Что такое гипервизор и как он работает

Гипервизор отделяет реальные аппаратные компоненты — процессоры, оперативную память, дисковое пространство и другие физические ресурсы — от виртуальных машин и операционных систем, которые на них работают. Физическое устройство, на котором установлен гипервизор, называется хост-машиной, а виртуальные экземпляры, запускаемые поверх него, известны как гостевые виртуальные машины.

Ключевая особенность заключается в том, что он эмулирует доступные ресурсы таким образом, чтобы гостевые машины могли их использовать. Независимо от того, какая операционная система загружается на виртуальной машине, она функционирует так, как будто в её распоряжении находятся реальные физические ресурсы. Гостевые машины не осведомлены о том, что гипервизор создал их в виртуальной среде — для них нет разницы между физической и виртуализированной средой.

Зачем же его использовать? Он позволяет максимально эффективно использовать доступные процессоры и память — несколько виртуальных сред на одном сервере полностью задействуют имеющиеся мощности. Кроме того, виртуальные машины не зависят от аппаратного обеспечения хоста и могут быть легко перенесены на другую систему, что обеспечивает лучшую мобильность IT-инфраструктуры.

Как работает гипервизор

Механизм работы основан на принципе динамического распределения физических ресурсов между виртуальными машинами. По сути, гипервизор выступает в роли диспетчера, который управляет доступом гостевых операционных систем к аппаратным компонентам хост-машины.

Процесс распределения охватывает несколько ключевых типов ресурсов. Во-первых, это вычислительная мощность процессора — гипервизор выделяет каждой виртуальной машине определенное количество виртуальных процессоров (vCPU), которые представляют собой абстракцию физических ядер. Во-вторых, оперативная память: если администратор выделяет виртуальной машине 8 ГБ оперативной памяти, этот объем будет зарезервирован и останется недоступным для других виртуальных машин, даже если используется лишь его часть. В-третьих, дисковое пространство — каждая виртуальная машина получает виртуальный диск, который физически может храниться как файл на хост-системе. Наконец, сетевые компоненты: гипервизор эмулирует сетевые адаптеры, позволяя виртуальным машинам взаимодействовать как друг с другом, так и с внешними сетями.

Важно понимать, что каждая виртуальная машина функционирует в изолированной среде и считает, что у неё в распоряжении находится собственный выделенный сервер. Гипервизор создает иллюзию полного контроля над аппаратными ресурсами, хотя в действительности эти ресурсы разделяются между несколькими гостевыми системами. Такая архитектура обеспечивает не только эффективное использование оборудования, но и стабильность работы: сбой одной виртуальной машины не влияет на функционирование остальных, поскольку они изолированы друг от друга на логическом уровне.

История виртуализации и появления

История виртуализации уходит корнями в эпоху мейнфреймов. В конце 1960-х и вплоть до 1970-х годов большинство систем виртуализации и гипервизоров были замечены на мейнфреймах, разработанных компанией IBM. Использовались они для разработки процессов использования компьютера в режиме разделения времени, для тестирования новых операционных систем и идей для их усовершенствования, а также для изучения новых аппаратных концепций. Виртуализация позволяла программистам развертывать системы и устранять неисправности, не подвергая угрозам стабильность основной производственной системы, и к тому же она позволяла уйти от разработки дополнительных дорогостоящих систем.

В середине 2000-х годов гипервизоры выходят на новый уровень, когда Unix, Linux и другие похожие операционные системы начали активно использовать технологии виртуализации. В 2005 году разработчики процессоров начали добавлять аппаратную виртуализацию в свои продукты на базе x86, расширяя доступность преимуществ виртуализации для массовой и серверной аудитории.

Таким образом, путь от громоздких мейнфреймов IBM до современных высокопроизводительных серверов занял несколько десятилетий, превратив виртуализацию из узкоспециализированной технологии в повсеместно используемый инструмент оптимизации IT-инфраструктуры.

Типы гипервизоров

Существует два основных типа, которые различаются по своему месту в архитектуре виртуализации и способу взаимодействия с аппаратным обеспечением. Каждый из них имеет свои особенности, преимущества и области применения.

