Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Харківський національний університет радіоелектроніки

Кафедра РТІКС

Курсова робота

з дисципліни «Інформаційні технології»

на тему: «Віртуалізація в комп`ютерних системах»

Роботу виконав

ст. гр. ІТІР-19-1

Ксьонов Б.О.

Керівник - старший викладач Ганшин Д.Г

Харків

2022

Реферат

Досліджуваним об'єктом у курсовому проекті є віртуалізація в комп`ютерних системах. Віртуалізація - це технологія генерування віртуальної версії пристрою або ресурсу, наприклад сервера, магазину, мережі або навіть операційної системи, де фреймворк розділяє ресурси на одне або більше середовищ виконання.

В даній курсовій роботі досліджується як працює віртуалізація. Це єдина фізична машина з декількома віртуальними машинами. Великі компанії з десятками і навіть сотнями серверів використовують віртуалізацію серверів для підвищення ефективності роботи та консолідації кількості працюючих машин.

Також досліджується де може допомогти. Це може допомогти бізнесу, зробивши можливим підтримувати менше пристроїв, краще використовувати ці пристрої та забезпечити більш надійне резервне копіювання та відновлення. Після налаштування віртуального сервера ви можете налаштувати нові віртуальні сервери за допомогою тієї ж конфігурації, яка займає лише кілька хвилин.

ЗМІСТ

• Вступ
• 1. Види віртуалізації
• 2. Де застосовується віртуалізація
• 3. Підходи до побудови віртуалізації
• 4. Порівняння систем віртуалізації
• 5. Технології віртуалізації
• 6. Програмна віртуалізація
• 7. Апаратна віртуалізація
• 8. Віртуалізація на рівні ОС
• 8.1 Віртуалізація програмного продукту
• 8.2 Віртуалізація візуалізації
• 9. Віртуалізація як проектування мереж та системного адміністрування
• 9.1 Віртуалізація в адмініструванні комп'ютерних мереж
• 9.2 Сервери та сервіси
• 9.3 Віртуалізація сервісів
• Висновок
• Список використаної літератури

ВСТУП

Віртуалізація набирає все більшої популярності, але мало хто по-справжньому розбирається, навіщо вона потрібна й які її принципи роботи.

Віртуалізація - це об'єднання різних обчислювальних ресурсів і їх подальше перенесення з фізичної машини на віртуальну. Так як ви використовуєте окремі RAM, CPU й інші обчислювальні ресурси віртуального сервера, є можливість розмістити відразу декілька самостійних віртуальних машин. віртуалізація комп`ютерна система

Для проектування комп'ютерних мереж використовується моделювання роботи реальної мережі за допомогою імітації роботи реального мережевого обладнання. Для підвищення завадостійкості локальних мереж та збільшення ефективності роботи обслуговуючого персоналу використовують віртуальне програмне забезпечення та віртуальні операційні системи. І технології віртуалізації, як жодна річ, виконують вимоги користувачів. Вони заощаджують кошти керівництва підприємств, дозволяють уникнути помилок при проектуванні комп'ютерних мереж та дають можливість розробникам програмного забезпечення виконати тестовий запуск нового продукту і провести його випробування, перш ніж випустити продукт на ринок. Сервери, що обслуговують компанії, починаючи від малого та середнього бізнесу, і завершуючи банками, промисловими гігантами та дата-центрами, у більшості - віртуальні.

Перелік достоїнств віртуалізації дійсно вражає, та вона виконує функції, без котрих не представляється можливим розвиток технологічної сфери людського життя. Тож, розглянемо їх.

1. ВИДИ ВІРТУАЛІЗАЦІЇ

Поняття віртуалізації умовно можна розділити на дві фундаментально розрізняються категорії:

1) Віртуалізація платформ

Продуктом цього виду віртуалізації є віртуальні машини - деякі програмні абстракції, що запускаються на платформі реальних апаратно-програмних систем.

Під віртуалізацією платформ розуміють створення програмних систем на основі існуючих апаратно-програмних комплексів, що залежать або незалежних від них. Система, що надає апаратні ресурси і програмне забезпечення, називається хостової (host), а симуляція їй системи - гостьовими (guest). Щоб гостьові системи могли стабільно функціонувати на платформі хостової системи, необхідно, щоб програмне і апаратне забезпечення хоста було досить надійним і надавало необхідний набір інтерфейсів для доступу до його ресурсів.

2) Віртуалізація ресурсів

Даний вид віртуалізації переслідує своєю метою комбінування або спрощення подання апаратних ресурсів для користувача і здобуття якихось користувальницьких абстракцій обладнання, просторів імен, мереж і т.п.

