Debreceni Egyetem Hatvani István Szakkollégium Számítógépes virtualizáció Új tendenciák a modern tudományokban beadandó dolgozat Készítette: Varga Máté Programtervező informatikus I. Debrecen 2010. január 29.
Bevezetés Ahogy világunk fejlődik az informatika egyre nagyobb szerephez jut. Egyre több információ van, az eszközök egyre olcsóbbak és gyorsabbak. Az informatika jelenléte általánossá vált. Dúl a verseny a különböző szolgáltatók között és a megnövekedett igények kielégítéséhez, egyre szigorúbb és komolyabb feltételeknek kell eleget tenni a kívánt eredmény eléréséhez. Komoly problémát jelent hogy sok eszközre van szükség de azok kihasználtsága meglehetősen alacsony. Ráadásul a szerverparkok és adatközpontok rendkívül energiaigényesek és sok helyet is foglalnak. Nem beszélve arról hogy a fenntartásukkal foglalkozó szakembereket is fizetni kell és belőlük is minél nagyobb gépparkról van szó annál többre van szükség. Ezen problémák egyik-ha nem az egyetlen- megoldása már a hatvanas években megszületett. A mérnökök azzal a problémával találták szembe magukat hogy van egy drága szuperszámítógépük amely meglehetősen nagy számítási teljesítménnyel rendelkezik, ellenben nem sok időigényes számítás van amely nem használja ki teljesen a rendelkezésre álló hardvereket. A megoldást is megtalálták, de az eszközök rohamos fejlődése miatt egyre olcsóbb és kisebb számítógépekkel lehetett dolgozni így elég hamar okafogyottá vált a technológia használata. Az új évezred beköszöntével a rendszerek fejlesztése pusztán az eszközök bővítésével fenntarthatatlannak látszik, ezért a technológia, a virtualizáció újra feltámadt hallottaiból, és pár év alatt az egyik legfelkapottabb kérdéssé vált az informatika világában. Virtualizáció A virtualizáció a szűkebb értelemben több számítógép emulációja egy fizikai számítógépen, más szóval hardverek emulációja szoftveres környezetben. Ez a fajta virtualizáció az úgy nevezett teljes virtualizáció mely lehetővé teszi egy eszköz erőforrásainak felosztását több környezet között. A virtualizáció fogalma azonban nem merül ki annyiban hogy több számítógép szimulációja egy hardverkonfiguráción. A virtualizációnak több fajtája is megkülönböztetett. Ezek között található például a ma már minden modern számítógépben megtalálható vírtuális memória is amely fizikai memórai működését szimulálja. A virtualizációs technológiák legfontosabb céljai: A meglévő erőforrások kihasználtságának maximalizálása. A meglévő rendszerek kezelésének egyszerűsítése, költségeinek csökkentése. Az IT szolgáltatások rugalmasságának fejlesztése. A rendszerek biztonságának növelése, és a szükséges leállások idejének minimalizálása.
A virtualizáció típusai Aszerint hogy a fizikai eszközöktől mennyire választják el a rendszert, a virtualizációs technológiákat több csoportba is oszthatjuk. Ezek közül - a teljesség igénye nélkül - a következőkről fogok részletesebb ismertetőt adni szintén a teljesség igénye nélkül: Operációs rendszer virtualizáció Hardver emuláció Paravirtualizáció Adattár virtualizáció Operációs rendszer virtualizáció Amikor operációs rendszert virtualizálunk, rendszerint egy gazda, úgy nevezett host operációs rendszeren futtatunk egy vagy több vendég, úgy nevezett guest operációs rendszert. Ilyenkor a gazda operációs rendszer részét képező vagy kiegészítőjeként telepített könytárak segítségével elhiteti az alkalmazásokkal hogy azok külön számítógépen és operációs rendszeren futnak. Az alkalmazás csak a virtuális operációs rendszere által futtatott programokat és folyamatokat látja, és csakis ezekkel képes bárminemű kapcsolatot létesíteni, nem kerül hozzá semmiféle információ a gazda operációs rendszer vagy az esetleges többi virtuális operációs rendszer által végzett folyamatokról. Ez a megközelítés nagyon hasznos az olyan szolgáltatások számára amelyeknek sok felhasználó számára kell hasonló környezetet biztosítania. Ilyenek a web-hosting szolgáltatások, távoli vállalati rendszerek. Ezek arra használják az operációs rendszer virtualizációt hogy egymástól független virtuális környezeteket biztosítsanak a felhasználóknak egy fizikai gépen.a guest operációs rendszerek containerekben futnak, melyek elszeparálását a host rendszer biztosítja. Az operációs rendszer virtualizáció fontos tulajdonsága hogy a vendég operációs rendszerek típusa és verziószáma tökéletesen megegyezik a gazda operációs rendszerével. A containerek fenntartása nem túl számításigényes feladat, ezért ez a fajta virtualizáció rendkívül hatékony. Akár több száz virtuális operációs rendszert létrehozhatunk, az erőforrások 95-98 százalékát ki lehet használni alkalmazásával. A technológia hátránya hogy gyakran többféle operációs rendszerre készített alkalmazás futtatása is szükségessé válhat ugyanazon a számítógépen, és ez olyan probléma melyet a z operációs rendszer virtualizációval nem lehet feloldani. A technológia nyílt forráskódú képviselője az OpenVz projekt (http://wiki.openvz.org/main_page).
