Виртуальные машины: несколько компьютеров в одном - Алексей Гультяев

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.

Виртуальная машина изнутри

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.

Виды виртуальных машин

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.

Виртуальные машины с эмуляцией API 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.

Примеры продуктов, выполненных но технологии эмуляции API гостевой ОС:

■ проект с открытым кодом Wine (Wine Is Not an Emulator, «Wine — это не эмулятор»), позволяющий запускать DOS-, Win16- и Win32-приложения под управлением операционной системы Linux и Unix;

■ продукт Win4Lin компании Netraverse, позволяющий запускать операционные системы семейства Windows под управлением операционной системы Linux;

■ проект с открытым кодом DOSEMU, позволяющий запускать DOS-приложения под управлением операционной системы Linux;

■ проект с открытым кодом User Mode Linux (UML), позволяющий запускать несколько копий операционной системы Linux на одном компьютере (в настоящее время встроен и ядро Linux версии 2.6);

■ технология Virtuozzo, разработанная российской компанией SWsoft и позволяющая запускать несколько копий операционной системы Linux на одном компьютере.

Виртуальные машины с полной эмуляцией гостевой ОС

Проекты, поддерживающие технологию полной эмуляции, работают по принципу интерпретации инструкций из системы команд гостевой ОС. Поскольку при этом полностью эмулируется поведение как процессора, так и всех внешних устройств, то существует возможность эмулировать компьютер с архитектурой Intel х86 на компьютерах с совершенно другой архитектурой, например на рабочих станциях Mac или на серверах Sun с RISC-процессорами. Главный недостаток полной эмуляции заключается в существенной потере производительности гостевой операционной системы (скорость работы «гостевых» приложений может упасть в 100-1000 раз). Поэтому до недавнего времени ВМ с полной эмуляцией чаще всего использовались в качестве низкоуровневых отладчиков для исследования и трассировки операционных систем. Однако благодаря значительному росту вычислительных мощностей даже «настольных» компьютеров ВМ с полной эмуляцией стали сегодня вполне конкурентоспособными. Наиболее яркий представитель этого вида ВМ — продукт Virtual PC фирмы Connectix (ныне купленной Microsoft), который подробно описан в главе 2 книги. В качестве других примеров проектов, выполненных по технологии полной эмуляции, можно назвать следующие:

■ проект с открытым кодом Bochs, позволяющий запускать различные операционные системы Intel х86 под Linux, Windows, BeOS и Mac OS;

■ продукт Simics компании Virtutech, позволяющий запускать и отлаживать различные операционные системы Intel х86 под управлением Windows и других операционных систем;

■ проект Qemu — эмулятор различных архитектур на PC,

Виртуальные машины с квазиэмуляцией гостевой ОС

Технология квазиэмуляции гостевой ОС основана на том, что далеко не все инструкции гостевой ОС нуждаются в эмуляции средствами хостовой операционной системы. Многие из инструкций, необходимых для корректной работы «гостевых» приложений, могут быть непосредственно адресованы хостовой ОС. Исключение составляют инструкции для управления такими устройствами, как видеокарта, IDE-контроллер, таймер, и некоторыми другими.

Таким образом, в процессе работы RM с квазиэмуляцией происходит выборочная эмуляция инструкций гостевой ОС. Очевидно, что производительность такой ВМ должна быть выше, чем у ВМ с полной эмуляцией. Тем не менее, как было сказано, при достигнутых уровнях производительности персональных компьютеров разница оказывается не столь ощутимой.

Примеры проектов, выполненных по технологии квазиэмуляции:

■ технология Virtual Platform, на базе которой компания VMware предлагает четыре продукта: VMware Workstation для Windows NT/2000/XP, VMware Workstation для Linux, VMware GSX Server (group server) и VMware LSX Server (enterprise server);

■ виртуальная машина Serenity Virtual Station (SVISTA) (бывшая twoOStwo), разработанная российской компанией Параллели (Parallels) по заказу немецкой компании NetSys GmbH[2];

■ проект с открытым кодом Рlеx86, позволяющий запускать различные операционные системы Intel х86 под управлением Linux.

■ проект с открытым кодом L4Ka, использующий микроядро;

■ проект с открытым кодом Xen, позволяющий запускать модифицированные ОС Linux, FreeBSD, NetBSD и Windows ХР под управлением Linux, FreeBSD, NetBSD и при соблюдении некоторых условий обеспечивающий даже прирост производительности.

В последующих главах книги рассмотрены наиболее популярные на сегодняшний день представители различных видов виртуальных машин: Virtual PC 2004 компании Microsoft, VMware Workstation от компании VMware и относительно «свежий» продукт — Parallels Workstation, созданный в компании Parallels. Причем описание всех конкурирующих программ построено по одной и той же схеме, чтобы читателю проще было сравнить их между собой и сделать обоснованный выбор.