Проектирование и построение учебного класса на основе виртуальных машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

93

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проектирование и построение учебного класса

на основе виртуальных машин

Введение

Новые информационные технологии представляют собой инструмент, позволяющий качественно изменить методы и организационные формы деятельности преподавателя. Благодаря современным технологиям стало возможным использовать операционные системы, созданные для крупных серверных машин, других платформ в учебных классах оснащенных обычными персональными компьютерами. Сейчас, благодаря технологии виртуализации, при изучении компьютерных дисциплин, таких как, низкоуровневое программирование, изучение “экзотических” операционных систем, студенты имеют возможность применить полученные знания на практике и поработать с изучаемой операционной системой не выходя за пределы учебного класса. Нет нужды закупать дорогостоящее оборудование для лабораторий. Виртуальная машина, эмулирующая любую аппаратную платформу и любую операционную систему может быть установлена на персональный компьютер.

Разработчики виртуальных машин, говоря о сферах применения своих продуктов и называя такие из них как тестирование приложений и разработка системного программного обеспечения, обходят вопрос о применении виртуальных машин и эмуляторов в сфере компьютерного обучения.

В связи с этим актуальным является проведение анализа различных версий программных эмуляторов (виртуальных машин) для ПК и выбор наиболее подходящего варианта для построения учебного класса на основе виртуальных машин.

Целью настоящей работы является проектирование и создание учебного класса на основе виртуальных машин для изучения следующих дисциплин:

- установка и конфигурирование MS Windows XP Professional;

- программирование на языке Ассемблера;

- введение в операционные системы семейства UNIX.

Предложен подход к преподаванию ряда компьютерных дисциплин, некоторые из которых указаны выше, который заключается в использовании виртуальных машин для выполнения студентами практических заданий по этим дисциплинам. Научная новизна данной работы состоит в использовании системы виртуальных машин в образовательном процессе. Одним из методов исследования, применяемых здесь, является анализ сфер применения технологий виртуализации.

В соответствии с поставленной задачей разработан и внедрен учебный класс на основе виртуальных машин.

Данная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений, содержащих результаты работы и акт о внедрении.

В первой главе рассматриваются общие положения теории эмуляторов и производится обзор наиболее популярных продуктов, также приводятся их технические характеристики.

Вторая глава посвящена вопросу организации учебного класса на основе выбранной версии продукта. Рассматриваются также технические характеристики платформ для реализации задачи и нормального функционирования виртуальных машин. Описывается процесс реализации поставленной задачи.

В третьей главе рассматриваются вопросы организации труда и безопасности жизнедеятельности.

В заключении приводятся основные результаты проведенной работы.

1. Общая концепция

эмулятор виртуальный класс

1.1 Концепция и теория виртуальных машин (эмуляторов)

Виртуальной машиной (англ. virtual machine) называют программную или аппаратную среду, исполняющую некоторый код (например, байт-код, шитый код, p-code или машинный код реального процессора), или спецификацию такой системы. Виртуальная машина эмулирует работу реального компьютера.

Эмулямция (англ. software emulation) позволяет выполнять компьютерную программу на платформе (компьютерной архитектуре и/или операционной системе), отличной от той, для которой она была написана в оригинале. Эмуляцией также называют сам процесс этого выполнения. В отличие от симуляции, которая лишь воспроизводит поведение программы, при эмуляции ставится цель точного моделирования состояния эмулируемой системы, т.е. сохранение оригинального машинного кода.

Одно из популярных применений эмуляции -- выполнение на персональном компьютере игр, написанных для игровых автоматов или игровых консолей.

Теоретически, согласно тезису Чёрча--Тьюринга, любая операционная среда может быть эмулирована в любой другой среде. На практике, однако, встречается ряд трудностей, в частности, точное поведение эмулируемой системы часто не документировано, и должно быть выведено с помощью обратной разработки.

На виртуальную машину, так же как и на реальный компьютер можно инсталлировать операционную систему, у виртуальной машины так же есть BIOS, оперативная память, жёсткий диск (выделенное место на жёстком диске реального компьютера), могут эмулироваться периферийные устройства. На одном компьютере может функционировать несколько виртуальных машин.

Система виртуальных машин может быть построена на базе различных аппаратных платформ при помощи разных технологий. Схема виртуализации может отличаться в зависимости, как от используемой платформы, так и от выбора определенной операционной системы. Некоторые архитектуры обеспечивают возможность виртуализации аппаратно, другие, такие как IA-32, требуют использования дополнительных программных ухищрений.

