Виртуализация: Часть 1 — Зачем она нужна и как устроена

Виртуализация позволяет запустить на одном физическом сервере несколько независимых виртуальных машин (ВМ). У каждой ВМ своя операционная система, свои диски и сетевые интерфейсы, а процессор, память и накопители физического сервера делятся между ними. Распределяет эти ресурсы и изолирует машины друг от друга гипервизор.

Как устроен гипервизор

Современные гипервизоры опираются на аппаратную поддержку виртуализации в процессоре: Intel VT-x и AMD-V на x86, расширения виртуализации на ARM. Без неё полноценные ВМ либо не запускаются, либо работают медленно, поэтому первым делом проверяют, что поддержка есть и включена в BIOS/UEFI сервера.

Гипервизоры принято делить на два типа.

• Первый тип (bare-metal). Гипервизор устанавливается прямо на сервер вместо обычной операционной системы и сам управляет оборудованием. Примеры — VMware ESXi, Xen, Microsoft Hyper-V. Такой вариант используют в дата-центрах и серверных.
• Второй тип (hosted). Гипервизор работает как программа внутри обычной ОС: VirtualBox, VMware Workstation, Parallels. Его выбирают для рабочих станций, учебных стендов и тестов.

KVM в эту схему укладывается плохо. Это модуль ядра Linux: после его загрузки гипервизором становится само ядро, которое одновременно остаётся обычной операционной системой хоста. Поэтому KVM относят то к первому, то ко второму типу. На практике важнее другое: производительность ВМ на KVM близка к «голому железу», а на нём построены Proxmox VE, большинство облачных платформ и российские системы виртуализации.

Что даёт виртуализация

• Консолидация. Несколько сервисов, которым не нужен целый сервер, работают на одном физическом хосте, каждый в своей ВМ. Меньше серверов — ниже расходы на оборудование, электричество, место в стойке.
• Изоляция. Сбой или взлом одной ВМ не затрагивает остальные. Разные сервисы не конфликтуют из-за версий библиотек и настроек ОС.
• Быстрое развёртывание. Новая ВМ создаётся из шаблона за минуты, без закупки и монтажа оборудования.
• Снимки (snapshots). Состояние ВМ фиксируется перед обновлением или экспериментом, при неудаче машину откатывают назад за секунды. Снимок не заменяет резервную копию: он хранится на том же хранилище и пропадает вместе с ним.
• Резервное копирование целиком. Копия ВМ включает систему, приложения и данные, поэтому восстановление сводится к запуску машины из копии.
• Живая миграция. Работающую ВМ переносят на другой хост без остановки, например перед обслуживанием сервера. Для этого нужен кластер из нескольких хостов и общее или реплицируемое хранилище.
• Высокая доступность (HA). Если хост в кластере выходит из строя, его ВМ автоматически запускаются на оставшихся. Для надёжного кворума кластеру нужны как минимум три узла.

Виртуальные машины и контейнеры

Контейнеры — второй способ изоляции, и его часто путают с виртуализацией.

Контейнеры бывают двух видов:

• системные (LXC) — похожи на лёгкую ВМ: внутри полноценная система с init, службами и пользователями. Proxmox VE умеет запускать их наравне с ВМ;
• прикладные (Docker, Podman) — в контейнере одно приложение со своими зависимостями, а система собирается из нескольких таких контейнеров.

Технологии не исключают друг друга. Типичная схема: на физическом сервере гипервизор, в нём несколько ВМ, а внутри ВМ приложения запускаются в Docker. ВМ даёт изоляцию и удобное резервное копирование, контейнеры — воспроизводимую установку приложений.

Когда виртуализация не нужна

• Один сервис полностью загружает сервер, и делить ресурсы нечего.
• Приложению нужен прямой доступ к оборудованию с минимальными задержками. Проброс устройств в ВМ (PCI passthrough) решает часть таких задач, но требует поддержки IOMMU (Intel VT-d, AMD-Vi) и усложняет обслуживание.
• Инфраструктура целиком в облаке: там виртуализацией занимается провайдер, и вы уже арендуете ВМ.

Какую часть цикла читать

• Proxmox VE (часть 2) — готовая платформа с веб-интерфейсом, кластером и резервным копированием, бесплатная. Разумный выбор для большинства небольших компаний.
• VMware vSphere и ESXi (часть 3) — корпоративный стандарт прошлых лет. После покупки компанией Broadcom — только подписки, в России продажи и поддержка прекращены с 2022 года. Читать тем, кто планирует переезд.
• KVM (часть 4) — основа Linux-виртуализации; управление через libvirt, без готовой платформы.
• QEMU (часть 5) — эмулятор устройств, который работает в паре с KVM, а также эмулирует чужие процессорные архитектуры.
• Xen, XenServer и XCP-ng (часть 6) — старейший открытый гипервизор первого типа и платформы на нём.
• Hyper-V (часть 7) — гипервизор Microsoft для инфраструктуры на Windows Server.