Тип 1 (bare-metal)

Гипервизоры первого типа, также известные как «пустые» или «родные», устанавливаются непосредственно на физическое оборудование без участия операционной системы. По сути, они представляют собой минималистичную ОС, предназначенную исключительно для управления виртуализацией. Такой тип полностью контролирует запуск, работу и взаимодействие всех виртуальных машин с устройствами, самостоятельно распределяя вычислительные ресурсы и контролируя обращения гостевых систем к аппаратным компонентам.

Схема показывает трёхуровневую структуру bare-metal гипервизора: оборудование → гипервизор → виртуальные машины. Иллюстрация помогает визуально понять ключевое отличие от Type 2 — отсутствие промежуточной ОС.

Эти решения широко применяются в дата-центрах и у облачных провайдеров, где требуется максимальная производительность и стабильность. Наиболее известные представители этого типа включают VMware ESXi, Microsoft Hyper-V, Oracle VM Server, KVM, Xen и Citrix Hypervisor.

Скриншот вкладки управления хостом VMwar.

Преимущества:

• Высокая производительность благодаря прямому доступу к аппаратным ресурсам без промежуточных слоев.
• Превосходная степень защиты: между программным обеспечением и процессором отсутствуют уязвимые компоненты, которые можно взломать или заразить вирусами.
• Мобильность виртуальных машин: с помощью гипервизора первого типа можно перемещать ВМ между физическими серверами вручную или настроить автоматическую миграцию.
• Полная изоляция виртуальных машин друг от друга.

Недостатки:

• Ограниченная функциональность: у таких виртуальных ОС мало опций и настроек, они предельно просты в плане исполнения.
• Сложное управление: для манипулирования такой виртуализацией требуется консоль, которая устанавливается на других машинах.
• Высокая стоимость: чем функциональнее оказывается сборка гипервизора, тем она дороже.

Тип 2 (hosted)

Гипервизоры второго типа, также известные как размещенные или хостовые, работают как обычные приложения внутри уже установленной операционной системы. Они отображаются в системе как стандартные процессы и используют ресурсы через хост-ОС. В этом случае гостевая ОС выполняется как процесс на хосте, а гипервизоры разделяют гостевую ОС и ОС хоста.

Схема показывает архитектуру гипервизора второго типа, который работает поверх хостовой операционной системы. Из-за дополнительного уровня — Host OS — часть ресурсов уходит на поддержку самой ОС, что снижает эффективность по сравнению с Type 1. На схеме видно, что виртуальные машины запускаются как обычные процессы внутри установленного гипервизора.

Их основная задача — управление гостевыми операционными системами, в то время как распределением и эмуляцией физических ресурсов занимается сама хостовая система. Гипервизоры типа 2 наиболее популярны для персонального использования, тестовых сред и небольших развертываний, где не требуется максимальная производительность. Примеры включают Oracle VM VirtualBox, VMware Workstation, VMware Player и Parallels Desktop для Mac.

Главное окно VirtualBox, гипервизора типа 2.

Преимущества:

• Простота установки и использования: не требуется специальных знаний для развертывания.
• Доступность: многие решения имеют бесплатные базовые версии с достаточным функционалом.
• Удобство для разработчиков и тестировщиков: идеальны для создания изолированных окружений на рабочих станциях.
• Совместимость с широким спектром оборудования.

Недостатки:

• Менее гибкое управление ресурсами: распределять ресурсы в гипервизорах этого типа сложнее, чем в первом типе.
• Производительность: хост-ОС создает дополнительную нагрузку на физическое оборудование, что может привести к проблемам с задержками.
• Безопасность: тип 2 работает поверх операционной системы, что создает потенциальную уязвимость, поскольку злоумышленники могут использовать уязвимости хост-ОС для доступа к виртуальным машинам.

Кому подходит каждый тип

Выбор правильного типа строго зависит от индивидуальных потребностей и масштаба задач. Для личного использования и небольших развертываний можно выбрать один из гипервизоров типа 2. Если бюджет не является проблемой, VMware предоставит все необходимые функции, в противном случае Oracle VM VirtualBox является тем вариантом, который обеспечит большинство необходимых функций.

Для корпоративных сред тип 1 — это правильный выбор, однако необходимо учитывать множество факторов перед принятием решения. Ключевым фактором для корпоративных сред обычно является стоимость лицензий, которая может варьироваться по серверу, по процессору или иногда даже по ядру. Текущий рынок представляет собой соревнование между VMware vSphere и Microsoft Hyper-V, хотя Hyper-V несколько лет назад отставал, сейчас он стал достойным выбором даже для крупных развертываний. То же касается и KVM.