При описі віртуалізаційних платформ ми розглядали поняття віртуалізації у вузькому сенсі, переважно застосовуючи його до процесу створення віртуальних машин. Однак якщо розглядати віртуалізацію в широкому сенсі, можна прийти до поняття віртуалізації ресурсів, узагальнюючим в собі підходи до створення віртуальних систем. Віртуалізація ресурсів дозволяє концентрувати, абстрагувати і спрощувати управління групами ресурсів, таких як мережі, сховища даних і простору імен.

2. ДЕ ЗАСТОСОВУЄТЬСЯ ВІРТУАЛІЗАЦІЯ

Віртуалізація операційних систем за останні три-чотири роки дуже добре просунулася вперед, як в технологічному, так і в маркетинговому сенсі. З одного боку, користуватися продуктами віртуалізації стало набагато простіше, вони стали більш надійними і функціональними, а з іншого - знайшлося чимало нових цікавих застосувань віртуальним машинам.

Сферу застосування віртуалізації можна визначити, як "місце, де є комп'ютери", проте на даний момент можна позначити наступні варіанти використання продуктів віртуалізації:

1) Консолідація серверів

2) Розробка і тестування програм

3) Використання в бізнесі

4) Використання віртуальних робочих станцій

3. ПІДХОДИ ДО ПОБУДОВИ ВІРТУАЛІЗАЦІЇ

Наведемо короткий огляд основних підходів до побудови віртуалізації. Емуляція апаратури -- у хост-системі створюється віртуальна машина, яка моделює деяку апаратну платформу. Оскільки кожна команда процесора має бути змодельована на реальній платформі, то продуктивність може знизитись у кілька десятків і навіть у сотні разів.

Повна віртуалізація (full virt) -- використовує прошарок між гостьовими операційними системами і апаратурою, гіпервізор.

Рисунок 3.1 - Емуляція апаратури

Рисунок 3.2 - Повна віртуалізація

Втрати продуктивності невисокі, проте невисокий і перелік реально підтримуваного устаткування. Його перевагою є те, що можуть використовуватись немодифіковані гостьові системи.

Паравіртуалізація (paravirt) -- метод нагадує попередній метод з повною віртуалізацією, відмінність полягає у тому, що гіпервізор належить ядру хостсистеми. Продуктивність цього методу близька до продуктивності невіртуалізованої системи, проте вимагає використання модифікованих гостьових систем.

Рисунок 3.3 - Паравіртуалізація

Віртуалізація рівня ОС (OS virt) -- фактично це просто ізоляція контейнерів, що дозволяє отримати продуктивність, практично рівну продуктивності невіртуалізованої системи.

Рисунок 3.4 - Віртуалізація рівня ОС

Оскільки для обчислювального кластера визначальним параметром є швидкодія, то при виборі систем віртуалізації визначальною є величина сповільнення, яку дає система віртуалізації. Тому для умов кластерного комплекса підходять віртуалізація рівня ОС та паравіртуалізація, а емуляція не підходить для високопродуктивних обчислень саме з таких міркувань. Повна віртуалізація має нижчу швидкодію та дуже звужений спектр обладнання, що підтримується, тому вона також не підходить. Хоча оператор chroot за своєю функціональністю і належить до віртуалізації рівня ОС, але, на жаль, може віртуалізувати лише файлову систему, а для кластера потрібно значно більше. Потрібна віртуалізація мережевого стеку, ізоляція процесів, можливість ефективного поділу ресурсів системи, насамперед процесора, пам'яті.

4. ПОРІВНЯННЯ СИСТЕМ ВІРТУАЛІЗАЦІЇ

· Програмне забезпечення для віртуалізації корисно оцінювати за такими критеріями:

· Необхідність апаратної підтримки (наприклад, Intel VT і AMD SVM);

· Можливість використовувати апаратну підтримку при її наявності;

· Установка і запуск з-під існуючої ОС (Windows, Linux) чи «голе залізо»;

· Здатність запускати операційні системи відмінні від встановленої;

· Наявність і необхідність драйверів паравиртуалізації для операційних систем, що запускаються;

· Необхідність графічної консолі для роботи.

Якщо обмежити свій погляд на системах з вільною ліцензією та високою швидкодією, то, як видно з таблиці, кандидатами є XEN, KVM, OpenVZ, Linux- VServer.

