Виртуальная машина — зачем она нужна?
Виртуальная машина (ВМ) — это абстрактное представление компьютера, которое использует программное обеспечение вместо аппаратного для запуска программ и развертывания приложений.
Задействовав память, центральный процессор, сетевой интерфейс и хранилище физической машины, ВМ позволяют виртуально запускать несколько операционных систем на одном устройстве. Количество ВМ, запущенных одновременно на базовом оборудовании, ограничивается его мощностями, поскольку «виртуальные компьютеры» не имеют отдельной аппаратуры.
Обычно ВМ называют гостевыми системами, а физическую машину, на которой они работают — хостом. На нем нужно установить специальное приложение, с помощью которого запускают виртуальные машины и управляют ими.
После запуска ВМ работает практически как полноценный компьютер, а все компоненты его ОС отображаются в отдельном окне. Можно сохранить ВМ на удаленном сервере — так машина станет доступной с разных девайсов.
Разделение ресурсов
Чтобы несколько ОС сосуществовали на одном компьютере, не мешая работе друг друга, ресурсы хоста разделяют между всеми запущенными системами и изолируют. Для этого создаются цифровые копии процессоров, памяти, дисков, которые и используются виртуальными машинами. При запуске ВМ можно указать, сколько и каких ресурсов нужно выделить, но в любом случае их не может быть больше, чем есть у самого хоста.
В процессе работы «гости» отбирают вычислительные мощности у хостовой системы, а при закрытии гостевых систем ресурсы автоматически возвращаются базовой ОС. Разделение не только позволяет предотвратить конфликты между ВМ, но и защищает от сбоев: поломка отдельной виртуальной системы не приведет к краху всех остальных ОС.
Технология виртуализации
ВМ работают благодаря технологии виртуализации — процесса создания программных или виртуальных версий ресурсов (вычислительных машин, систем хранения данных, сетей, серверов). До того как виртуализация стала мейнстримом, большинство физических компьютеров одновременно работали только с одной операционной системой, что делало их стабильными, поскольку вычислительное оборудование должно было обрабатывать запросы лишь этой ОС. Недостатком подхода было неэффективное использование ресурсов, поскольку операционная система не всегда задействовала всю мощность компьютера.
Сегодня виртуализация является стандартной практикой для ИТ-инфраструктуры корпоративного уровня и движущей силой экономики облачных вычислений. Она позволяет компаниям повышать эффективность использования своих мощностей и сокращать расходы. Виртуализировать можно всю ИТ-инфраструктуру, включая сети, операционные системы, центры хранения и обработки данных и многое другое.
Гипервизор
Виртуализация становится возможной благодаря гипервизорам, также известным как мониторы виртуальной машины (VMM). Это программный уровень, который управляет всеми ВМ, работающими параллельно на одном «железе». Он служит интерфейсом между ВМ и оборудованием хоста и гарантирует, что запущенные на компьютере системы имеют доступ к необходимым физическим ресурсам. Он логически отделяет ВМ друг от друга, назначая каждой собственную часть вычислительной мощности.
VMM также контролирует разделение ресурсов, чтобы ВМ оставались изолированными и не вторгались в пространство памяти или вычислительные циклы друг друга.
Есть два типа решений:
- Автономные гипервизоры устанавливают прямо на «голое» железо, полностью заменяя ими традиционную операционную систему. Они демонстрируют более высокий уровень производительности и безопасности, поэтому их часто используют для проектирования виртуальных серверов.
- VMM второго типа работают как приложения на существующей ОС хоста. Чаще всего они используются на конечных устройствах для запуска альтернативных операционных систем и отличаются меньшей производительностью, поскольку должны использовать ОС хоста.
Для чего нужны виртуальные машины
Зная принцип работы виртуализации и ее основные составляющие, давайте разберемся, зачем нужна виртуальная машина как обычным пользователям, так и айтишникам.
- ВМ являются фундаментальной единицей облачных вычислений, позволяя выстраивать изолированные среды для пользователей, разделять ресурсы для гибкого и эффективного управления и быстро масштабироваться при росте рабочих нагрузок.