Диаграмма показывает сравнительный уровень производительности распространённых гипервизоров. Такой визуальный обзор помогает быстро понять, какие решения обеспечивают более высокую вычислительную эффективность в типовых корпоративных нагрузках.

Рассмотрим основные различия в формате сравнительной таблицы:

Гипервизор как основа VPS/VDS и виртуальных серверов

Гипервизор является ключевым элементом любой технологии виртуальных серверов. Именно он позволяет запускать несколько независимых вычислительных сред на одном физическом устройстве и распределять между ними ресурсы так, будто каждая виртуальная машина работает на собственном выделенном сервере.

• Эмуляция и распределение ресурсов. Гипервизор абстрагирует физические компоненты — процессор, оперативную память, диски и сетевые интерфейсы — и предоставляет каждой виртуальной машине собственный набор виртуальных ресурсов. Благодаря этому гостевая ОС воспринимает себя как отдельный сервер, не зная о существовании других виртуальных сред.
• Изоляция вычислительных сред. Каждая виртуальная машина работает независимо. Ошибка, сбой или вредоносная активность в одной ВМ не влияет на остальные, что обеспечивает стабильность услуг на базе VPS/VDS и позволяет безопасно запускать разные приложения на одном физическом сервере.
• Высокая эффективность использования оборудования. Использование гипервизора позволяет значительно повысить загрузку аппаратных мощностей. Вместо множества физических серверов достаточно одной производительной машины, на которой разворачивается несколько виртуальных экземпляров. Это снижает затраты на оборудование, обслуживание, охлаждение и энергопотребление.
• Масштабирование и гибкая конфигурация. Создание, удаление или изменение конфигурации виртуального сервера выполняется в течение нескольких минут. По мере необходимости можно увеличивать ресурсы ВМ, добавлять новые диски, расширять сеть или переносить виртуальные машины между физическими узлами.
• Независимость от аппаратной платформы. Так как виртуальные машины не привязаны к конкретному физическому серверу, их можно переносить на другие устройства без длительных простоев. Это облегчает обслуживание инфраструктуры, модернизацию оборудования и управление аварийными ситуациями.

Преимущества виртуализации через гипервизор

Технология гипервизоров предоставляет целый ряд преимуществ, которые делают виртуализацию одним из ключевых инструментов современной IT-инфраструктуры. Давайте рассмотрим основные выгоды, которые получают организации при внедрении виртуализации.

• Экономия на оборудовании. Виртуальные машины позволяют системным и сетевым администраторам иметь выделенную машину для каждой службы, которую нужно запустить, при этом не требуется приобретать множество физических серверов. Это не только уменьшает количество требуемого оборудования, но и экономит время при поиске и устранении проблем, а также снижает затраты на электроэнергию и охлаждение дата-центров.
• Гибкость и мобильность виртуальных машин. Виртуальные машины не зависят от аппаратного обеспечения хоста и могут быть легко перенесены на другую систему. Это можно сделать вручную или настроить автоматическую миграцию, что обеспечивает высокую доступность сервисов и упрощает процессы обслуживания инфраструктуры.
• Изоляция окружений. Каждая виртуальная машина работает изолированно от других, что обеспечивает стабильность системы в целом. Сбой одной ВМ не влияет на работу остальных, что критически важно для поддержания непрерывности бизнес-процессов.
• Возможность запускать разные операционные системы. Гипервизор позволяет запускать различные ОС на одном физическом сервере одновременно — Windows, Linux, Unix и другие могут сосуществовать и выполнять свои задачи параллельно.
• Удобство управления. Современные гипервизоры предоставляют централизованные инструменты управления всей виртуальной инфраструктурой, что упрощает администрирование и мониторинг.
• Быстрое развертывание и масштабирование. Создание новой виртуальной машины занимает минуты, в то время как закупка, доставка и настройка физического сервера может потребовать недель.

Ограничения и недостатки

Несмотря на многочисленные преимущества, технология гипервизоров имеет ряд ограничений, о которых необходимо знать при планировании виртуализации инфраструктуры.