XEN та KVM -- реалізації технології паравіртуалізації, XEN має дещо ширшу підтримку обладнання, у тому числі InfiniBand. На противагу цьому, KVM має кращу архітектуру, є у стандартному ядрі Linux. Обидві ці системи є кандидатами для побудови віртуального вузла. OpenVZ -- реалізація технології віртуалізації рівня ОС на ядрі Linux. OpenVZ дозволяє на одному фізичному сервері запускати кілька ізольованих середовищ, які називаються VPS (Virtual Private Server) чи VE (Virtual Environments).

З одного боку за функціональністю OpenVZ поступається більшості інших рішень: запускається лише з-під Linux, в віртуальних оточеннях запускає лише Linux і без можливості використання на робочій станції.

З іншого боку, OpenVZ виграє висунутим вимогам: апаратна підтримка віртуалізації йому не потрібна, споживання ресурсів і різниця у швидкодії між базовою системою й віртуальним середовищем мінімальні, установка і управління прості.

OpenVZ дає відмінну продуктивність -- падіння не перевищує 1-2% на сучасних системах. Масштабованість також прийнятна -- на одному фізичному сервері може бути запущено кілька сотень віртуальних середовищ, реалізується динамічне управління ресурсами, адміністрування відрізняється простотою.

Рисунок 4.1 - OpenVZ

OpenVZ також підтримує міграцію віртуальних середовищ, що дозволяє Їна льоту? переносити віртуальне середовище з одного фізичного сервера на інший. Це дозволяє будувати різні сценарії використання (на жаль, міграцію у кластерному оточенні можна використовувати з істотно більшими застереженнями, оскільки обмеження накладають драйвери використовуваного інтерконекта).

5. ТЕХНОЛОГІЇ ВІРТУАЛІЗАЦІЇ

Згідно зі статистикою середній рівень завантаження процесорних потужностей у серверів під управлінням Windows не перевищує 10%, у Unix-систем цей показник краще, але тим не менше в середньому не перевищує 20%. Низька ефективність використання серверів пояснюється широко застосовуваним з початку 90-х років підходом "один додаток - один сервер". Очевидно, що на практиці це означає швидке збільшення серверного парку і як наслідок - зростання витрат на його адміністрування. енергоспоживання та охолодження.

Рисунок 5.1 - Віртуалізація має на увазі запуск на одному фізичному комп'ютері декількох віртуальних комп'ютерів

В основі віртуалізації лежить можливість одного комп'ютера виконувати роботу декількох комп'ютерів завдяки розподілу його ресурсів за кількома середах. За допомогою віртуальних серверів і віртуальних настільних комп'ютерів можна розмістити кілька ОС і кілька додатків в єдиному місці розташування. Крім енергозбереження та скорочення витрат, віртуальна інфраструктура забезпечує високий рівень доступності ресурсів, більш ефективну систему управління, підвищену безпеку і вдосконалену систему відновлення в критичних ситуаціях.

Виділяють три основних типи віртуалізації:

· програмна

· апаратна

· віртуалізація на рівні операційної системи

Рисунок 5.2 - Віртуалізація

6. ПРОГРАМНА ВІРТУАЛІЗАЦІЯ

Програмна віртуалізація припускає функціонування віртуальних середовищ поверх програмної прошарку, що забезпечує доступ ізольованих ВМ до загального пулу апаратних ресурсів. Програмна віртуалізація отримала саме широке поширення на серверах стандартної архітектури x86.

Рисунок 6.1 - Програмна віртуалізація

Використання програмної віртуалізації дозволяє реалізувати такі переваги:

1. Підвищення норми утилізації ресурсів з 5-15% до 60-80% приводить до скорочення числа необхідних серверів і розмірів ЦОД. Результатом стане економія на оренді площ, зниженні енергоспоживання серверів і систем кондиціонування, зниження потреби в обслуговуючому персоналі;

2. Розгортання віртуальних серверів і додатків та їх перенесення на інше обладнання займає набагато менше часу;

3. Відкривається можливість динамічно виділяти ресурси кожної ВМ відповідно до реальних потреб бізнес-додатків;

4. Консолідація виконуваних додатків, забезпечувана повною ізоляцією кожної з ВМ. Крах будь-якої ВМ не впливає на працездатність інших машин.

5. Міграція успадкованих додатків і версій ОС на віртуальні розділи без модифікації;

6. Централізований засіб управління всіма віртуальними серверами підприємства через єдиний інтерфейс;

7. Висока оперативність відновлення доступності додатків після збоїв.

7. АПАРАТНА ВІРТУАЛІЗАЦІЯ

Апаратна віртуалізація - віртуалізація з підтримкою спеціальної процесорної архітектури. На відміну від програмної віртуалізації, за допомогою даної техніки можливе використання ізольованих гостьових систем, керованих гіпервізором безпосередньо. Гостьова система не залежить від архітектури хостової платформи та реалізації платформи віртуалізації. Наприклад, за допомогою технологій апаратної віртуалізації можливий запуск 64-бітних гостьових систем на 32-бітних хостових системах.

