Что такое виртуализация процессора

Виртуализация процессора позволяет создавать виртуальные компьютеры на одном физическом сервере. Такое решение дает возможность повысить эффективность и упростить администрирование. С помощью виртуализации на одном сервере можно создать ряд так называемых виртуальных машин, и каждая из них будет работать независимо от остальных. Процесс обеспечивает высокую степень защиты данных, так как машины изолированы друг от друга. Кроме того, благодаря виртуализации можно уменьшить расходы, связанные с закупкой нового оборудования, поэтому она экономически выгодна для различных предприятий и организаций.

Где применяются виртуальные системы

Виртуальные системы находят широкое применение в различных отраслях, включая бизнес, науку, образование и среду разработки ПО. Технология реализуется на практике в различных форматах:

1. Виртуальные серверы. Используются для хранения данных, обработки транзакций, исполнения приложений.
2. Виртуальные рабочие станции. Применяются для выполнения различных задач, таких как тестирование, разработка ПО и образовательная деятельность.
3. Виртуальные сети. Могут использоваться для отделения сетей различных подразделений или для организации систем информационной безопасности.

Технология виртуализации открывает множество возможностей для оптимизации использования оборудования.

Виртуализация в процессоре

В основе технологии лежит так называемый гипервизор – специальное ПО, которое создает изолированные виртуальные машины. Выделяют два типа такого программного обеспечения:

• гипервизор, функционирующий на уровне операционной системы хоста;
• гипервизор, работа которого осуществляется на уровне аппаратного обеспечения, то есть непосредственно на физическом сервере.

Как включить виртуализацию

Запустить опцию можно в BIOS компьютера. Для этого нужно перезагрузить устройство и удерживать определенную клавишу, чтобы войти в BIOS. Как правило, это Del, F12 или F2, но может отличаться в зависимости от производителя. В любом случае, клавиша указана на экране загрузки операционной системы

Далее понадобится войти в раздел Virtualization Technology. Чтобы включить или отключить опцию виртуализации, в появившемся окне выберите Enable или Disable соответственно. Расположение меню включения виртуализации может отличаться в зависимости от конкретной модели процессора и материнской платы. Если вы не уверены в своих навыках или опасаетесь нанести вред компьютеру, лучше обратиться к специалистам. IT-инженеры ittelo.ru готовы предоставить консультации, касающиеся включения виртуализации на вашем оборудовании.

Виртуализация представлений

Виртуализация представлений дает возможность различным пользователям представлять данные одного и того же приложения. В ее основе лежит идея о том, что пользователи могут настраивать свой рабочий процесс синхронно с многократно представленными данными, что в конечном итоге создает более гибкие способы взаимодействия с ними.

Технология может применяться, например, в бизнесе, где позволяет пользователям из разных отделов компании видеть одни и те же данные, но с различным уровнем доступа. Научные исследования также могут задействовать виртуализацию представлений для передачи сложной информации в различных форматах и с различными параметрами, а в медицине это может использоваться для адаптивного отображения данных для различных специалистов.

Виртуализация устройств

Виртуализация устройств позволяет эмулировать их в компьютерной системе, чтобы различные программы могли взаимодействовать со всеми типами устройств. Примеры включают эмуляцию сетевой карты, USB-устройств, звуковых карт. В случае эмуляции сетевой карты система создает виртуальную сетевую карту, которая соответствует реальной, чтобы программа, которую вы запускаете, могла использовать сеть. Аналогичным образом эмулируются USB-устройства, которые могут быть подключены и использованы в виртуальной среде, отличающейся от физической системы.

Технология может быть полезна в случаях, когда реальное устройство недоступно или несовместимо с программой, которая должна его использовать. Может применяться для тестирования и разработки ПО, а также в образовании для создания виртуальной среды, дающей учащимся возможность проводить опыты на виртуальных устройствах, реальные аналоги которых по тем или иным причинам недоступны.

Виртуализация приложений

Дает возможность запускать приложения независимо от операционной системы и оборудования. Эта технология использует виртуальный контейнер, который предоставляет приложению независимую среду выполнения, что позволяет взаимодействовать с операционной системой и другими приложениями, как если бы оно работало локально.