В принципе, система виртуальных машин может быть построена с использованием микро-ОС (либо микроядра - как в проекте L4Ka), которая взяла бы на себя функции управления устройствами и системными свойствами процессора. Операционные системы второго уровня и их приложения могли бы работать одновременно и без какой-либо виртуализации, используя микро-ОС для выполнения системных операций и работы с внешними устройствами.

Однако существующие операционные системы напрямую работают с процессором и внешними устройствами. Для работы с такими операционными системами, наша микро-ОС должна уметь отлавливать обращения к системным ресурсам и эмулировать их поведение. Одной из главных проблем разработки собственной микро-ОС является необходимость написания драйверов для поддержки десятков тысяч внешних устройств. К счастью, возможно использование средств уже существующей операционной системы для работы с реальными внешними устройствами. Это позволяет избежать необходимости написания собственных драйверов и сосредоточиться на технологии виртуализации.

Операционная система, управляющая реальным оборудованием и предоставляющая функции для доступа к нему, называется "хостовой операционной системой". Хостовая операционная система загружается самостоятельно и не требует виртуальной машины для своей работы. Операционные системы, работающие в виртуальных машинах, называются "гостевыми операционными системами". На одном физическом компьютере может быть запущена одна хостовая и много гостевых операционных систем.

Общая системная архитектура виртуальной машины построена на взаимодействии трех основных компонентов: приложение виртуальной машины; драйвер виртуальных машин; монитор виртуальной машины.

Приложение виртуальной машины - это обычное приложение, выполняющееся под управлением хостовой операционной системы. Приложение виртуальной машины имеет графический интерфейс и позволяет пользователю взаимодействовать с виртуальной машиной и гостевой операционной системой. Приложение является непереносимым компонентом виртуальной машины, поскольку разрабатывается для конкретной хостовой операционной системы и использует ее функции для отображения графического интерфейса и доступа к внешним устройствам. Как правило, для портирования виртуальной машины под другую хостовую операционную систему, необходимо полностью переписать приложение.

Приложение виртуальной машины построено по многопоточной технологии и поддерживает три основных потока:

- поток виртуализации для передачи управления монитору и обмена информационными сообщениями с ним;

- графический поток для отображения видеобуфера гостевой операционной системы;

- поток GUI для работы пользовательского интерфейса и передачи событий от мыши и клавиатуры гостевой операционной системе.

Для каждой виртуальной машины запускается своя копия приложения виртуальной машины. Приложение виртуальной машины выполняет следующие основные функции:

а) создание, удаление и конфигурирование виртуальных машин;

б) включение, выключение и управление работой виртуальных машин;

в) обеспечение интерфейса пользователя с гостевой операционной системой ввод с клавиатуры (мыши) и отображение экрана гостевой операционной системы;

г) выделение памяти для виртуальной машины и загрузка (инициализация) монитора виртуальной машины;

д) взаимодействие с физическими ресурсами компьютера через функции хостовой операционной системы (работа с жесткими и гибкими дисками, видеокартой, последовательными и параллельными портами и т.д.).

Драйвер виртуальных машин - это системный драйвер, работающий на уровне привилегий ядра хостовой операционной системы. Драйвер является шлюзом между приложением и монитором виртуальной машины, позволяющий им передавать управление и обмениваться информационными сообщениями между собой. Кроме того, драйвер выполняет функции взаимодействия с хостовой операционной системой, такие как выделение и закрепление страниц памяти по физическим адресам. Драйвер виртуальной машины является непереносимым компонентом виртуальной машины. Для портирования виртуальной машины под другую хостовую операционную систему необходимо полностью переписать драйвер, используя средства этой операционной системы. Все виртуальные машины пользуются одной копией драйвера виртуальных машин.

Монитор виртуальной машины - это основной компонент виртуальной машины. Монитор не зависит от конкретной хостовой операционной системы и отвечает за создание виртуальной среды для исполнения гостевой операционной системы. Монитор работает на уровне привилегий ядра хостовой операционной системы и реализует выбранную технологию виртуализации. Поскольку монитор включает в себя блок эмуляции процессора и внешних устройств, то время от времени он вынужден обращаться к приложению для доступа к реальным внешним устройствам. Для каждой виртуальной машины запускается своя копия монитора виртуальной машины.