Они также предоставляют инфраструктуру для проектирования гибридной среды, которая объединяет в единую систему оборудование на местах с частными и публичными облаками. - Разработчики могут настраивать шаблоны виртуальных машин с разными параметрами в зависимости от своих нужд. Например, делать ВМ для проведения статических тестов и интегрировать их в автоматизированный рабочий процесс. Это помогает разработчикам оптимизировать набор инструментов для DevOps.
- Тестирование кода и исследование потенциально вредоносного ПО более безопасно, если проводить их не в основной, а в виртуальной операционной системе. Кроме того, при тестировании можно сделать ВМ под нужные условия: для нескольких ОС, например, Linux и Windows, различных графических сред, слабых и высокопроизводительных устройств.
- Запуск несовместимого ПО — еще одна область применения ВМ. Пользователи активно используют приложения, которые предназначены для одной ОС, в то время как на их компьютере установлена другая. Частый пример — установка программ для Windows, таких как Microsoft 365, на компьютерах Mac.
- В некоторых случаях пользователям требуется сохранять устаревшее ПО, например, ретроигры или корпоративные приложения с обширными базами, собиравшимися на протяжении десятилетий. Обычно установить ВМ с имитацией нужной ОС проще, чем осуществить полноценный перенос ПО на современные операционки.
- С помощью виртуализированной среды легко выделять и развертывать ресурсы, что позволяет создавать или клонировать ВМ для аварийного восстановления. Процесс восстановления происходит за считаные минуты, в отличие от многих часов, которые требуются для выделения и настройки физического сервера.
Виртуальные машины и контейнеры: в чем разница?
Хотя контейнеры работают на тех же технологиях виртуализации, и с их помощью также выстраивают изолированные пространства для развертывания приложений — нужно различать эти две концепции. В традиционной виртуализации, локальной или облачной, специальное программное обеспечение помогает сделать виртуальную копию компьютерного оборудования. Поэтому ВМ содержит не только условный Windows, приложение и связанные с ним библиотеки, но и копию оборудования, которая требуется для функционирования ОС.
Контейнеры используют технологию виртуализации, чтобы создать несколько изолированных экземпляров ОС, без аппаратной части. В результате контейнеры содержат только приложения, библиотеки и зависимости, что делает их особенно быстрыми и легкими. На оборудовании, где используют в лучшем случае всего несколько ВМ — спокойно запускают множество контейнеров. Благодаря «компактности», контейнер проще переносить, и не требуется ждать загрузки полной ОС и всех процессов, чтобы начать работу.
С другой стороны, для использования контейнеров существуют свои ограничения, и в определенных случаях они могут быть не лучшим решением. Например, нельзя сделать контейнеры с разными ОС, отличными от хостовой операционки. В контейнерах запускают только одно приложение или его отдельные компоненты, а ВМ позволяет имитировать сервера и разворачивать целый ряд контейнеров с разнообразными приложениями. ВМ также лучше справляются с обеспечением надежности и безопасности.
В общем, обе опции обладают достоинствами и недостатками, и выбор между ними зависит от задач, которые необходимо решить.
Преимущества виртуальных машин
Теперь, когда мы познакомились с ВМ, знаем, что это и для чего нужно, рассмотрим основные плюсы этого решения.
- Оптимизация расходов. На одном компьютере можно развернуть несколько ВМ с разными ОС, нет необходимости покупать новое устройство каждый раз, когда в работу запускается другая система. Таким образом, можно получить более высокое ROI с единицы оборудования и значительно снизить затраты на ИТ.
- Быстрое масштабирование. При возрастании рабочих нагрузок программы для виртуализации можно легко развернуть на любом компьютере. Это ускоряет масштабирование по сравнению с использованием аппаратного обеспечения.
- Портативность. Виртуальные машины можно перемещать между компьютерами в сети, между локальными и облачными средами, поэтому их охотно используют в гибридных сценариях.