Hardver emuláció Hardver emulációkor a virtualizációs szoftver vagy más néven hypervisor egy fiktív hardverkonfigurációt emulál a vendég operációs rendszer számára amelyet az fizikai konfigurációként ismer fel. Ezt a harcverkörnyezetet virtuális gépnek nevezzük. A virtuális gépre úgyanúgy telepíthetünk operációs rendszert mintha fizikai gép lenne. Az perációs rendszer és a virtuális gép külön egységet képez melyet szabadon migrálhatunk egyik számítógépről a másikra attól függetlenül hogy mennyiben különbözik a két gazda számítógép egymástól. A hypervisor amely itt a virtuális gép és a fizikai gép között helyezkedik el, minden esetben lefordítja a virtuális gép által meghívott utasításokat az őt futtató fizikai gép utasításaira. A virtualizáció ezen megközelítése egy tökéletesen izolált operációs rendszereket jelent virtuális gépenként. Egy fizikai gépen több virtuális gépet is futtathatunk melyek csak a hípervisor programmal álnak kapcsolatban. Ennek következtében egy számítógépen futtathatunk több egymástől különböző operéciós rendszert anélkül hogy különösebb aggodalomra lenne okunk. A hardver emuláció fő felhasználási területe a szoftverfejlesztés és tesztelés. A fejlesztők egyszerre több platformon dolgozhatnak, szimulálhatnak nem PC eszközöket, és ténylegesen tesztelhetik szoftverük kompatibilitását, esetleges operációs rendszer specifikus hibáit. Alkalmas megoldás még szerverkonszolidációs projektek vérgehajtásához, amikor is a több különálló szerver virtualizálható és egyetlen fizikai géppel helyettesíthető. Nem kevés hely és energia takarítható meg ezzel a megoldással. A fizikai eszközök emulálása erőforrásigényes művelet, éppen ezért a technológia legnagyobb hátránya hogy az így virtualizált számítógépek 15-20 százalékát tudják csak hozni a fizikai hardvereken futtatott verzióiknak.egy másik talán még a teljesítmény romlásnál is komolyabb hátránya a hardver emulációnak hogy a virtualizációs szoftver egy előre meghatározott hardver interfészt tud csak a virtuális gépek számára biztosítani. A hypervisor egy környezetet nyújt a virtuális gépnek és a virtuális gép által ebben kiosztott parancsokat kell implementálnia a tényleges erőforrásokra. Ez azt jelenti hogy a virtualizációs programnak tartalmaznia kell az összes eszközillesztőt. Ebből következik hogy nem lehet akármilyen eszközt csatlakoztatni a számítógéphez, mert ha a hypervisor nem tartalmazza a drivert eleve el sem indul. Ez akkor jelent komoly problémát ha a csatlakoztatott eszköz új, nincs lehetőségünk telepíteni az eszköz driverét, be kell szereznünk egy olyan hypervisort amely tartalmazza és újratelepíteni a fizikai gépen.
Paravirtualizáció A paravirtualizáció a hardver emulációval ellentétben nem szimulál teljes hardverkonfigurációt, hanem átirányítja a guest operációs rendszer kéréseit a hardverekhez. Ily módon a virtualizációs szoftver vékony réteget képez az operációs rendszer és a hardverek között. Ennek két előnye van. Először is a hypervisor egyszerűbb, kevesebb helyet igényel.inkább egy szűrőhöz hasonlóan működik az operációs rendszerek és a fizikai eszközök között mely szinte csak annyiról kell gondoskodjon hogy két vendég operációs rendszer ne férjen hozzá ugyabban az időben ugyanazon hardverhez. Ebből kifolyólag a paravirtualizáció rendkívül hatékony, akár 90-95 százalékos erőforrás kihasználtságot is el lehet érni vele. Másodszor a paravirtualizáció nem akadályozza meg hogy akármilyen eszközt telepítsünk rendszerünkbe, hiszen a paravirtualizációs szoftver nem tartalmaz drivereket. A drivereket egy kitüntetett szerepű operációs rendszer tartalmazza. Úgy tűnhet a paravirtualizáció a járható út, de az előnyei egy igen jelentős hátránnyal párosulnak. Mivel a paravirtualizációs szoftver kicsi és kiosztja az erőforrásokat az operációs rendszerek között módosítani kell a guest rendszereken annak érdekében hogy jól működjenek együtt a hypervisorral. Ez a nyílt forráskódú operációs rendszereknél kisebb kellemetlenségek árán megoldható, de például a Microsoft operációs rendszerének forráskódjához csak kevesek férnek hozzá. Jó hír hogy az AMD legújabb processzorai a Sun jóvoltából hardveresen támogatják a paravirtualizációt anélkül hogy a guest operációs rendszereket módosítani kéne. A paravirtualizáció legelterjedtebb alkalmazása a nyílt forráskódú Xen projekt (http://xen.org/). A legújabb linux disztribúciók tartalmazzák a Xen-t. Virtualizáció otthon Egyéni felhasználók számára a virtualizáció jelentősen más perspektívákat kínál mint a szolgáltatók, nagyvállalatok szemszögéből. Mit tud nyújtani számukra a virtualizáció? Kockázat nélkül kipróbálhatnak operációs rendszereket, alkalmazásokat. Az otthoni, jól meg szokott környezetet bárhová magukkal vihetik. A virtuális gépek kényelmesebb, és biztosabb megoldást kínálnak a biztonsági mentéseknél. Mindenféle biztonsági kockázat nélkül böngészhetnek az interneten stb. Az Innotek nyílt forráskódú szoftvere, a VirtualBox és a VmWare ingyenes verziója egyaránt megfelelő választás ha valaki ki szeretné próbálni a virtualizáció által nyújtott lehetőségeket.
