Виртуализация

Виртуализация — это набор технологий для программного разделения физических ресурсов вычислительной системы и приложений на логические — изолированные друг от друга виртуальные машины (ВМ). Каждая ВМ работает на выделенной части ресурсов как на полноценной независимой аппаратной платформе.

В современных процессорах виртуализация поддерживается на аппаратном уровне. Специальные функции интегрированы непосредственно в чип, устраняя издержки, возникающие в кэш-памяти, оперативной памяти и подсистеме ввода-вывода. Благодаря такой поддержке возможно использовать абстракции процессора, памяти, видеокарт и устройств ввода-вывода. Все функции доступны в рамках технологий Intel VT и AMD-V.
Крупнейшие компании в сфере виртуализации: VMware, Microsoft, Citrix, RedHat, Nutanix, Parallels. По разным оценкам VMware занимает более 70% мирового рынка решений для виртуальных сред.

vMarket

Гипервизор

Гипервизор — основной компонент технологии виртуализации, программная прослойка между физическими ресурсами и их представлением. Осуществляет распределение ресурсов, управление ВМ и другие функции. Общепринятая классификация приведена в Таблице 1.

Таблица 1

Тип гипервизора	Особенности	Примеры продуктов
Тип 1	Устанавливается непосредственно на “железо” по аналогии с ОС. При этом код менее объёмный и имеет меньше вариантов простоя. Максимальное быстродействие, масштабируемость и полная изоляция ресурсов каждой ВМ. Основа виртуализации серверов и VDI.	VMware ESXi; Microsoft Hyper-V; Citrix Hypervisor (XenServer)
Тип 2	Устанавливается на хост-систему. Масштабируемость и производительность зависят от хост-системы. Используется для виртуализации настольных компьютеров и приложений.	VMware Workstation; Oracle VirtualBox; OpenVZ

Hypervisor

Типы виртуализации

По целевым объектам виртуализации выделяют следующие типы:

сервер
- СХД;
рабочие места пользователей (VDI)
- приложения;
- графические ускорители;
сеть;
персональный компьютер.

Такая классификация не носит строгий характер, поскольку в ней есть пересечения между указанными типами. Так, виртуализация серверов, рабочих мест и компьютеров преследует общую цель — предоставить платформу для установки операционной системы (ОС) и программного обеспечения. Разница в инсталлируемых ОС (серверная или пользовательская) и в применяемых технологиях ВМ, рассмотренных далее в соответствующих разделах. Виртуализация графических ресурсов и приложений в некоторых случаях применяется вне VDI, например, в облачной ИТ-инфраструктуре.
По уровню абстракции от физического уровня также выделяют три типа виртуализации:

частичная;
паравиртуализация;
полная.

Частичная, также называемая виртуализацией уровня ОС, по сути является технологией запуска приложений внутри контейнеров. Это позволяет тестировать софт, не опасаясь нанести ущерб хост-системе. При этом гостевая ОС не устанавливается на ВМ. Паравиртуализация обеспечивает работу нескольких гостевых ОС на хосте, при этом они не являются изолированными друг от друга. Кроме того, в каждую гостевую ОС вносятся изменения, чтобы ими можно было управлять, а хост-система “знает” о наличии гипервизора. В свою очередь концепция полной виртуализации позволяет запускать ОС в неизменном виде. Это классический подход, который далее можно разделить далее по исполнению гипервизора на аппаратное и программное.

Виртуализация серверов

Под серверной виртуализацией понимают размещение нескольких серверных ресурсов на базе одного физического. Таким образом происходит уплотнение ресурсов ЦОД, эксплуатация которых становится более эффективной. Для развёртывания необходим гипервизор типа 1. Под его управлением создаются ВМ, на которые устанавливаются серверные ОС и соответствующее ПО. Возникающая при этом проблема единой точки отказа устраняется методами обеспечения высокой доступности.

vServer

Виртуализация СХД

Позволяет объединить все разнородные системы хранения в единый массив, воспринимаемый серверными ресурсами и удобный для администрирования. Доступны различные способы резервирования, переноса данных. При отказе какого-либо физического носителя, система автоматически подключит резервный накопитель. Дополнительно учитываются скорости хранилищ данных в массиве и анализируется к каким файлам наиболее часто запрашивается доступ. Далее система распределяет наиболее популярные файлы на быстрые накопители, в то время как архивные файлы — на медленные. Таким образом повышается средняя скорость работы массива как хранилища данных.