Монитор может взаимодействовать с приложением двумя способами:

- синхронно при помощи обмена информационными сообщениями через драйвер виртуальных машин;

- асинхронно при помощи разделяемых системных структур и участков памяти.

Монитор работает в изолированном от хостовой операционной системы контексте и поддерживает свои собственные системные таблицы GDT, LDT, IDT и т.д. При переключении контекста между монитором и хостовой операционной системой выполняется операция сохранения одного контекста и загрузка другого. Переключение контекста напоминает процедуру переключения задач операционной системы, но включает в себя дополнительный набор данных. Также, монитор должен отлавливать и перенаправлять хостовой операционной системе все прерывания от реальных внешних устройств.

1.2 Краткий экскурс в историю виртуальных машин

Первым проектом, в котором возникла концепция системы виртуальных машин, был проект IBM 7044Х-7044М. А в IBM System/370 появился уже полноценный продукт VM/370. Эта система виртуальных машин претерпела впоследствии немало изменений (версии VM/SP, VМ/ХА, VN/ЕSА) и стала самой распространенной в компьютерной индустрии.

В операционной системе VM/370 пользователь получал в свое распоряжение полноразмерный и полнофункциональный виртуальный компьютер, на который он мог поставить собственную версию операционной системы и установить собственное прикладное программное обеспечение. Этот компьютер включал оперативную память, ресурсы процессора, собственные виртуальные периферийные устройства - практически все то, чем обладает обычный компьютер, только в виртуальном виде. Количество обслуживаемых виртуальных компьютеров определялось лицензией, доступными ресурсами памяти, диска, центрального процессора и т.д.

Операционная система VM/370 стала прототипом для отечественной разработки системы СВМ (система виртуальных машин). Первая версия системы СВМ 1.1 была выпущена в1982 году комбинатом "Роботрон". В 1983 г. операционную систему СВМ 2.2, базирующуюся на шестом релизе VM/370, выпустил Минский НИИЭВМ. С этого момента система СВМ, не подменяя систем ДОС и ОС, заняла прочное место в базовом программном обеспечении для ЕС ЭВМ. В качестве операционной системы, управляющей работой виртуальной машины, могли использоваться любые операционные системы, разработанные для ЕС ЭВМ (например, ОС ЕС, ДОС ЕС и МОС ЕС).

Совершенствование СВМ в НИИЭВМ в начале 90-х годов привело к разработке операционной системы VM/СВМ. Минская компания IВА, основанная компанией IBM на базе МПО ВТ и НИИЭВМ, до сих пор ведет разработку новых изданий VM/СВМ для мэйнфреймов IВМ.

Инженеры корпорации IBM изначально заложили в архитектуру своих процессоров потенциальную возможность виртуализации и создателям операционной системы VM не пришлось преодолевать специфические аппаратные проблемы. Но архитектура процессоров Intel х86 значительно отличается от архитектуры процессоров IBM и не может бьпь виртуализована "простым" способом. Здесь по определению предполагается, что ядру работающей на этой платформе операционной системе будуг доступны абсолютно все ресурсы процессора. Поэтому отчуждение отдельно взятой операционной системы от процессора и установка промежуточных виртуализующих слоев теоретически невозможна. Попытка запустить две операционные системы на одном компьютере просто приведет к конфликту между ними.

Пионером технологии виртуальных машин на платформе Intel х86 стала компания VMware. Она была создана на базе Стэндфордского университета профессором Менделем Розенблюмом и его супругой Дианой Грин в 1998 году. Компания разработала технологию Virtual Platform для виртуализации IA-32 систем, и уже в 1999 году выпустила первую виртуальную машину VMware Workstation для операционной системы Linux. Чем произвела немалый переполох и снискала себе вечную славу в Linux сообществе.

В тоже самое время задачей виртуализации процессоров Intel х86 занималась небезызвестная компания Connectix. В 1997 году она выпустила эмулятор Virtual PC для Мас, позволяющий запускать операционные системы DOS и Windows на макинтошах. А в 1999 году вышла виртуальная машина Virtual PC для Windows, исполняющая различные операционные системы под Windows NT/9х. Большую популярность компания Connectix снискала в OS/2 сообществе после выхода Virtual РС для OS/2, разработанного совместно с немецкой компанией InnoTek.

