Алексей Гультяев - Виртуальные машины: несколько компьютеров в одном

Все перечисленные достоинства виртуальных машин являются общими для многих из них. Помимо этих общих свойств, конкретный программный продукт обладает, как правило, индивидуальными особенностями, призванными повысить его привлекательность в сравнении с конкурирующими изделиями.

На веб-сайтах разработчиков виртуальных машин можно найти многочисленные примеры использования технологии таких машин различными известными компаниями. Так, виртуальные машины VMware используются компанией Symantec для тестирования сетевых антивирусных пакетов; программисты популярной поисковой системы Google применяют виртуальные машины VMware для оценки эффективности работы Google с разными веб-браузерами и на разных платформах.

Начнем с уточнения терминов.

С точки зрения пользователя, виртуальная машина (ВМ) — это конкретный экземпляр некой виртуальной вычислительной среды («виртуального компьютера»), созданный с помощью специального программного инструмента. Обычно такие инструменты позволяют создавать и запускать произвольное число виртуальных машин, ограничиваемое лишь физическими ресурсами реального компьютера.

Собственно инструмент для создания ВМ (его иногда называют приложением виртуальных машин, или ПВМ ) — это обычное приложение, устанавливаемое, как и любое другое, на конкретную реальную операционную систему. Эта реальная ОС именуется «хозяйской», или хостовой, ОС (от англ. термина host — «главный», «базовый», «ведущий»).

Все задачи по управлению виртуальными машинами решает специальный модуль в составе приложения ВМ — монитор виртуальных машин (МВМ). Монитор играет роль посредника во всех взаимодействиях между виртуальными машинами и базовым оборудованием, поддерживая выполнение всех созданных ВМ на единой аппаратной платформе и обеспечивая их надежную изоляцию. Пользователь не имеет непосредственного доступа к МВМ. В большинстве программных продуктов ему предоставляется лишь графический интерфейс для создания и настройки виртуальных машин (рис. 1.2). Этот интерфейс обычно называют консолью виртуальных машин.

Рис. 1.2.Пример консоли виртуальных машин

«Внутри» виртуальной машины пользователь устанавливает, как и на реальном компьютере, нужную ему операционную систему. Такая ОС, принадлежащая конкретной ВМ, называется гостевой (guest OS). Перечень поддерживаемых гостевых ОС является одной из наиболее важных характеристик виртуальной машины. Наиболее мощные из современных виртуальных машин (представленные в данной книге) обеспечивают поддержку около десятка популярных версий операционных систем из семейств Windows, Linux и MacOS.

Когда виртуальная машина создана и запущена, у пользователя может возникнуть полная иллюзия того, что он работает с автономным компьютером, имеющим собственные процессор, оперативную память, видеосистему и (как правило) «стандартный» набор внешних устройств, включая флоппи-дисковод и устройство чтения CD/DVD.

На самом деле виртуальная машина не имеет доступа к физическим ресурсам реального компьютера. Работа с ними возложена на упоминавшийся ранее МВМ, а также на еще одну служебную программу — драйвер виртуальных машин.

В упрощенном виде архитектура системы, в которой используются виртуальные машины, выглядит следующим образом (рис. 1.3):

■ хостовая ОС и монитор виртуальных машин разделяют между собой права на управление аппаратными компонентами компьютера; при этом хостовая ОС занимается распределением ресурсов между собственными приложениями (включая и консоль ВМ);

■ монитор ВМ контролирует распределение ресурсов между запущенными виртуальными машинами, создавая для них иллюзию непосредственного доступа к аппаратному уровню (этот механизм называют виртуализацией );

■ гостевые ОС в пределах выделенных им ресурсов управляют работой «своих» приложений.

Рис. 1.3.Архитектура системы виртуальных машин

Приведенная архитектура является весьма общей. Однако представленные сегодня на рынке системы виртуальных машин имеют и существенные различия. Обусловлены они в первую очередь механизмом виртуализации, который использован в той или иной системе.

Система виртуальных машин может быть построена на базе различных платформ и при помощи разных технологий. Используемая схема виртуализации зависит как от аппаратной платформы, так и от особенностей «взаимоотношений» хостовой ОС и поддерживаемых гостевых ОС. Некоторые архитектуры обеспечивают возможность виртуализации на аппаратном уровне, другие требуют применения дополнительных программных ухищрений.

В настоящее время распространение получили три схемы виртуализации:

■ эмуляция API гостевой ОС;

■ полная эмуляция гостевой ОС;

■ квазиэмуляция гостевой ОС.

Обычно приложения работают в изолированном адресном пространстве и взаимодействуют с оборудованием при помощи интерфейса API (Application Programming Interface — интерфейс прикладного программирования), предоставляемого операционной системой. Если две операционные системы совместимы по своим интерфейсам API (например, Windows 98 и Windows ME), то приложения, разработанные для одной из них, будут работать и на другой. Если две операционные системы несовместимы по своим интерфейсам API (например, Windows 2000 и Linux), то необходимо обеспечить перехват обращений приложений к API гостевой ОС и сымитировать ее поведение средствами хостовой ОС. При таком подходе можно установить одну операционную систему и работать одновременно как с ее приложениями, так и с приложениями другой операционной системы.

Поскольку весь код приложения исполняется без эмуляции, а эмулируются лишь вызовы API, такая схема виртуализации приводит к незначительной потере в производительности виртуальной машины. Однако из-за того, что многие приложения используют недокументированные функции API или обращаются к операционной системе в обход API, даже очень хорошие эмуляторы API имеют проблемы совместимости и позволяют запускать не более 70% от общего числа приложений. Кроме того, поддерживать эмуляцию API бурно развивающейся операционной системы (например, такой как Windows) очень нелегко, и большинство эмуляторов API так и остаются эмуляторами какой-то конкретной версии операционной системы. Так, в Windows NT/2000 до сих пор встроен эмулятор для приложений OS/2 версии 1.x. Но самый большой недостаток ВМ с эмуляцией API гостевой ОС — это ее ориентация на конкретную операционную систему.