ВИРТУАЛИЗАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ НА ПРИМЕРЕ ПРОЦЕССОРОВ INTEL CORE I7

Виртуализация оборудования

Обычно аппаратные архитектуры создавались с расчетом на то, что на них выполняется только одна операционная система. На данный момент довольно популярны технологии общего доступа к вычислительным ресурсам. Сегодня выигрывают те системы, от которых, могут одновременно работать множество операционных систем. Например, поставщики услуг интернет-хостинга обычно предоставляют своим клиентам полноценный доступ к системе, на базе которой строится веб-сервис. Было бы слишком безрассудно устанавливать в серверный новый компьютер для каждого нового пользователя.

Аппаратная поддержка виртуализации позволяет нам одновременно выполнять несколько ОС на одном физическом компьютере.

Низкоуровневая оболочка или как обычно ее называют «гипервизор». Гипервизор предназначен для управления совместным использованием памяти и устройств ввода-вывода. Имея на одном физическом компьютере нескольких виртуальных машин, на которых выполняются разные операционные системы, открывает много полезных возможностей.

Рисунок 1. Гипервизор

Гипервизоры бывают разные. Например, они могут отличаться по типу, т.е. работает ли он на физическом оборудовании или работают из среды ОС. Так же гипервизоры можно разделить на монолитные и микроядерные. Микроядерные гипервизоры требуют выполнения доступа к оборудованию из гостевых операционных систем, с помощью родительского раздела. Монолитные требуют наличия драйверов устройств с поддержкой гипервизора.

В серверных системах виртуализация позволяет системным администраторам создать несколько виртуальных машин на одном физическом сервере, а также перемещать работающие виртуальные машины между серверами для оптимального распределения общей нагрузки. Виртуальные машины также предоставляют средства для более точного управления доступом к различным устройствам ввода-вывода. Например, у виртуализированного сетевого порта пропускная способность может распределяться. Любому пользователю виртуализация дает возможность одновременного выполнения нескольких ОС.

Чтобы виртуализировать на аппаратном уровне, нужно обращаться только к ресурсам текущей виртуальной машины при помощи команд архитектуры. Для большинства команд это требование реализуется очень просто. Например, арифметические команды могут работать только с регистровыми файлами, которые можут быть виртуализированы посредством копирования регистров виртуальной машины в регистровый файл процессора при изменении самого контекста.

Детализированный контроль ввода-вывода обычно реализуется прерываниями к гипервизору каждый раз, когда виртуальная машина пытается обратиться к устройству ввода-вывода. Это позволяет гипервизору реализовать такую политику доступа к ресурсам ввода-вывода, какую он считает нужным. Обычно поддерживается набор устройств ввода-вывода, и операционные системы, выполняемые на виртуальных машинах (гостевые операционные системы), используют только эти поддерживаемые устройства.

С виртуализацией команд обращения к памяти дела обстоят сложнее, так как эти команды должны обращаться только к ячейкам физической памяти, а не виртуальной, которую она выделяет. Как правило, процессор с поддержкой аппаратной виртуализации может предоставить дополнительный механизм отображения страниц, который связывает страницы физической памяти компьютера с памятью виртуальной машины. А вот команды ввода-вывода не должны напрямую работать с физическими устройствами ввода-вывода, ведь политика виртуализации часто подразумевает распределение доступа к устройствам ввода-вывода.

Реализация виртуальных машин как описано выше означает то, что виртуализация серверов необходимо создавать согласно с следующими пунктами:

• Интерфейсы управления

Виртуализация сервера нуждается в наличии интерфейсов управления, благодаря которым можно управлять виртуальными машинами. Также эти интерфейсы должны поддерживать администрирование и работать по сети, давая удаленное управление виртуальными машинами.

• Управление памятью

Для того чтобы все виртуальные машины получали нужное количество памяти, и были изолированы друг от друга, требуется наличие диспетчера памяти.

• Средство планирования

Позволяет контролировать доступ виртуальных машин к физическим ресурсам.

• Конечный автомат

Нужен для отслеживания сведений о состоянии всех виртуальных машин на компьютере в данный момент.

• Хранение и работа с сетью

Необходимо соблюдать непротиворечивость, безопасность и изолированность. Также требуется выделять ресурсы хранения и сетевые ресурсы для отдельного доступа к жестким дискам и сетевым интерфейсам.

• Виртуализированные устройства

Данные устройства дают запущенным на виртуальной машине ОС логическое представление устройства, не отличающихся от их физических аналогов.

• Драйвера виртуальных устройств

Необходимо устанавливать драйвера виртуальных устройств в ОС, которые запущенны на виртуальной машине. Драйвера предоставляют такой же доступ к различным устройствам как и к физическому устройству.

Обеспечение доступа.

Многие люди используют различные техники для получения доступа. Процесс виртуализации делает этот процесс простым. Есть коммерческая машина(Template) и для того чтобы установить новую операционную систему вам не нужно проходить операцию вставки вашего Windows или Linux диска. Нужно всего лишь взять ваш шаблон и послать на необходимый виртуальный ресурс, и после нескольких секунд можно без всяких проблем создать новую ОС.

Аппаратная виртуализация в Core i7

Аппаратная виртуализация в Core i7 поддерживается расширениями виртуальных машин VMX (VirtualMachineeXtensions) — комплекс команд, памяти и прерываний, обеспечивающих высокоэффективное управление виртуальными машинами. В VMX память создается системой EPT (ExtendedPageTable), которая может использоваться при аппаратной виртуализации. EPT изменяет адреса физических страниц виртуальной машины в физические адреса компьютера при помощи вспомогательной многоуровневой табличной структуры, содержимое которого перебирается при TLB-промахе виртуальной машины. Данная таблица поддерживается гипервизором, который может задать любую нужную схему общего использования физической памяти.

Виртуализация операций ввода-вывода исполняется на базе расширенной поддержки прерываний, определенной в VMCS (Virtual-MachineControlStructure). При получении прерывания гипервизор выполняет операцию ввода-вывода на программном уровне по всем необходимым правилам для общего использования устройств ввода-вывода виртуальными машинами. Прерывание гипервизора вызывается каждый раз, когда виртуальная машина обращается к устройству ввода-вывода.

Список литературы:

1. Хабрахабр –свободный доступ – URL: https://habrahabr.ru/company/centosadmin/blog/212985/ (дата обращения 04.03.2017)
2. TechNet Microsoft –свободный доступ – URL: https://technet.microsoft.com/ru-ru/gg715010 (дата обращения 04.03.2017)