• Накладные расходы ресурсов. Виртуальные машины используют много системных ресурсов, поскольку каждая виртуальная машина запускает не только полную копию операционной системы, но и виртуальную копию всего оборудования, на котором должна запускаться операционная система. Соответственно, быстро возникает необходимость в использовании большого количества запоминающих устройств и машинных циклов, что требует мощного аппаратного обеспечения.
• Снижение производительности у гипервизоров типа 2. Хост-ОС создает дополнительную нагрузку на физическое оборудование, что может привести к проблемам с задержками у виртуальных машин. Кроме того, если на хост-машине 32 ГБ оперативной памяти, а пользователь создает три ВМ по 8 ГБ каждая, у него останется 8 ГБ оперативной памяти для поддержания работы физической машины, что может оказаться недостаточным.
• Риски безопасности: гиперджекинг. Хотя благодаря многим мерам предосторожности гипервизоры считаются более безопасными, чем контейнеры, это не означает того факта, что у них нет вообще проблем, связанных с безопасностью. Хакеры могут создавать вредоносные программы и руткиты, которые устанавливаются под ОС как гипервизор. Этот процесс, известный как гиперджекинг, сложно обнаружить, так как вредоносное ПО может перехватывать действия операционной системы без необходимости защиты от вредоносного ПО, поскольку данное вредоносное ПО уже работает под ОС.
• Ограничения функционала без дополнительных инструментов. У типа 1 виртуальные ОС имеют мало опций и настроек, они предельно просты в плане исполнения, что может ограничивать возможности тонкой настройки системы под специфические задачи.

Гипервизоры vs контейнеры: в чём разница

В последние годы контейнерные технологии стали популярными в качестве возможной замены гипервизоров. Причина в том, что они могут размещать больше приложений на одном физическом сервере, чем виртуальная машина. Однако не стоит думать, что контейнеры обязательно заменят гипервизоры и виртуальные машины — каждая технология имеет свои сильные стороны и области применения.

Основное различие между этими подходами заключается в уровне изоляции и архитектуре. Всё, что требуется контейнеру, — это операционная система, поддерживающая программы и каталоги, а также системные ресурсы для запуска конкретной программы. Виртуальные машины, напротив, изолируют не только приложения, но и ОС. Если одно из приложений попадает под угрозу в контейнере, оно может атаковать и ОС в контейнере, что влияет в свою очередь и на другие приложения. В то же время, если на виртуальной машине приложение становится уязвимым, то оно сможет оказать вредоносное действие исключительно на одну ОС на сервере, а другие приложения или ОС на виртуальной машине останутся в безопасности.

Рассмотрим детальное сравнение этих технологий:

Скорее всего, компании будут использовать оба метода в совокупности, выбирая оптимальное решение для конкретных задач.

Где используются

Концепция не ограничивается только работой сервера. Технология виртуализации находит применение в самых разнообразных областях IT-инфраструктуры, от крупных дата-центров до персональных рабочих станций.

• Виртуализация серверов (VPS/VDS). Это наиболее распространенное применение. Облачные провайдеры и хостинг-компании используют гипервизоры для создания виртуальных выделенных и виртуальных частных серверов, которые арендуют клиенты. Это позволяет максимально эффективно использовать физическое оборудование дата-центров.
• Лабораторные среды и тестирование. Разработчики и системные администраторы активно используют виртуализацию для создания изолированных тестовых окружений. Возможность быстро развернуть, протестировать и удалить виртуальную машину делает гипервизоры незаменимыми в процессе разработки и тестирования программного обеспечения.
• Изоляция окружений разработки. Гипервизоры позволяют создавать отдельные изолированные среды для различных проектов, что предотвращает конфликты зависимостей и обеспечивает чистоту окружения для каждого приложения.
• Виртуализация рабочих столов (VDI). Технология виртуализации рабочих столов позволяет пользователям работать с виртуальными рабочими станциями, размещенными на серверах дата-центра. Это обеспечивает централизованное управление, повышенную безопасность и возможность доступа к рабочему месту из любой точки.
• Консолидация инфраструктуры дата-центров. Крупные компании используют гипервизоры для оптимизации использования серверного оборудования, снижения энергопотребления и упрощения управления IT-инфраструктурой.

Популярные гипервизоры: краткий обзор

На рынке представлено множество решений для виртуализации от различных производителей. Рассмотрим наиболее распространенные гипервизоры, которые заслужили доверие IT-специалистов по всему миру.