Виртуализация рабочих мест

VDI vs терминальный доступ

Virtual Desktop Infrastructure, VDI — вид клиент-серверной технологии обеспечения доступа к вычислительным ресурсам и программному обеспечению посредством виртуальных пользовательских рабочих мест. По сути схожа с терминальными сессиями доступа к серверу. По исполнению состоит в подключении к персональным изолированным ВМ, которые хранятся на сервере. При этом есть принципиальные отличия от терминального доступа. Во-первых, необходимые ресурсы для VDI могут выходить за рамки одного сервера, что позволяет более эффективно использовать имеющееся “железо”. Во-вторых, VDI как ИТ-инфраструктура дает широкий инструментарий по администрированию рабочих мест. В-третьих, пользователю доступны необходимый пул операционных систем и приложений из одной точки.
Инфраструктура виртуальных рабочих мест состоит из шести узлов:

СХД;
Физические серверные ресурсы;
Гипервизор;
ВМ;
Брокер клиентских подключений;
Клиенты.

Последние три узла составляют платформу VDI, выведенную в отдельный продукт. На рынке представлены решения: VMware Horizon, Citrix Virtual Desktop (XenDesktop), Microsoft VDI, Parallels Remote Application Server. Рассмотрим что составляет базис инфраструктуры виртуальных десктопов. На схеме представлены основные процессы, автоматизация которых осуществляется инструментами платформы VDI.

hypervisor

Виртуальные машины — создание

ВМ по сути и есть виртуальное рабочее место, с которым работает пользователь. На этапе создания ВМ определяющее значение имеет инструментарий тиражирования и репликации. Такие способы как ручное создание ВМ и полное копирование в масштабах крупных компаний несостоятельны ввиду временных затрат на администрирование.
Как правило, ВМ клонируются из родительского (золотого) образа, в котором установлен необходимый софт. Он хранится на сервере, а ссылка на него содержится в каждой ВМ. Далее изменения, вносимые самим пользователем, сохраняются на дельта-диске. При необходимости установить, например, патч в системе достаточно обновить золотой образ и отправить уведомления на дочерние ВМ для присоединению к новому образу. В Horizon такой метод носит название связанных образов (Linked Clones).

Linked Clones

Наиболее производительным с точки зрения создания и изменения ВМ является метод мгновенных образов (Instant Clones). В этом подходе нет предустановленных ВМ пользователей, они создаются из родительского образа, который хранится на сервере, непосредственно при подключении. Клон загружается в разделяемую память, открытую для дочерних ВМ только на чтение. Аналогично рассмотренному выше методу данные пользователя записываются на дельта-диск. За счёт этой технологии сокращается время создания ВМ, а применение изменений золотого образа не требует действий пользователей и автоматически производятся при перезагрузке. Администратор может выполнить все необходимые действия в стандартное рабочее время, не затрагивая функционирование самих ВМ.

Instant Clones

Виртуальные машины — доставка приложений

После того как ВМ созданы, требуется установить обязательный перечень корпоративного софта. На данном этапе удобство в том, что отдельно администрируются сама ВМ с установленной ОС и приложения. В случае изменений приложений нет необходимости “трогать” золотой образ. Поэтому приложения отдельно доставляются непосредственно в ВМ пользователей. Для этого в Horizon служат две технологии: ThinApp и AppVolumes.
ThinApp помещает приложения в независимые контейнеры, состоящие из части ОС, виртуального реестра и служебных файлов. Контейнеры запускаются, не требуя установки, а распространяются посредством репозитария. Пользователям устанавливаются права доступа к нему и при доступе к разрешенному приложению, оно скачивается на ВМ. Чтобы избежать чрезмерной нагрузки на сеть доставка осуществляется постепенно — начиная от минимума, необходимого для запуска, и далее оставшиеся части уже в процессе работы. Чтобы обновить софт достаточно заменить контейнер на репозитарии.

ThinApp

AppVolumes формирует для каждого пользователя стек (AppStack) — аналог контейнера ThinApp, который может вмещать несколько приложений. Можно создать типовые наборы программ. На ВМ устанавливается агент, который прозрачно интегрирует соответствующий AppStack в операционную систему. При этом переподключение стэка осуществляется на лету. Также возможна публикация приложений из ферм серверов Microsoft RDSH и Citrix Virtual Apps & Desktops (ранее назывались XenDesktop и XenApp).

AppVolumes

Виртуальные машины — точная настройка под пользователя

Рассмотренный выше дельта-диск хранит пользовательские файлы (аналог папки “Мои документы”), но не хранит настройки виртуальной среды и приложений пользователя. Для этого в Horizon есть отдельный продукт под названием UEM (User Environment Manager). UEM состоит из нескольких блоков:

Базовые настройки, устанавливаемые администратором;
Персонализация — настройки ОС и приложений;
Динамические политики, применяемые в соответствии с установленными сценариями работы пользователя (smart policies):
- управление пробросом USB;
- управление печатью;
- управление буфером обмена;
- управление пробросом папок/дисков;
- профили PCoIP.