Рисунок 7.1 - Апаратна віртуалізація

Апаратна віртуалізація забезпечує продуктивність, порівнянну з продуктивністю невіртуалізованной машини, що дає віртуалізації можливість практичного використання і тягне її широке поширення. Найбільш поширені технології віртуалізації Intel-VT і AMD-V:

У Intel VT (Intel Virtualization Technology) реалізована віртуалізація режиму реальної адресації (режим сумісності з 8086). Відповідна апаратна віртуалізація введення-виведення - VT-d. Часто позначається абревіатурою VMX (Virtual Machine eXtension). Кодова назва -- Vanderpool.

AMD-V часто позначається абревіатурою SVM (Secure Virtual Machines). Кодова назва - Pacifica. Відповідна технологія віртуалізації введення-виведення - IOMMU. AMD-V простіше і ефективніше, ніж Intel VT. Підтримка AMD-V з'явилася в Xen 3.3.

За кожним віртуальним сервером, як правило, закріплюється власний набір апаратних ресурсів. Апаратна віртуалізація дозволяє виділити віртуальній машині (ВМ) потрібні апаратні ресурси і забезпечити розподіл апаратних потужностей на рівні пристроїв.

Рисунок 7.2 - Віртуальний сервер

8. ВІРТУАЛІЗАЦІЯ НА РІВНІ ОС

Віртуалізація на рівні операційної системи - віртуалізує фізичний сервер на рівні ОС, дозволяючи запускати ізольовані і безпечні віртуальні сервери на одному фізичному сервері. Ця технологія не дозволяє запускати ОС з ядрами, відмінними від типу ядра базової ОС. При віртуалізації на рівні операційної системи не існує окремого шару гіпервізора. Замість цього сама хостова операційна система відповідає за розподіл апаратних ресурсів між декількома віртуальними серверами і підтримку їх незалежності один від одного.

Ядро операційної системи підтримує декілька ізольованих екземплярів простору користувача, замість одного. Ці примірники (часто звані контейнерами або зонами) з точки зору користувача повністю ідентичні реальному серверу. Для систем на базі UNIX, ця технологія може розглядатися як поліпшена реалізація механізму chroot. Ядро забезпечує повну ізольованість контейнерів, тому програми з різних контейнерів не можуть впливати одина на одну.

Також потрібно відмітити ще два типи віртуалізаії, досить специфічних, та все ж таки займаючих своє вагоме місце серед технологій віртуалізації.

8.1 Віртуалізація програмного продукту

Віртуалізація додатків увазі використання моделі ізоляції прикладних програм та їх взаємодії з ОС.

Програма в цьому випадку виконується без інсталяції в традиційному її розумінні і може запускатися з зовнішніх носіїв (наприклад, з флеш-карт або з мережевих папок). З точки зору ІТ-відділу такий підхід має переваги: прискорюється розгортання настільних систем і з'являється можливість управління ними, зводяться до мінімуму конфлікти між додатками і потреби в тестуванні сумісності додатків. Фактично саме такий варіант віртуалізації використовується в Microsoft Appication Virtualization (раніше Softgrid), VMware Thinstall, Symantec / Altiris Virtualization, Novell ZENworks Application Virtualization.

Найбільш поширеними продуктами, що дозволяють використовувати такий тип віртуалізації є ThinApp від VMware та App-V від Microsoft.

8.2 Віртуалізація візуалізації

Цей термін ввела пару років тому компанія Microsoft для позначення технологій термінального доступу, які почали активно застосовуватися для x86-сумісних комп'ютерів з кінця 90-х рр.. Основна ідея тут - поділ процесів виконання програми та візуалізації інтерфейсу користувача, що забезпечує перенесення основного обчислювального навантаження на сервер і дозволяє застосовувати тонкий клієнт.

Створення та розвиток технологій термінального доступу пов'язано з компаніями Cirtix і Microsoft, які мають багаторічну історію стратегічного співробітництва в цій сфері, де Citrix займає лідируючі позиції на рівні high-end-рішень зі своїм комплексом XenApp (раніше називався Presentation Server), а Microsoft домінує на low -сегменті з Windows Terminal Services.

Однак в останні роки в цій сфері починають активно діяти і інші компанії, в тому числі виробники апаратних засобів (HP, Sun, Wyse). З'являються також гравці з якісно новими рішеннями. І тут потрібно в першу чергу згадати про швидко набираючі популярність рішення компанії NComputing.