• VMware ESXi / Workstation. ESXi — это тип 1, который представляет собой полнофункциональное решение с расширенными возможностями и улучшением производительности при установке дополнительных пакетов. VMware Workstation Pro — гипервизор типа 2 для Windows и Linux, полный продвинутых функций и имеющий бесшовную интеграцию с vSphere, позволяя перемещать приложения между настольной и облачной средой.
• KVM (Kernel-based Virtual Machine). Это встроенное решение для Linux-систем, превращающее ядро в гипервизор. KVM зарекомендовал себя как стабильное и производительное решение для корпоративных сред, особенно популярное в open-source сообществе.
• Microsoft Hyper-V. Встроенный вариант для Windows Server и некоторых версий Windows. Hyper-V стал достойным выбором даже для крупных развертываний, предлагая тесную интеграцию с экосистемой Microsoft и конкурентоспособные возможности виртуализации.
• Xen. Один из старейших открытых гипервизоров, использующийся многими крупными облачными провайдерами. Известен своей надежностью и гибкостью настройки.
• Citrix Hypervisor (ранее XenServer). Корпоративное решение на базе Xen, ориентированное на виртуализацию серверов и рабочих столов с расширенными функциями управления.
• Oracle VM VirtualBox. Это бесплатный, но стабильный продукт с достаточными функциями для личного использования и большинства случаев для небольших бизнесов. Он не требует много ресурсов и зарекомендовал себя как хорошее решение для виртуализации рабочих станций и серверов, поддерживая многопроцессорность гостей с до 32 vCPU на виртуальную машину.
• Parallels Desktop. Конкурент VMware Fusion, предназначенный в первую очередь для пользователей macOS. Предлагает множество функций в зависимости от версии, включая сетевое кондиционирование, интеграцию с различными инструментами разработки и поддержку до 128 ГБ RAM.

Безопасность виртуализации

Хотя благодаря многим мерам предосторожности гипервизоры считаются более безопасными, чем контейнеры, это не означает того факта, что у гипервизоров нет вообще проблем, связанных с безопасностью. Давайте рассмотрим основные риски и особенности обеспечения безопасности в виртуализированных средах.

• Риски на уровне гипервизора. Профессионалы в мире виртуализации могут бесконечно вести дискуссии и споры о том, можно ли обнаружить присутствие руткита на базе гипервизора. Уже даже созданы несколько подходов на эту тему: одними внедрена концепция вредоносного ПО (SubVirt и Blue Pill), другие продемонстрировали антируткит Hooksafe, который обеспечивает эффективную защиту ОС от руткитов режима ядра без заметных потерь в производительности.
• Почему виртуализация не является абсолютно безопасной. Виртуальные машины обеспечивают изоляцию, однако если злоумышленник получает доступ к гипервизору, он потенциально может контролировать все виртуальные машины, работающие на этом хосте. Кроме того, неправильная конфигурация сетевых настроек может создать нежелательные пути доступа между изолированными средами.
• Меры предосторожности. Для минимизации рисков необходимо регулярно обновлять гипервизор и гостевые системы, использовать сегментацию сетей, ограничивать административный доступ, проводить аудит безопасности и следить за активностью виртуальных машин. Важно понимать, что безопасность виртуализации — это комплексная задача, требующая постоянного внимания.

Заключение

В этой статье мы рассмотрели ключевые аспекты технологии гипервизоров — от базовых принципов работы до практического применения в современной IT-инфраструктуре. Они представляют собой важное программное обеспечение, которое делает виртуализацию возможной, создавая виртуализационный слой между физическим оборудованием и операционными системами. Подведем итоги:

• Гипервизор отделяет виртуальные машины от физического оборудования. Это обеспечивает независимость гостевых систем и гибкость инфраструктуры.
• Существуют два типа гипервизоров. Каждый из них подходит под разные задачи — от домашних тестовых сред до корпоративных дата-центров.
• Виртуализация снижает затраты на оборудование. Она помогает рационально использовать вычислительные ресурсы и быстрее масштабировать инфраструктуру.
• Технология повышает безопасность и стабильность. Изоляция ВМ минимизирует влияние ошибок и упрощает обслуживание.
• Выбор гипервизора зависит от целей и бюджета. Важно учитывать производительность, удобство управления, поддержку оборудования и масштабируемость.

Если вы только начинаете осваивать профессию в области виртуализации, рекомендуем обратить внимание на подборку курсов по системному администрированию. Эти программы помогут разобраться в теории и закрепить знания на практике, включая работу с гипервизорами и серверными средами.