Виртуализация приложений может быть полезна для организации рабочих мест, где сотрудники могут запускать приложения, не устанавливая их на своих компьютерах. Технология упрощает процесс развертывания приложений и управления ими, помогает быстро добавлять и удалять их без необходимости установки их на многих компьютерах. Может использоваться для создания безопасной среды выполнения, где приложения запускаются с доступом только к необходимым ресурсам. Виртуализация приложений облегчает процесс тестирования.

Классический критерий виртуализуемости

Классический критерий виртуализуемости – это условия, которым должна удовлетворять система, чтобы поддерживать технологию виртуализации:

1. Существует два класса инструкций процессора – непривилегированные и привилегированные.
2. При выполнении привилегированных инструкций в непривилегированном режиме вызывается исключение.
3. При выполнении непривилегированных инструкций в любом из режимов эффект не должен различаться.

Условия были сформулированы еще в 70-х годах ХХ века. Критерий использовался в ранних виртуальных машинах и по-прежнему является важным понятием в области виртуализации.

Ограничения применимости критерия виртуализуемости

Есть несколько ограничений, из-за которых условия не применимы на отдельных архитектурах:

1. Не всегда деление инструкций на непривилегированные и привилегированные может быть однозначным.
2. Существуют так называемые тихие инструкции. По своей сути это привилегированные инструкции, которые, выполняясь в непривилегированном режиме, вместо вызова исключения игнорируются или дают неправильный результат.
3. Не все архитектуры имеют только два уровня привилегий – у некоторых их больше, а, следовательно, разделить инструкции сложнее.

В некоторых случаях необходима модификация критерия, чтобы использовать его на определенной архитектуре.

Преобразование адресов

Обычно виртуализованный процессор использует виртуальные адреса вместо физических, обеспечивая логическую изоляцию между программами на разных виртуальных машинах и предохраняя систему от вредоносных атак.

Чтобы выполнить инструкцию программы, виртуализованный процессор должен преобразовать виртуальный адрес в физический. Для этого используется механизм таблицы, которая связывает адреса. Виртуализация процессора обрабатывает все запросы на доступ к физической памяти и переводит их в физические адреса.

Технология обеспечивает эффективную работу с большим объемом информации и сокращает время доступа к данным.

Расширение принципа

При виртуализации процессора можно повысить возможности добавлением ряда функций:

1. Режим monitor mode для контроля операций и переключения между машинами. Привилегия этого режима выше, чем у остальных.
2. Гипервизорные инструкции для запуска, остановки, приостановления, миграции, настройки машин.
3. Структуры, в которых хранятся состояния машин: регистры, память и прочие факторы, возникшие в процессе работы.

Статус поддержки в современных архитектурах

На практике теоретические принципы, о которых сказано выше, реализуются в трех вариантах. Это определяется тем, какими средствами осуществляется поддержка виртуализации:

1. Аппаратные. Машины создаются на уровне аппаратного обеспечения, каждая работает на собственной операционной системе и может функционировать независимо от других, что обеспечивает максимальный уровень изоляции и безопасности.
2. Программные. Процесс виртуализации происходит на уровне ПО, а именно – операционной системы. Каждая виртуальная машина имеет свою ОС, но они могут задействовать общие аппаратные ресурсы – процессор, диски и прочие, оптимизируя их использование.
3. Контейнерные. Создание легковесных машин на уровне ОС с использованием так называемых контейнеров. Операционная система одна для всех, но каждый контейнер имеет свою изолированную среду, благодаря чему приложения функционируют без вмешательства других контейнеров.

Рекурсивная виртуализация

Рекурсивная виртуализация работает на основе принципа, предусматривающего, что одна виртуальная машина встраивается внутри другой. В системе устанавливается иерархия:

• хост-система находится на первом уровне;
• гостевая система с гипервизором первого порядка – на втором;
• гостевая система с работающим приложением – на третьем.

Каждая виртуальная машина задействует исключительно те ресурсы, которые требуются для ее работы, что снижает нагрузку на железо, а также повышает показатель безопасности.

Технология виртуализации в процессоре

У каждой крупной компании, осуществляющей производство процессоров, есть своя технология виртуализации. Она называется «Intel VT» для процессоров Intel или «AMD-V» для процессоров AMD. Основная функция у них одна – создание виртуального пространства для выполнения приложений на физическом сервере. Говоря проще, речь идет об одновременной работе с несколькими системами команд, причем таким образом, чтобы каждая машина функционировала в отдельной среде. Следует помнить, что наибольшей производительности и безопасности системы можно добиться только в том случае, если тщательно подойти к вопросу оценки ресурсов процессора.