9. ВІРТУАЛІЗАЦІЯ ЯК ПРОЕКТУВАННЯ МЕРЕЖ ТА СИСТЕМНОГО АДМІНІСТРУВАННЯ

9.1 Віртуалізація в адмініструванні комп'ютерних мереж

У контексті системного адміністрування найбільш істотні дві властивості будь-якої технології віртуалізації. Перше полягає в тому, що віртуалізація вводить проміжний рівень між обладнанням (апаратним забезпеченням) і програмним забезпеченням. Використання цього рівня дає адміністратору можливість гнучко управляти розподілом апаратних ресурсів між паралельно виконуються програмами. Друге - приміщення програм у віртуальне оточення досить надійно ізолює їх від всіх інших програм, що виконуються на цьому ж фізичному обладнанні поза даного оточення. Тим самим радикально знижується ймовірність побічного впливу роботи одних програм на роботу інших, в тому числі знижується ймовірність атак, побудованих на подібних побічних взаємодіях.

9.2 Сервери та сервіси

Під сервером зазвичай розуміється окремий (зазвичай потужний) комп'ютер, спеціалізований під виконання завдань з обслуговування абонентів (надання сервісів). Кількість таких сервісів, одночасно виконуються в рамках одного сервера, обмежена зверху обчислювальними можливостями обладнання, пропускною здатністю каналу для запитів клієнтів тощо На практиці кількість сервісів на одному сервері зазвичай більше одного, як з економічних міркувань (невигідно дозволяти простоювати дорогому серверного обладнання ), так і з технологічних (найчастіше сервіси буває зручно агрегованих на одному вузлі, т. к. вони можуть працювати взаємопов'язано, наприклад, з одними і тими ж даними).

З розвитком технологій постійно наростаючі потужності комп'ютерного обладнання набагато випереджають зростання запитів до ресурсів з боку програм. У результаті все вище піднімається верхня межа за кількістю можливих сервісів на одному сервері, і все більш невигідно стає тримати сервер тільки для одного сервісу - ресурси простоюють.

9.3 Віртуалізація сервісів

Традиційний підхід до розміщення сервісів полягає в тому, що на одному фізичному сервері працює одна операційна система, в рамках якої виконуються декілька системних служб, що надають ті чи інші сервіси.

У кількох завдань, що виконуються в рамках однієї ОС завжди є можливості для взаємодії, оскільки ОС саме для організації такої взаємодії і призначена. Крім того, в розділеному середовищі завдання спільно користуються загальними інтерфейсами (файлова система, структури ядра ...) і в кінцевому підсумку загальними апаратними ресурсами, що відкриває дорогу побічним взаємодіям. У разі незалежних сервісів подібна взаємодія рівнозначно перешкод і порушення роботи.

У UNIX-системах, при розробці яких багатозадачність була одним з найважливіших пріоритетів, вже присутній комплекс засобів для вирішення завдань ізоляції та контролю. До подібних засобів відносяться, наприклад, системний виклик chroot (), що забезпечує ізоляцію на рівні файлової системи, у FreeBSD існує також технологія jail, додатково до цього обмежує доступ до структур ядра.

В останніх версіях ядра Linux реалізована підтримка апаратної паравіртуалізації (kvm, застосовне в тому випадку, якщо її підтримує процесор). Однак стандартні засоби UNIX-систем не вирішують всіх проблем спільного розміщення сервісів.

Рисунок 9.1 - UNIX система

ВИСНОВОК

Мною були розглянуті та вивчені сучасні технології віртуалізації та їх роль та користь у проектуванні комп'ютерних мереж, адмініструванні.

Тому можна зробити висновок, що віртуалізація - один з найважливіших напрямків розвитку сучасних мережевих технологій, який забезпечує загальну ефективність мережевої системи організації за допомогою різних її аспектів. Це економить час, а також енергію.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Конспект лекцій з дисципліни «Операційні системи вбудованих інформаційно-комунікаційних систем» підготовки бакалавра спеціальності 126 Інформаційні системи та технології. [Електронний документ]/Упоряд.: Ганшин Д.Г. ? Харків: ХНУРЄ, 2022. ? 135 с.

2.https://knowledge.allbest.ru/programming/3c0a65635a3bc69b4c43a89521306c27_3.html

3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Аппаратная_виртуализация

4. https://studfile.net/preview/2426010/page:6/

5. https://studfile.net/preview/2426010/page:9/#34

6. https://studfile.net/preview/2426010/page:11/

Размещено на Allbest.ru