервизора осознанно.
- Персонализированный подход. Определите требования вашего проекта и организации. Каждый проект уникален, поэтому общие рекомендации могут не охватить все ваши потребности. Но ознакомление с обзорами и советами полезно. Если возникнут сложности, консультации с менеджерами СЕРВЕР МОЛЛ помогут выбрать оборудование и гипервизор, соответствующие вашему бюджету и целям.
- Исследование. Тщательно изучите доступные гипервизоры. Наши статьи в блоге могут быть полезным источником информации, но рекомендуется провести дополнительное исследование, изучив документацию, реальные кейсы использования и проблемы других пользователей. Краткая таблица сравнения также может помочь, но глубокое исследование необходимо.
- Совместимость и интеграция. Убедитесь, что выбранный гипервизор интегрируется хорошо с существующей IT-инфраструктурой, включая хранилища данных (СХД), системы мониторинга, управления и резервного копирования. Проверьте, находится ли ваше оборудование в списках совместимости (HCL), что может быть критично для некоторых гипервизоров, например, ESXi.
- Совокупная стоимость владения и лицензирование. Открытый исходный код бесплатен, но может потребовать дополнительных ресурсов на администрирование и поддержку. Платные решения, такие как Hyper-V или Proxmox, предлагают расширенную функциональность, но требуют соответствующих инвестиций. Важно взвесить все за и против перед окончательным выбором.
- Сообщество. Активное пользовательское сообщество может значительно упростить поддержку и разработку. Многие гипервизоры имеют большие и активные сообщества, где можно найти решение для практически любой проблемы или задать вопрос. Особенно выделяется сообщество Linux-KVM.
- Тестирование и оценка. Перед финальным выбором проведите тестирование различных гипервизоров в вашей среде. Оцените их производительность, надежность и удобство использования. Многие предлагают пробные версии или базовые пакеты для тестирования.
- Гибкость и будущие потребности. Учтите возможность масштабирования вашей инфраструктуры без необходимости полной замены оборудования. Кластеризация может помочь в управлении ресурсами, но убедитесь, что ваше оборудование выбрано с учетом будущих изменений и потребностей.
Выбор гипервизора не только влияет на текущие задачи проекта, но и определяет его адаптивность к будущим изменениям.
Расширение возможностей гипервизора
Гипервизоры предоставляют множество возможностей для более эффективного управления виртуальными машинами. Вот некоторые из них:
- Создание резервных копий виртуальных машин. Эта функция обеспечивает защиту данных от потерь в случае сбоев системы или кибератак.
- Автоматическое масштабирование и управление нагрузкой. Гипервизоры автоматически масштабируют виртуальные машины в зависимости от изменения нагрузки, что повышает эффективность использования вычислительных ресурсов и производительность приложений.
- Гибкий контроль сетевой и инфраструктурой хранилищ. Это позволяет администраторам управлять сетевыми и ресурсами хранилищ, создавать виртуальные сетевые адаптеры, настраивать доступ к хранилищам и т.д.
- Управление жизненным циклом виртуальных машин. Гипервизоры предоставляют инструменты для эффективного управления всем жизненным циклом виртуальных машин: от создания и установки до мониторинга и удаления.
- Контроль доступа и авторизация. Гипервизоры позволяют настраивать права доступа к виртуальным машинам, обеспечивая высокий уровень безопасности и защиты данных.
Выводы
В заключение, гипервизоры представляют собой ключевую технологию в области виртуализации, позволяющую эффективно использовать вычислительные ресурсы и управлять виртуальными машинами. Их история развития началась с мейнфреймов и привела к развитию современных решений, поддерживающих широкий спектр функциональных возможностей.
Однако, несмотря на все преимущества, гипервизоры также сталкиваются с проблемами безопасности, связанными с потенциальными уязвимостями и рисками атак. Это требует постоянного внимания к обновлениям и усиленным мерам защиты данных.
В сравнении с контейнерами, гипервизоры обеспечивают высокий уровень изоляции и гибкость управления ресурсами, однако имеют более высокие накладные расходы на виртуализацию. При выборе подходящего гипервизора необходимо учитывать специфику проекта, требования к производительности, безопасности и совместимости с существующей инфраструктурой, что позволит максимально эффективно использовать технологии виртуализации в бизнес-среде.
