Гипервизоры и виды виртуализации виртуальных серверов

Как можно догадаться из самого названия «виртуальный сервер» — именно виртуализация лежит в основе работы виртуальных серверов (VPS). Она позволяет запускать несколько виртуальных машин (ВМ) на одном физическом сервере, обеспечивая гибкость, экономию ресурсов и безопасность. В процессе виртуализации ключевую роль играют так называемые гипервизоры (hypervisors) — программные или аппаратные решения, которые непосредственно управляют распределением ресурсов между виртуальными серверами.

Что такое гипервизор?

Гипервизор — это технология, позволяющая создавать и управлять виртуальными машинами на одном физическом сервере. Он распределяет вычислительные мощности, контролирует доступ к процессору, памяти и дискам, а также обеспечивает изоляцию каждого виртуального сервера.

Какие есть типы гипервизоров?

Гипервизоры делятся на два типа в зависимости от способа работы:

Гипервизоры первого типа (bare-metal) — Type 1

Гипервизоры Type 1 работают непосредственно с аппаратным обеспечением сервера, без посредника в виде операционной системы. Это самый эффективный и безопасный способ виртуализации, используемый в дата-центрах и облачных платформах.

Примеры гипервизоров первого типа:

KVM (Kernel-based Virtual Machine) — интегрирован в ядро Linux, предоставляет полную виртуализацию;
Xen — позволяет использовать как паравиртуализацию (PV), так и аппаратную виртуализацию (HVM);
VMware ESXi — мощное корпоративное решение для виртуализации серверов;
Microsoft Hyper-V — гипервизор, встроенный в Windows Server.

Плюсы гипервизоров Type 1:

Высокая производительность, так как нет лишнего ПО между виртуальными машинами и «серверным железом»;
Полная изоляция виртуальной машины (ВМ), что повышает безопасность;
Поддержка множества ОС.

Минусы:

Требует выделенного оборудования;
Сложная настройка и управление.

Гипервизоры второго типа (hosted) — Type 2

Гипервизоры Type 2 работают поверх уже установленной операционной системы. Они удобны для тестирования и локальной виртуализации, но уступают в производительности виртуальным машинам, построенным на базе гипервизоров первого типа.

Примеры гипервизоров второго типа:

VMware Workstation / Fusion — популярное решение для виртуализации на ПК;
Oracle VirtualBox — бесплатный гипервизор с поддержкой разных ОС;
QEMU — эмулятор и виртуализация, часто используется с KVM.

Плюсы гипервизоров Type 2:

Простая установка и настройка;
Можно запускать ВМ на обычном компьютере;
Подходят для тестирования.

Минусы:

Низкая производительность по сравнению с гипервизорами Type 1;
Меньшая изоляция, так как работает внутри ОС.

Виды виртуализации

В зависимости от способа работы гипервизоров выделяют несколько типов виртуализации. Они отличаются уровнем изоляции, производительностью и возможностями управления.

Аппаратная виртуализация (полная виртуализация)

Этот метод использует аппаратные возможности процессора (VT-x, AMD-V) для создания полноценной виртуальной машины. При этом, каждая виртуальная машина работает независимо от других, как физический сервер. Примеры: KVM, Xen HVM, VMware ESXi, Hyper-V.

Среди плюсов аппаратной виртуализации можно выделить следующие:

Полная изоляция каждой виртуальной машины;
Возможность установки любых ОС;
Высокая производительность.

Среди минусов можно выделить разве что тот факт, что аппаратная виртуализация для обеспечения своей работы требует больше серверных ресурсов.

Паравиртуализация (PV)

В этом методе виртуальные машины используют специальные драйверы для взаимодействия с гипервизором, что ускоряет работу, но требует модифицированной ОС. Примеры: Xen PV.

Среди плюсов паравиртуализации можно выделить следующие:

Она более быстрая, чем аппаратная виртуализация;
И менее требовательна к серверным ресурсам.

Если же говорить о возможных минусах такого решения, то нужно сказать про то, что паравиртуализация требует определённых изменений в ядре ОС.