1.3 Методы запуска приложений других Операционных Систем

Для функционирования современных виртуальных машин требуется средство управления виртуальными машинами, являющееся Windows-, Linux- или UNIX-приложением, функционирующим на реальном компьютере, называемом хостом. Сама виртуальная машина представляет собой образ файловой системы, формирующийся при установке какой-либо операционной системы (в общем случае отличной от той, под управлением которой функционирует средство управления виртуальными машинами) и хранящийся в виде файла или расположенный в выделенном разделе жесткого диска. С помощью средства управления виртуальными машинами можно загрузить в выделенное адресное пространство образ операционной системы виртуальной машины (такая операционная система носит название Guest Operating System -- гостевая операционная система, в отличие от исходной операционной системы, носящей название Host Operating System -- операционная система хоста). После этого операционная система виртуальной машины будет способна взаимодействовать с аппаратным обеспечением компьютера (например, с видеоадаптером, звуковой картой, клавиатурой, мышью, сетевыми адаптерами). Таким способом можно, например, при работающей операционной системе Windows XP загрузить операционную систему Linux в выделенное для нее адресное пространство и переключаться между обеими операционными системами, не занимаясь перезагрузкой компьютера. Кроме того, в ряде случаев можно использовать буфер обмена для обмена данными между этими операционными системами или осуществлять сетевое взаимодействие между ними, как если бы это были два разных компьютера. Можно одновременно загрузить и более одной виртуальной машины -- лишь бы для этого было достаточно оперативной памяти (ее, естественно, должно быть много, ведь в оперативной памяти при загрузке виртуальной машины оказывается еще одна операционная система).

1.3.1 Эмуляция API операционной системы

Обычно приложения работают в изолированном адресном пространстве и взаимодействуют с оборудованием при помощи API, предоставляемым операционной системой. Если две операционные системы совместимы по своим АРI (например, Windows 98 и Windows 2000), то приложения, разработанные для одной из них, будут работать и на другой. Если две операционные системы несовместимы по своим API (например, Windows 2000 и Linux), то существует способ перехватить обрашения приложений к АРI и сымитировать поведение одной операционной сисгемы средствами другой операционной системы.

При таком подходе можно поставить одну операционную систему и работать одновременно как с ее приложениями, так и с приложениями друтой операционной системы. Поскольку весь код приложения исполняется без эмуляции и лишь вызовы API эмулируются, потеря в производительности незначительная. Но 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 запустить не более 70% от общего числа приложений. Кроме того, поддерживать эмуляцию API бурно развиваюищейся операционной системы (например, такой как Windows) очень нелегко, и большинство эмуляторов АРI 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 I.х, а в последних версиях OS/2 Warp 4 есть возможность запуска приложений Windows 3.11. Но самый большой минус способа эмуляции API - это его строгая ориентация на конкретную операционную систему. Для того, чтобы запустить в нем приложения другой операционной системы, необходимо все переписывать с нуля.

Примеры продуктов, выполненных по технологии эмуляции АР1 операционной системы:

- проект с открьпым кодом Wine (Wine Is Not an Emulator), позволяющий запускать приложения DOS, Win16 и Win32 под операционными системами Unix;

- продукт Win4Lin компании Netraverse, позволяющий запускать операционные системы семейства Windows под операционной системой Linux;

- проект с открытым кодом DOSEMU, позволяюший запускать приложения MS DOS под операционной системой Linux;

- проект с открытым кодом User Mode Linux (UМL), позволяющий запускать несколько копий операционной системы Linux на одном компьютере(в настоящее время встроен в ядро Linux версий 2.6);

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

- технология, используемая во FreeBSD для запуска приложений Linux.

Проект SoftPear, в перспективе позволяющий запускать приложения Mac OS X на Linux и FreeBSD

1.3.2 Полная эмуляция

Проекты, выполненные по технологии полной эмуляции работают как интерпретаторы. Они последовательно выбирают код гостевой операционной системы и эмулируют поведение каждой отдельно взятой инструкции. Поскольку при этом полностью эмулируется поведение как процессора, так и всех внешних устройств виртуального Intel х86 компьютера, то существует возможность запускать эмулятор на компьютерах с совершенно другой архитектурой, например, на рабочих станциях Mаc или на RISC'овых серверах Sun.

Самый серьезный недостаток этого подхода заключается в катастрофической потере производительности гостевой операционной системы. Скорость работы гостевых приложений может упасть в 100-1000 раз, что означает практическую невозможность нормальной работы с гостевой операционной системой внутри эмулятора. Тем не менее, существуют некоторые технологии, такие как динамическая трансляция, позволяющие увеличить скорость полной эмуляции. Полные эмуляторы чаще всего используются в качестве низкоуровневых отладчиков для исследования и трассировки операционных систем.