- Гибкость. Проще создать ВМ, клонировав машину с уже установленной системой, чем установить ОС на реальный сервер. Так разработчики и тестировщики оперативно выстраивают нужные им среды под новые задачи по мере их возникновения.
- Безопасность. У ВМ есть несколько преимуществ по сравнению с операционными системами, которые работают непосредственно на физическом оборудовании:
- Можно использовать внешнюю программу, чтобы просканировать ВМ на наличие вредоносного кода.
- В любой момент есть возможность сделать снимок состояния машины и восстановить ВМ до раннего состояния, если она будет заражена вирусом.
- Простое создание виртуальных машин также позволяет их удалять и воссоздавать снова в случае компрометации.
- Экоустойчивость. Благодаря меньшему количеству реального оборудования, необходимого для запуска программ и приложений, можно значительно сократить потребление энергии и снизить негативное воздействие на окружающую среду.
Недостатки виртуальных машин
В тех случаях, когда для ВМ существуют альтернативы, необходимо учитывать следующие минусы:
- Проблемы производительности. ВМ зависят от мощностей, доступных им на хосте. Ограниченные ресурсы хоста приводят к снижению производительности как виртуальных, так и реальных систем. Виртуальные ОС также уступают в скорости обычным, поскольку связываются с аппаратной частью не напрямую, а через своего рода прослойку.
- Сложности в управлении. Хотя современные программы для виртуализации имеют интуитивный интерфейс — настройка и управление ВМ могут быть сложными для обычного пользователя и часто требуют команды с техническими знаниями и опытом.
- Единая точка отказа. Так как ВМ зависят от одного физического компьютера, есть риск падения всей системы, особенно если запущенные на хосте нагрузки превышают возможности аппаратного обеспечения.
Примеры программ для виртуальных систем
Современный рынок предлагает разнообразие инструментов виртуализации, и пользователь может выбрать подходящий для себя вариант в зависимости от того, какие задачи планирует решать. Те, кто не знает, с чего начать свое знакомство с ВМ, могут воспользоваться подборкой самых популярных инструментов:
- VMware предлагает линейку мощных программ для ВМ на хостах с Windows, Linux и MacOS. Есть бесплатная версия для личного использования и платная — для профессионального (доступна по подписке за $120 в год). VMware предоставляет программное обеспечение для виртуализации с поддержкой более 200 ОС, 3D-графики, USB 3.1 и других современных технологий.
- Parallels Desktop — полностью коммерческий продукт для пользователей компьютеров под управлением MacOS. Благодаря виртуализации, на них можно запускать программы для Windows, Linux, и нескольких других систем. Parallels Desktop поддерживает USB 3.1, DirectX 11, OpenGL, приводы CD-ROM и многие другие атрибуты реальных компьютеров. Стоимость подписки стартует с $100 в год.
- Hyper-V от Microsoft — программа, доступная в Windows 10 и 11 в версиях Pro и Enterprise. Она входит в состав операционной системы Windows и сразу после установки создает родительский раздел, содержащий себя и основную ОС. Каждая из них получает привилегированный доступ к аппаратной части компьютера, а гостевые системы работают в дочерних разделах и взаимодействуют с железом через родительский раздел. Виртуальные машины Microsoft Hyper-V запускаются через консоль PowerShell.
- VirtualBox популярный выбор для компьютеров на Linux, MacOS и Windows. Это бесплатный продукт с открытым исходным кодом, который развивает компания Oracle. Хотя VirtualBox — не такой мощный инструмент виртуализации, как коммерческие аналоги, это подходящий вариант для новичков благодаря своей простоте. VirtualBox предоставляет возможность настраивать ВМ по многим параметров, поддерживает целый ряд форматов виртуальных дисков, а еще позволяет делать снимки ВМ.
Теперь вы понимаете, что такое виртуальные машины, как они помогают обычным пользователям и какую важную роль играют в современной ИТ-инфраструктуре. Благодаря виртуализации можно гибко использовать вычислительные ресурсы, быстро масштабироваться, свободно переключаться между ОС и создавать безопасные пространства для потенциально рисковых манипуляций с ПО.