VmWare Player A VmWare szabad szoftvere. Előre elkészített virtuális gépek lejátszására alkalmas. Ezek előállításához viszont már a VmWare Workstation fizetős alkalmazást ajánlja a cég amelyet szerencsére nem kötelező megvásárolnunk ahhoz hogy saját virtuális gépünk lehessen. A VmWare honlapjáról letölthető számos előre elkészített és különböző operációs rendszerekkel ellátott virtuális gép. Ezek letöltés után szabadon menthetőek és másolhatóak. VirtualBox Miért használjunk mégis inkább Virtualboxot? Rendkívül kicsi. Bármilyen hardverkonfigurációjú virtuális gépet létrehozhatunk vele. Egyszerűbb a kezelőfelülete, de nem tud kevesebbet. Teljesen ingyenes. Nyílt forráskódú. Megosztható mappák a virtuális gépek között. A vendég operációs rendszer integrálható a host operációs rendszerbe, ami annyit tesz hogy a host operációs rendszerből minden további nélkül elérhetőek a guest operációs rendszeren futó alkalmazások. VirtualBox-xal CD-t és DVD-t írhatunk virtuális gépeinkkel. Összefoglalás A virtualizáció összességében nagyon sok problémára jelent és jelenthet megoldást. Egyesek szerint mindenre ez a megoldás, mások a szerint a cloud computing lesz minden felhasználó központú probléma megoldása. Annyi bizonyos hogy amíg a virtualizációs technológiákban kiaknázható lehetőségek vannak, és megoldást jelentenek a nagyvállalatok problémáira addig az informatikusoknak érdemes, és foglalkozni is fognak a virtualizációval.
Irodalomjegyzék Ivanka Menken,Gerard Blokdijk 2008. Virtualization - the Complete Cornerstone Guide to Virtualization Best Practices. Lulu.http://books.google.hu/books? id=puykqc6ob0mc&printsec=frontcover&dq=virtualization+technology&source=bl &ots=562vhkkuog&sig=6b4y2i8- KQQAUi2kjZzZ0rCkUH8&hl=hu&ei=8yhiS_DNLITwmwPf0twT&sa=X&oi=book_re sult&ct=result&resnum=2&ved=0ccgq6aewaq#v=onepage&q=&f=false Latifa Boursas, Mark Carlson és Wolfgang Hommel 2008. Systems and Virtualization Management: Standards and New Technologies. Springer. München, Németország http://books.google.hu/books? id=10c4hfh9xaqc&printsec=frontcover&source=gbs_navlinks_s#v=onepage&q=&f =false David Marshall, Stephen S. Beaver, Jason W. McCarty 2009. VMware ESX Essentials in the Virtual Data Center. Auerbach Publications. http://books.google.hu/books? id=1pz2k4xrv1oc&pg=pa7&dq=virtualization+technology&ots=roepo8pol_&sig= PEJpJyvzF3KQgHo8x2gp0adzgB4&hl=hu&ei=8yhiS_DNLITwmwPf0twT&sa=X&oi= book_result&ct=result&resnum=1&ved=0cciq6aewaa#v=onepage&q=virtualizatio n%20technology&f=false Erdélyi Viktor és Jámbor Dávid 2007. március 4. Virtualizáció típusai, paravirtualizáció (UML),natív virtualizáció (KVM, vmware)(kiselőadás). Budapest. http://architekturak.elte.hu/html/anyagok/06072/virtulazacio_erdelyi_jambor.pdf Suri Gusztáv és Tóth Ferenc 2007. Virtualizációs technikák(kiselőadás). Budapest. http://architekturak.elte.hu/html/anyagok/06072/virtualizacio_suri_toth.pdf Ajánlás A dolgozatot Nagy Viviennek és Tömöri Barbarának ajánlom, akik kitartóan piszkáltak hogy elkészüljön. Köszönöm. Varga Máté Téglás, 2010 január 29.