Примеры проектов, выполненных по технологии полной эмуляции:

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

- продукт Simics компании Virtutech, позволяющий запускать и отлаживать различные операционные системы Intel х86 под Windows и другими операционными системами;

- продукт Virtual PC фирмы Connectix(ныне купленной Microsoft) позволяющий запускать различные x86-ОС на PC и Mac;

- проект Qemu - самый быстрый эмулятор различных архитектур на PC. При использовании модуля Accelerator практически сравнивается по производительности с виртуальными машинами.

1.3.3 Квази-эмуляция

При попытке запуска нескольких операционных систем на одном компьютере мы неизбежно столкнемся с рядом проблем. Во-первых, такие внешние устройства, как видео-карта, контроллер IDE, таймер и т.п. разработаны таким образом, чтобы работать под управлением только одной операционной системы. То есть, внешние устройства рассчитаны на монопольное управление только одним драйвером внешнего устройства. Во-вторых, процессор IA-32 разработан в расчете на то, что он будет конфигурироваться и использоваться эксклюзивно одной операционной системой. Это относится к модулю страничной памяти, механизму защиты, сегментной модели и т.п.

Другие свойства и инструкции уровня приложений не вызывают проблем и в принципе могут исполняться без эмуляции. К счастью, именно эти инструкции и составляют основную массу кода, исполняемого процессором. Таким образом, существует большое количество инструкций, которые будут нормально исполняться в режиме нескольких операционных систем, и некоторое небольшое количество инструкций, которые должны эмулироваться. Технология квази-эмуляции заключается в том, чтобы обнаружить и сымитировать поведение второго множества инструкций и исполнять инструкции первого множества без эмуляции.

Примеры проектов, выполненных по технологии квази-эмуляции. Виртуальная машина Serenity Virtual Station (SVISTA)(бывшая twoOStwo), разработанная российской компанией Параллели по заказу немецкой компании NetSys GmbH. SVISTA позволяет запускать такие гостевые операционные системы, как OS/2, Linux, QNX, MSDOS и другие. В настоящий момент существует три продукта: SVISTA для Windows NT/2000/XP, twoOStwo для Linux и twoOStwo для FreeBSD. Технология квази-эмуляции заключается в том, чтобы обнаружить и сымитировать поведение второго множества инструкций и исполнять инструкции первого множества без эмуляции.

Технология Virtual Platform компании VMware, позволяющая запускать большое количество Intel х86 гостевых операционных систем. Компания VMware предлагает четыре продукта: VMware Workstation для Windows NT/2000/XР, VMware Workstation для Linux, VMware GSX Server (group server) и VMware ESX Server (enterprise server).

Проект с открытым кодом Plex86, позволяющий запускать различные операционные системы Intel х86 под Linux. Проект с открытым кодом L4Ka, использующий микроядро. Проект с открытым кодом Xen, позволяет запускать модифицтрованные ОС Linux, FreeBSD, NetBSD и Windows XP под Linux, FreeBSD, NetBSD. При соблюдении некотрых условий позволяет получить даже прирост производительности.

1.4 Обзор продуктов на рынке виртуальных машин и их характеристики

Сегодня виртуальные машины насчитывают несколько сфер применения вот некоторые из них.

Использование ВМ для защиты информации и ограничения возможностей процессов. В качестве примера предлагаю рассмотреть широко известный в компьютерной безопасности термин “песочница”. Песомчница (англ. sandbox, также существуют схожие понятия -- англ. honeypot, англ. fishbowl) -- в компьютерной безопасности, механизм для безопасного исполнения программ. Песочницы часто используют для запуска непротестированного кода, непроверенного кода из неизвестных источников, а также для запуска и обнаружения вирусов. Песочница обычно предоставляет жестко контролируемый набор ресурсов для исполнения гостевой программы -- например, место на диске или в памяти. Доступ к сети, возможность сообщаться с главной операционной системой или считывать информацию с устройств ввода обычно либо частично эмулируют, либо сильно ограничивают. Песочницы представляют собой пример виртуализации. Повышенная безопасность исполнения кода в песочнице зачастую связана с большой нагрузкой на систему -- именно поэтому некоторые виды песочниц используют только для неотлаженного или подозрительного кода. Песочницы часто встречаются в следующих видах:

а) апплеты, которые исполняются в виртуальной машине или интерпретаторе, позволяющие запускать Java-код с любых веб-сайтов без угрозы операционной системе;

б) так называемые «тюрьмы» (jail, chroot jail) также позволяют вводить ограничения ресурсов для пользователей и процессов некоторых ОС;

в) виртуальные машины, эмулирующие полномасштабную операционную систему (например, VMware);

г) Системы, основанные на «возможностях» (capability-based security) также позволяют ограничивать ресурсы программ, в зависимости от назначенных им «возможностей». Помимо ограничения вредоносного и непроверенного кода, песочницы также используются в процессе разработки для запуска «сырого» кода, который может случайно повредить систему или испортить сложную конфигурацию. Такие «тестировочные» песочницы копируют основные элементы среды, для которой пишется код, и позволяют разработчикам быстро и безболезненно экспериментировать с неотлаженным кодом.

Исследования производительности ПО или новой компьютерной архитектуры. Эмуляция различных архитектур. В этой области широкую популярность приобрели эмуляторы игровых приставок, позволяющие пользователю играть в полюбившиеся игры, первоначально написанные для игровых приставок на своем домашнем компьютере. Оптимизация использования ресурсов мэйнфреймов и прочих мощных компьютеров. К примеру такие как IBM e-Server. Серверные компьютеры построенные по технологии IBM и поддерживающие виртуализацию на аппаратном уровне.

Также технология виртуализации может быть использована вредоносным кодом для управления инфицированной системой: вирус PMBS, обнаруженный в 1993 году, а также руткит SubVirt, созданный в 2006 году Microsoft Research, создавали виртуальную систему, которой ограничивался пользователь и все защитные программы (антивирусы и прочие).

Однако последняя сфера применения технологии виртуализации относится к экзотическим т.к. задача виртуализации операционной системы сопоставима по своей сложности с задачей создания самой операционной системы и требует огромных интеллектуальных и временных затрат и является непосильной для разработчиков-одиночек, коими являются подавляющее большинство компьютерных взломщиков.

В качестве дополнительных можно выделить еще две сферы применения виртуальных машин:

- тестирование приложений под управлением разных операционных систем (например, Windows 2000, Windows XP и Windows 98 различных языковых версий). Подобное тестирование обычно производится при разработке коробочных продуктов и в проектах, предполагающих наличие у заказчика парка действующих рабочих станций и серверов, приобретенных в различные годы;

- использование программного продукта неработоспособного на имеющейся платформе. К примеру, использование программ написанных для старых версий DOS и т. д.

Обзор существующих на рынке программных средств для создания виртуальных машин:

1.4.1 Microsoft Virtual PC

Cредство управления виртуальными машинами Microsoft Virtual PC основано на технологиях, разработанных компанией Connectix. Один из первых продуктов Connectix был предназначен для выполнения Windows-приложений на компьютерах под управлением Mac OS, а Windows-версия этого продукта появилась в 2001 году. Компания Connectix была приобретена корпорацией Microsoft в 2003 году, и вскоре после этого была выпущена версия Virtual PC 2004. Microsoft Virtual PC предназначен главным образом для работы с различными версиями Windows. Сам продукт выполняется под управлением Windows XP Professional, Windows 2000 Professional или Windows XP Tablet PC Edition, а операционные системы для виртуальных машин, полностью поддерживаемые данным продуктом, включают Windows 95, Windows 98, Windows Me, Windows NT 4.0 Workstation, Windows 2000 Professional, Windows XP, MS-DOS, OS/2 Warp Version 4 Fix Pack 15, OS/2 Warp Convenience Pack 1, OS/2 Warp Convenience Pack 2 (рис. 1 и 2).

Рисунок 1.1. Средство управления виртуальными машинами

Рисунок 1.2. Тестирование приложения, выполняющегося под управлением различных операционных систем, с помощью Virtual PC

При необходимости Virtual PC позволяет создавать виртуальные машины и с серверными версиями Windows, а также с некоторыми другими операционными системами, такими как Red Hat Linux, Novell NetWare и др.

Технические требования для Microsoft Virtual PC невысоки: процессор AMD Athlon/Duron, Intel Celeron или Pentium II/III/4 с тактовой частотой от 400 МГц, CD-ROM, монитор с разрешением 800х600. Однако сами по себе виртуальные машины могут быть весьма требовательны к ресурсам -- это зависит от операционных систем, которые загружаются в виртуальные машины (см. таблицу 1). При этом следует иметь в виду, что для определения реальной потребности в оперативной и дисковой памяти следует просуммировать требования, предъявляемые к ним исходной операционной системой и операционными системами всех виртуальных машин, которые предполагается запускать одновременно.

