Что такое виртуализация: системы, виды, средства, среды

Технологии виртуализации начали развиваться несколько десятков лет назад. Основные этапы:

• 1960-е — создание первых систем, которые могли одновременно запускать несколько задач. В те годы появились прототипы виртуальных машин, которые служили для разделения мэйнфреймов (серверов) между пользователями. 

• 1970-е — развитие концепции виртуальных машин. В этот период выпустили одну из первых систем виртуализации — VM/370. Компании начали использовать виртуальные машины, чтобы изолировать задачи и безопасно выполнять разные процессы на устройстве. 

• 1980-е — спад интереса к технологии. В этот период многие предпочитали работать с физическим оборудованием, которое стало стоить не так дорого, как раньше. Мощностей для выполнения задач хватало, поэтому не было особой необходимости виртуализировать ресурсы. 

• 1990-е — возвращение виртуализации. У компаний появляется потребность эффективно использовать «железо», поэтому начинается разработка гипервизоров. 

• 1999–2000-й — революция от VMware, стандартизация виртуализации в корпоративной среде. Активное применение гипервизоров для запуска нескольких операционных систем (ОС) на одном сервере. 

• 2000-е — период серверной виртуализации, распространение гипервизоров VMware ESXi, Microsoft Hyper-V, Xen. Компании начали массово переходить от «железных» серверов к виртуальным машинам.

• 2010-е — расширение видов виртуализации. Появляется виртуализация хранилищ, сетей, рабочих мест. В этом же период развиваются технологии контейнеризации приложений с помощью Docker и Kubernetes.

• 2010–2020-е — расцвет облаков. AWS, Azure, Google Cloud, Cloud.ru и другие используют виртуализацию в качестве основы для своих облачных решений. 

Сегодня виртуализации используют как рядовые пользователи, так и компании. Популярны гибридные и облачные среды, позволяющие экономить на развитие инфраструктуры и охватывать широкий пул задач. 

Термины, которые имеют отношение к виртуализации и связанным с ней процессам:

• Виртуальная машина (Virtual Machine, VM) — имитация компьютера, которая работает поверх физического сервера и располагает собственными ресурсами: процессором, памятью, дисковым пространством и др.

• Гипервизор (Hypervisor) — инструмент для управления виртуальными машинами и распределения ресурсов. 

• Виртуализация серверов (Server virtualization) — запуск нескольких серверных систем на одном физическом.

• Виртуализация рабочего стола (Virtual Desktop Infrastructure) — создание виртуальных рабочих мест пользователей на централизованных серверах.  

• Виртуализация сети (Network Virtualization) — создание виртуальных сетей поверх физической сети.

• Виртуализация хранилищ (Storage Virtualization) — объединение разных физических дисков в единое виртуальное пространство хранения.

• Образ виртуальной машины (VM Image) — файл, включающий операционную систему, данные и конфигурации VM.  

• Снапшот (Snapshot) — сохранение состояния виртуальной машины в определенный момент времени, чтобы можно было к нему вернуться.

• Клон (Clone) — копия существующей VM.

• Миграция (Live Migration) — перенос работающей виртуальной машины с одного хоста на другой без остановки работы.

• Виртуальные ресурсы — программные аналоги физических ресурсов.

• Контейнеризация — развертывание приложений в изолированных средах, использующих общую ОС.

• Оркестрация — автоматическое управление контейнерами или VM, их масштабирование, перепланирование и распределение нагрузки (Kubernetes, vCenter).

• Хост — физический сервер или компьютер, на котором запускаются виртуальные машины или контейнеры.

• Гостевая система — операционная система, которая запускается на виртуальной машине.

Рассмотрим пять основных видов виртуализации, которые используются компаниями разного масштаба, разработчиками и даже рядовыми пользователями.

Виртуализация серверов

Это технология, которая позволяет запускать несколько виртуальных серверов на одном мощном физическом. В этом помогает гипервизор. Он обеспечивает изоляцию виртуальных машин друг от друга и распределяет вычислительные мощности, ресурсы хранилища. Гипервизор выделяет виртуальным серверам ресурсы по мере необходимости. Например, одна машина выполняет более ресурсоемкие задачи, чем другая. Гипервизор распределит нагрузку так, чтобы она получила больше мощностей. 