Зачем нужна виртуализация на домашнем компьютере

Несмотря на то, что виртуализация в основном ассоциируется с серверными системами, она может найти применение на домашних компьютерах. Так, одним из ключевых преимуществ подобного решения является изоляция различных приложений и операционных систем друг от друга. Например, можно создать виртуальную машину с определенными настройками, чтобы запускать программы, которые не поддерживают текущую версию операционной системы.

Виртуализация на домашнем компьютере также имеет много преимуществ в плане безопасности. Вы можете использовать виртуальные машины для проверки приложений или файлов, сохранять резервные копии, чтобы защитить данные от вирусов или ошибок.

Технология может помочь с запуском программ в различных ОС. Например, машина с Windows XP позволит запустить старые приложения, которые не работают на более новых версиях ОС.

Виртуализация в бизнесе

Для решения бизнес задач виртуализация – это мощный инструмент, который позволяет увеличивать эффективность и экономию ресурсов, сократить затраты на оборудование, повысить надежность систем.

Одним из первых и наиболее широко используемых методов является виртуализация серверов. Она позволяет по максимуму использовать ресурсы сервера, а также значительно повышает уровень безопасности. Помимо этого, виртуализация – один из способов увеличить экономию места в серверных комнатах.

На рабочих местах технология позволяет использовать общие ресурсы и программы, а также сократить затраты на оборудование и обслуживание.

Кроме того, виртуализация является первым шагом в облачных технологиях, которые стали неотъемлемой частью современных бизнес-процессов.

Основные направления развития виртуализации

Существует несколько основных направлений развития виртуализации, которых придерживаются все крупные IT-компании по производству оборудования и софта:

1. Виртуализация сервера.
2. Расширение виртуализации на платформу «облако».
3. Виртуализация рабочих станций.
4. Виртуализация хранения данных.
5. Виртуализация сети.

Каждое из этих направлений подразумевает решение различных конкретных задач посредством использования общей технологии. Виртуализация – это быстро развивающаяся и технологически значимая область в информационных технологиях. Крупнейшие компании в данной отрасли непрерывно расширяют и совершенствуют разработки, касающиеся виртуализации.

Как работает виртуализация

Чтобы разобраться, как работает виртуализация, необходимо понимать, что виртуальная машина создается на основе физической. Последняя выступает в роли хост-системы, а виртуальные – в роли гостевых.

ПО или гипервизор, управляющий хост-системой, формирует среду для запуска гостевых машин. Гипервизор имеет основные функции – управлять доступом к общим ресурсам, разделять мощность вычислений, определять работу объектов хранения данных и управлять доступом к сетевым ресурсам.

Гостевые машины не взаимодействуют между собой кроме случаев, когда они нуждаются в общем доступе к некоторым ресурсам. Каждый гость может получить свою квоту ресурсов, которую можно изменять по мере необходимости. Если одна виртуальная машина завершается из-за ошибки, она не передается на другие.

Классический критерий виртуализуемости

В 70-х годах минувшего столетия был сформулирован так называемый классический критерий виртуализируемости, согласно которому:

1. В процессоре предполагается разделение всех инструкций на классы: первый – это привилегированные инструкции, второй – непривилегированные.
2. Первый класс в непривилегированном режиме должен привести к тому, что возникает исключение.
3. Второй класс вызывает аналогичные эффекты в обоих режимах – как непривилегированном, так и привилегированном.

Если все вышеперечисленные условия соблюдены, то управление виртуальными машинами будет осуществляться успешно.

Ограничения применимости критерия виртуализуемости

Несмотря на то, что классический критерий актуален по сей день, к некоторым современным архитектурам процессоров его можно применить только после модификации или нельзя вовсе из-за ряда ограничений:

Во-первых, однозначно определить, к какому классу относятся инструкции, возможно не всегда – эффект может различаться в зависимости от таких факторов, как значения регистров или режим работы.

Во-вторых, отдельные инструкции, будучи привилегированными, не становятся причиной вызова исключения в непривилегированном режиме – они игнорируются или приводят к некорректным результатам.

В-третьих, существуют архитектуры процессоров, у которых предусмотрено больше двух режимов и уровней привилегии, из-за чего деление на классы усложняется.