Виртуальная машина

Виртуальная машина (ВМ)— это программная среда, которая имитирует отдельный компьютер с собственной операционной системой и виртуальным оборудованием. Она функционирует внутри физического устройства, используя его вычислительные ресурсы, но логически изолирована от основной системы.

Такой виртуальный компьютер не существует как самостоятельное устройство. Он создается с помощью специального программного обеспечения и работает поверх физического оборудования или ОС хоста. При этом пользователь взаимодействует с ним так же, как с обычным персональным компьютером: устанавливает программы, настраивает параметры, работает с файлами.

Как устроена виртуальная машина

В основе работы лежит технология виртуализации. Она позволяет создать цифровые копии процессора, оперативной памяти, накопителей и сетевых интерфейсов. Гостевая ОС воспринимает эти копии как реальное оборудование.

Физический компьютер, на котором запускается среда, называется хостом. Внутри него создается одна или несколько гостевых систем. Каждая из них получает выделенную часть ресурсов:

• оперативную память;

• процессорное время;

• дисковое пространство;

• сетевые интерфейсы.

Например, если на хосте установлено 16 гигабайт оперативной памяти, пользователь может выделить ВМ 4 гигабайта. Эти ресурсы временно становятся недоступными основной системе. После выключения виртуальной среды память возвращается хосту.

Создать ВМ с характеристиками, превышающими возможности физического устройства, невозможно. Она всегда ограничена параметрами хоста.

Технология виртуализации

Виртуализация реализуется на уровне, близком к аппаратному обеспечению. В современных компьютерах для этого предусмотрена поддержка на уровне процессора. Иногда ее требуется включить в настройках базовой системы ввода и вывода перед загрузкой операционной системы.

Цифровые копии оборудования формируют виртуальное «железо». Гостевая система взаимодействует не напрямую с физическими компонентами, а с их абстракциями. Это обеспечивает изоляцию и управляемость.

Виртуализация бывает двух типов:

• аппаратная — реализуется с использованием возможностей процессора и запускается непосредственно на уровне оборудования;

• программная — создается поверх установленной операционной системы и работает как отдельный процесс.

Гипервизор

Гипервизор — это управляющая программа, распределяющая ресурсы между хостом и ВМ. Он контролирует доступ к процессору, памяти и накопителям, а также обеспечивает изоляцию гостевых систем.

Существуют два типа гипервизоров:

• автономные — устанавливаются напрямую на оборудование без промежуточной операционной системы;

• хостовые — работают поверх уже установленной ОС и создают ВМ как отдельные процессы.

Гипервизор выполняет следующие функции:

• выделение ресурсов;

• контроль загрузки;

• управление доступом к устройствам;

• обеспечение безопасности;

• поддержка одновременной работы нескольких виртуальных сред.

Принцип работы

После создания ВМ пользователь указывает параметры будущей системы. Обычно задаются:

• объем оперативной памяти;

• количество виртуальных процессоров;

• размер виртуального диска;

• тип сетевого подключения.

Затем подключается образ установочного носителя операционной системы. Установка происходит внутри виртуальной среды, как на обычном компьютере.

Пример запуска ВМ через командную строку в среде с поддержкой консольного управления:

*создать_машину --имя тестовая_система*
*выделить_память --объем 4096*
*подключить_образ --файл система.iso*
*запустить_машину --имя тестовая_система*

Конкретные команды зависят от выбранного программного обеспечения, но логика остается одинаковой: создание, настройка, подключение образа, запуск.

Для чего применяются

Изоляция и управляемость делают виртуальные среды универсальным инструментом. Их используют в разных задачах.

Основные направления применения:

• тестирование программного обеспечения в безопасной среде;

• запуск ОС, несовместимых с основным устройством;

• моделирование различных конфигураций оборудования;

• создание виртуальных серверов;

• запуск устаревших приложений;

• анализ потенциально опасных программ.

Если внутри виртуальной системы произойдет сбой, это не затронет основную систему. Файлы и настройки хоста останутся неизменными.

В области серверных технологий виртуализация позволяет разделить один физический сервер на несколько независимых логических. Каждый сервер имеет собственную операционную систему и конфигурацию.

ВМ и контейнеры

Контейнер — это изолированная среда для запуска приложений, использующая общее ядро операционной системы. В отличие от виртуальной машины, он не имитирует полноценный компьютер.

Основные различия:

• виртуальная машина создает отдельную операционную систему, контейнер — нет;

• виртуализация работает ближе к оборудованию;

• контейнеры потребляют меньше ресурсов;

• изоляция у виртуальной машины глубже.

Если требуется запустить несколько экземпляров одного приложения, контейнеров достаточно. Если нужно воспроизвести полноценную серверную инфраструктуру с разными операционными системами, используется виртуализация.

Виды виртуальных машин

По способу реализации выделяют несколько категорий.

Виртуализация системы

Создается полноценный виртуальный компьютер со своей операционной системой. Применяется для серверов, тестирования и изоляции.

Виртуализация процесса

Создается среда для выполнения конкретной программы. Она работает как промежуточный слой между приложением и операционной системой. Пример — виртуальная машина языка программирования, обеспечивающая переносимость кода.

Виртуализация накопителей и сетей

Позволяет объединять несколько физических устройств в одно логическое. Например:

• два жестких диска могут отображаться как единый том;

• несколько сетевых сегментов объединяются в одну виртуальную сеть.

Преимущества

Использование виртуальных машин дает ряд практических преимуществ.

• Изоляция. Системы не влияют друг на друга.

• Безопасность. Потенциально вредоносный код ограничен рамками виртуальной среды.

• Гибкость. Можно быстро создавать и удалять среды с разными параметрами.

• Универсальность. Поддерживаются различные операционные системы.

• Консолидация ресурсов. Один физический сервер обслуживает несколько логических.

Недостатки

Виртуализация увеличивает нагрузку на оборудование.

• Снижается производительность хоста при активной работе гостевых систем.

• Виртуальная машина работает медленнее физического компьютера.

• При нехватке ресурсов возможны сбои и нестабильность.

• Требуется грамотная настройка распределения памяти и процессорного времени.

Каждая виртуальная среда использует часть ресурсов физического устройства. При одновременном запуске нескольких систем нагрузка возрастает пропорционально их количеству.

Программные решения

Для создания виртуальных машин применяется специализированное программное обеспечение.

Наиболее распространенные решения:

• система виртуализации с открытым исходным кодом, поддерживающая различные ОС;

• платформа, встроенная в ОС семейства «Окна»;

• коммерческая система для работы на устройствах с операционной системой «Макинтош»;

• промышленная платформа виртуализации для корпоративного применения;

• средство эмуляции, виртуализации с консольным управлением.

Каждое решение реализует собственный гипервизор и набор инструментов управления.

Создание виртуальной машины

Общий порядок действий включает несколько этапов:

1. Установка программы виртуализации.

2. Создание новой виртуальной машины.

3. Настройка параметров оборудования.

4. Подключение образа ОС.

5. Установка гостевой системы.

6. Запуск, дальнейшая настройка.

После установки виртуальная машина отображается в списке доступных сред. Пользователь может запускать ее, приостанавливать, изменять параметры или удалять.