Виртуализация используется, чтобы:

• обойтись без покупки дополнительных физических серверов;

• запускать на одном оборудовании разные операционные системы;

• упростить управление инфраструктурой без потери качества выполнения задач;

• быстро развертывать тестовые среды для тестирования приложений. 

Примеры технологий серверной виртуализации: 

Сетевая виртуализация

Это технология, позволяющая с помощью программного обеспечения создавать виртуальные сети, не привязываясь к инфраструктуре. 

Сетевая виртуализация дает возможность:

• Создавать в одной физической инфраструктуре несколько виртуальных сетей. 

• Релевантно распределять ресурсы между виртуальными сетями.

• Изолировать сетевой трафик между виртуальными машинами. 

• Менять топологию сети без сложных настроек.

Виртуальные сети работают как обычные сети, но реализованы в виде программного кода. Администратор управляет ими с помощью программных инструментов. 

Сетевая виртуализация используется в облаках, (AWS, Azure, Google Cloud, Cloud.ru), в виртуальных машинах и контейнерах (VMware, OpenStack, Kubernetes), крупных компаниях и дата-центрах. 

Технологии: 

Разберем пример сетевой виртуализации в офисе IT-компании, где работают бухгалтеры, HR, разработчики, специалисты информационной безопасности. Физическая сеть в организации одна. Из нее компания создала несколько виртуальных для каждого отдела. Например, у бухгалтеров своя сеть «Бухгалтерия» с доступом к финансовым сервисам, у разработчиков —  к тестовым серверам, CI/CD, репозиториям. Для гостей офиса тоже предусмотрена отдельная виртуальная сеть без доступа к корпоративным ресурсам. 

Виртуализация рабочего стола

Технология, которая позволяет пользователю получать доступ к полноценной рабочей среде с любого устройства. При этом сама ОС и программы физически находятся на удаленном сервере или в дата-центре. Обработка и хранение данных выполняются централизованно, а пользователь видит привычный интерфейс. 

Виртуализация рабочего стола используется для централизованного управления рабочими местами сотрудников, предоставления удаленного доступа к рабочей среде с любого устройства.

Примеры технологий: 

Виртуализация приложений

Это технология, которая позволяет запускать приложения в изолированной среде без установки привычным образом. ПО работает отдельно от основной системы, но для пользователя это незаметно. 

Где используется:

• Корпоративные сети — централизованное развертывание и обновление приложений без вмешательства в ОС на каждом устройстве.

• DevOps и тестирование — запуск разных версий приложений на одном устройстве без конфликтов.

• Образовательные учреждения — единая среда для учащихся, где приложения должны одинаково работать на всех компьютерах.

• Сфера безопасности — изоляция потенциально опасных программ, чтобы они не влияли на систему.

Примеры технологий: 

Виртуализация хранилищ 

Это технология, позволяющая объединять разные системы и устройства хранения в единый пул, которым удобно управлять. ПО, обеспечивающее виртуализацию, перехватывает запросы от компьютеров или виртуальных машин и передают их соответствующему хранилищу/носителю данных. Пользователи не видят состав пула — для них виртуальное хранилище выглядит как один ресурс. 

Есть два метода виртуализации хранилища — на основе файлов и блоков. Первый применяется в системах NAS и устраняет зависимость между физической памятью и данными, к которым предоставляется доступ. Второй метод позволяет собирать сведения о емкости доступных блоков дискового пространства на виртуализированных массивах объединять эти блоки в общий ресурс. 

Что дает виртуализация хранилищ:

• Простое управление. Администратор управляет не десятками систем и дисков, а одним логическим хранилищем.

• Увеличение производительности. Данные распределяются по нескольким физическим устройствам, благодаря чему хранилища работают быстрее.

• Гибкость. Можно быстро выделить виртуальное хранилище для новых целей.

• Оптимизация свободного места.  Исключается проблема, когда одни накопители переполнены, а другие почти пустые. 

• Удобное резервирование. Благодаря виртуализации можно автоматически создавать резервные копии хранилища.