Из технических особенностей Microsoft Virtual PC следует отметить разнообразные способы эмуляции сетевого взаимодействия, начиная с ее отсутствия и заканчивая интеграцией в локальную сеть, в которую включен хост (эмулируется до четырех виртуальных сетевых адаптеров), а также поддержка эмуляции сетевого взаимодействия с другими виртуальными машинами как с отдельными компьютерами и трансляции адресов NAT. Microsoft Virtual PC поддерживает до 4 Гбайт оперативной памяти, обмен данными между виртуальными машинами и операционной системой хоста с помощью буфера обмена и операций drag-and-drop, синхронизацию времени. В качестве виртуальных жестких дисков данный продукт позволяет использовать файлы как фиксированного, так и плавающего размера, а также реальные жесткие диски или их разделы. Отметим, что при наличии на жестком диске нескольких операционных систем, установленных в разных разделах, Virtual PC позволяет загрузить неактивную операционную систему в качестве гостевой.

Таблица 1.1 Минимальные требования различных операционных систем для их выполнения под управлением виртуальных машин

Операционная система виртуальной машины	Оперативная Память (Мб)	Пространство на жестком диске (Мб)
MS-DOS 6.22	32	50
Windows 95	32	500
Windows 98 Se	64	500
Windows Me	96	2048
Windows NT Workstation SP6	32	500
Windows 2000 Professional	96	2048
Windows XP Home Edition	128	2048
Windows XP Professional	128	2048
OS/2 Warp Version 4 Fix Pack 15	64	500

Из иных особенностей работы с дисками следует обратить внимание на средства коллективной работы с одним и тем же образом жесткого диска с сохранением изменений отдельно для каждого пользователя, а также на возможность отмены всех изменений, сделанных пользователем в данном сеансе работы (последняя функция особенно полезна при тестировании инсталляционных приложений). Отметим также, что предусмотрено сохранение состояния виртуальной машины -- в этом случае при ее повторном старте операционная система окажется уже загруженной, а приложения -- запущенными.

Из параметров, доступных для конфигурации, следует назвать долю процессорного времени, потребляемую виртуальной машиной, средства сетевого доступа, конфигурацию дисководов, цветовое разрешение, правила захвата мыши при щелчке в окне виртуальной машины, а также правила безопасности, позволяющие заблокировать те или иные возможности манипуляции виртуальными машинами для пользователей, не имеющих административных прав (рис. 1.3).



Рисунок 1.3. Средства конфигурирования виртуальной машины

1.4.2 VMware Workstation

Компания VMware производит разнообразное программное обеспечение для создания виртуальных машин, в том числе и средства для выполнения серверных операционных систем, широко применяющиеся, в частности, в некоторых решениях, поставляемых корпорацией IBM. За последние годы он претерпел значительные изменения, став, по существу, законодателем мод в области ПО подобного класса. Ниже мы рассмотрим некоторые особенности его последней версии -- VMware Workstation 4.5.

В отличие от рассмотренного нами в предыдущем разделе Virtual PC, продукт VMware Workstation 4.5 поддерживает более разнообразный спектр как операционных систем хоста, так и гостевых операционных систем. Он предназначен для работы не только с различными версиями Windows, но и с разнообразными версиями Linux, Novell NetWare, DOS, Sun Solaris, FreeBSD. Помимо Windows-версии существует и Linux-версия этого продукта.

Windows-версия выполняется под управлением Microsoft Windows NT Server 4.0, Windows NT Workstation 4.0, Windows 2000 Server, Windows 2000 Professional, Windows XP Professional, Windows XP Home Edition, Windows Server 2003. Linux-версия VMware Workstation 4.5 поддерживает Mandrake Linux 8.2 и 9.0, Red Hat Enterprise Linux 2.1 и 3.0, Red Hat Linux Advanced Server 2.1, Red Hat Linux 7.0, 7.1, 7.2, 7.3, 8.0, 9.0, SuSE Linux Enterprise Server 7 и 8, SuSE Linux 7.3, 8.0, 8.1, 8.2, 9.0 и 9.1.