Контейнерная виртуализация

Контейнерная виртуализация — это способ виртуализации, при котором приложения запускаются в изолированных средах (контейнерах) внутри одной операционной системы. В отличие от традиционной виртуализации (KVM или Xen), контейнеры не создают отдельные виртуальные машины с собственным ядром ОС, а используют общее ядро хост-системы.

Как это работает? Представьте физический сервер, на котором установлена операционная система (например, Linux). Вместо создания отдельных виртуальных машин с собственными ядрами, сервер использует контейнеры, которые работают внутри одной ОС, но имеют изолированные процессы, файлы и зависимости.

Контейнеры похожи на миниатюрные виртуальные машины, но без лишней нагрузки. Каждое приложение или служба запускается в своём контейнере, а все контейнеры работают на одном сервере. Контейнеры позволяют запускать отдельные экземпляры программ внутри одной ОС. Это самый лёгкий и быстрый вариант виртуализации, но без полной изоляции. Примеры: OpenVZ, LXC, Docker.

Контейнеры активно используются в облачных сервисах (например, при организации облачных серверов), разработке программного обеспечения и веб-хостинге. Они позволяют быстро разворачивать новые серверные приложения без сложной настройки инфраструктуры.

Среди плюсов контейнерной виртуализации можно выделить следующие:

Лёгкость и скорость работы — контейнеры не требуют создания отдельного виртуального окружения с полноценной ОС. Это делает их быстрыми в развертывании и экономными в плане ресурсов;
Изолированность — хотя контейнеры работают внутри общей ОС, они остаются изолированными друг от друга. Это позволяет запускать приложения в отдельных средах без конфликта зависимостей;
Масштабируемость — контейнеры легко создаются, копируются и удаляются. Это идеальное решение для динамических облачных систем, где требуется гибкое управление ресурсами;
Кроссплатформенность — контейнеры позволяют разработчикам создавать приложения в одном окружении и запускать их на разных серверах без изменений.

Ну, и как же без минусов — все контейнеры используют одно ядро ОС, что не позволяет, например, установить контейнер с Windows внутри Linux-системы (если, конечно же, не применять специализированные решения). Также, в случае, сли основная ОС выходит из строя, то это непосредственно затрагивает все контейнеры (в отличие от виртуальных машин, контейнеры не имеют полной независимости).

Виртуализация на уровне ОС

Этот метод виртуализации чем-то похож на контейнерную виртуализацию, но виртуальные серверы работают как отдельные пользователи одной ОС. Примеры: OpenVZ, Virtuozzo.

Виртуализация на уровне ОС — это метод, при котором несколько изолированных сред создаются внутри одной операционной системы, но при этом все виртуальные серверы используют одно ядро. Это означает, что каждый виртуальный сервер (VPS) работает независимо, но разделяет ядро хост-системы.

В отличие от аппаратной виртуализации (KVM, Xen HVM), виртуализация на уровне ОС не создаёт полноценных виртуальных машин. Вместо этого она использует контейнеры, которые обеспечивают изоляцию, но всё же зависят от базовой системы.

Как это работает? При использовании виртуализации на уровне ОС гипервизор не требуется, поскольку хост-операционная система сама управляет виртуальными серверами. Вместо этого применяется специальная технология контейнеров, позволяющая выделять ресурсы и изолировать пользователей.

Основные принципы работы:

Все виртуальные серверы работают на одном ядре ОС;
Каждому виртуальному серверу выделяются CPU, RAM, диск, но они не загружают собственное ядро;
Изоляция обеспечивается контейнеризацией, но она не абсолютна;
Все виртуальные серверы должны использовать одну операционную систему, так как ядро общее.

Среди плюсов такой виртуализации можно выделить следующие:

Отличная оптимизация ресурсов;
Высокая скорость работы.

Среди минусов — ограничение по ОС, а именно — нельзя установить Windows.

Какой вид виртуализации выбрать?

Нужна высокая производительность и полная изоляция? → KVM или Xen HVM;
Нужна лёгкая виртуализация без лишней нагрузки? → OpenVZ или LXC;
Нужна виртуализация для тестирования на ПК? → VirtualBox или VMware Workstation.