Технологии:

В сфере виртуализации важная роль отводится гипервизорам. Какие функции они выполняют:

• Изоляция виртуальных машин. Гипервизор делает так, что VM независимо друг от друга работают в отдельных средах, при этом используя общие ресурсы компьютера или сервера. 

• Распределение ресурсов. Гипервизор назначает для каждой виртуальной машины сетевые ресурсы и дисковое пространство в соответствии с задачами и потребностями. 

• Поддержка многозадачности. Гипервизор позволяет нескольким виртуальным машинам одновременно выполнять задачи на одном устройстве.

• Обеспечение мобильности. Гипервизор поддерживает миграцию виртуальных машин между физическим оборудованием. 

• Управление жизненным циклом виртуальных машин. Гипервизор контролирует VM с момента создания до прекращения работы. 

Есть два типа гипервизоров — Bare metal и Hosted. Они отличаются принципом работы. 

Гипервизоры первого типа 

Это ПО, которое устанавливается на физическое оборудование сервера. Оно работает с ним напрямую, не затрагивая операционную систему. 

Гипервизоры первого типа используются для создания масштабируемых корпоративных решений, к которым предъявляются высокие требования безопасности. Также они подойдут, если требуется стабильная производительность при минимальных накладных расходах.

Гипервизоры второго типа 

Это инструменты, которые работают поверх операционной системы и используют ее ресурсы для управления виртуальными машинами. С оборудованием они не взаимодействуют. 

Гипервизоры второго типа подходят для разработки, тестирования и использования на персональных компьютерах. Их можно использовать на любом устройстве с хостовой системой. Они просты в настройке, поэтому станут оптимальным выбором, если нет навыков работы с гипервизорами первого типа. 

Гибридные гипервизоры

Это решения, которые сочетают в себе черты гипервизоров первого и второго типа. Они могут работать как напрямую на «железе», так и поверх существующей операционной системы. В чем их уникальность:

• Высокая производительность для критически важных виртуальных машин, которые требуют прямого доступа к ресурсам.

• Быстрый запуск тестовых и вспомогательных виртуальных машин поверх хостовой ОС, что удобно для обучения, разработки и тестирования.

• Поддержка гибкой конфигурации и управления для адаптации к разным сценариям.

• Обеспечение баланса между безопасностью, масштабируемостью и удобством использования.

Гибридные гипервизоры используются в корпоративной среде, где часть виртуальных машин требует высокой производительности, а другие нужны для тестов и обучения сотрудников. Они нашли применение и в облачных платформах, где необходимо одновременно управлять множеством VM разных типов и уровней нагрузки.

Обзор популярных инструментов:

Это технология, которая позволяет запускать приложения в изолированных контейнерах. Контейнер включает в себя само ПО, все библиотеки, зависимости и настройки. Все это будет одинаково работать в любой среде. 

Главное отличие контейнеров от традиционной виртуализации в том, что они не создают полноценную виртуальную машину с собственной операционной системой. Контейнеры используют ядро хостовой ОС и изолируют только файловую систему, процессы приложения, а также их окружение и зависимости. 

Преимущества контейнеризации:

• Портативность — контейнер с приложением можно запускать на любом сервере или облаке без необходимости менять конфигурацию.

• Быстрое развертывание — контейнеры запускаются мгновенно, в отличие от виртуальных машин, которым нужно загружать полноценную ОС.

• Эффективное использование ресурсов — несколько контейнеров могут работать на одном сервере без перегрузки, так как делят ядро хостовой ОС.

• Упрощение DevOps и CI/CD процессов — контейнеры обеспечивают стабильную среду для тестирования и развертывания.

Для масштабирования и развертывания контейнеров можно использовать платформу Kubernetes. Управлять контейнеризованными приложениями в облаке поможет решение Evolution Managed Kubernetes от Cloud.ru. 

Виртуализация — один из ключевых элементов современной IT-инфраструктуры. Она обеспечивает гибкость и экономию ресурсов бизнеса. Благодаря развитию разных видов виртуализации и контейнеризации компании могут эффективно работать и масштабироваться без лишних затрат. В будущем виртуализация будет еще теснее интегрирована с облаками и автоматизацией, что сделает инфраструктуру более устойчивой и предсказуемой.