Операционные системы для виртуальных машин, полностью поддерживаемые данным продуктом, включают бета-версии Windows Longhorn, Windows Server 2003, Windows XP Professional и Windows XP Home Edition, Windows 2000 Professional, Windows 2000 Server; Windows 2000 Advanced Server, Windows NT Workstation 4.0 Service Pack 6a, Windows NT Server 4.0 Service Pack 6a, Windows NT 4.0 Terminal Server Edition Service Pack 6, Windows Me, Windows 98, Windows 95, Windows for Workgroups 3.1, Windows 3.1, MS-DOS 6.x, Mandrake Linux 8.2 и 9.0, Red Hat Linux 7.0, 7.1, 7.2, 7.3, 8.0 и 9.0, Red Hat Enterprise Linux 2.1 и 3.0, Red Hat Linux Advanced Server 2.1, SuSE Linux 7.3, 8.0, 8.1, 8.2, 9.0 и 9.1, SLES 7, Turbolinux Server 7.0, Turbolinux Enterprise Server 8, Turbolinux Workstation 8, Novell NetWare 5.1, 6 и 6.5, FreeBSD 4.0-4.6.2, 4.8 и 5.0, Solaris 9 и 10 для платформы x86. Список этот пополняется по мере выхода новых версий операционных систем, и пользователи продукта могут загружать с сайта производителя дополнительные модули для поддержки новых ОС и их версий.

Как и для Microsoft Virtual PC, технические требования для WMware Workstation 4.5 невысоки: процессор AMD Athlon/Duron, Intel Celeron или Pentium II, III, 4 с тактовой частотой от 500 МГц, оперативная память от 128 Мбайт CD-ROM. Для работы Linux-версии требуются X-сервер, удовлетворяющий стандарту X11R6, и поддерживаемый им видеоадаптер. Однако сами по себе виртуальные машины могут быть достаточно требовательны к ресурсам -- это зависит от операционных систем, которые загружаются в виртуальные машины (как минимум, каждой гостевой операционной системе выделяется 1 Гбайт места на жестком диске). Напомним, что для определения реальной потребности в оперативной и дисковой памяти следует просуммировать требования, предъявляемые к ним исходной операционной системой и операционными системами всех виртуальных машин, которые предполагается запускать одновременно.

Для виртуальных машин под управлением WMware Workstation 4.5 доступно применение процессоров Intel Pentium II и выше, AMD Athlon и выше (в зависимости от процессора компьютера-хоста), при этом поддерживаются и 64-разрядные процессоры AMD Opteron и Intel Athlon. Виртуальным машинам доступно до 3,6 Гбайт оперативной памяти (если, конечно, таковая доступна операционной системе хоста), что несколько меньше, чем память, доступная виртуальным машинам Virtual PС, а в сумме память, занимаемая всеми одновременно запущенными виртуальными машинами, не должна превышать 4 Гбайт.

Виртуальные машины могут располагаться как в файле, так и на отдельном жестком диске или в его специальном разделе, при этом размер виртуального жесткого диска может достигать 256 Гбайт.

WMware Workstation 4.5 поддерживает до четырех IDE-устройств, в том числе виртуальные IDE-диски до 128 Гбайт, до двух накопителей на гибких дисках, дисководы CD-ROM, DVD-ROM компьютера-хоста. Кроме реальных дисководов, WMware Workstation 4.5 умеет работать с образами дисков формата ISO, рассматривая их как дисководы CD-ROM. Что касается поддержки таких SCSI-устройств, как сканеры, ленточные накопители, CD-ROM и DVD-ROM, то она может осуществляться даже при отсутствии драйверов этих устройств в операционной системе хоста.

WMware Workstation 4.5 поддерживает до двух LPT-портов и до четырех COM-портов, при этом вывод данных в COM-порт виртуальной машиной может реально представлять собой запись в файл хост-компьютера. Поддерживаются и динамически подключаемые к хосту USB-устройства, такие как сканеры, принтеры, жесткие диски и флэш-карты, подключаемые КПК, фотоаппараты. WMware Workstation 4.5 поддерживает видеорежимы VGA и SVGA, запись и вывод звука.

В части поддержки сетевого взаимодействия возможности WMware Workstation сравнимы с возможностями Virtual PC -- этот продукт поддерживает разнообразные способы эмуляции сетевого взаимодействия (начиная с ее отсутствия и заканчивая интеграцией в локальную сеть, в которую включен хост), эмуляцию сетевого взаимодействия с другими виртуальными машинами как с отдельными компьютерами, трансляцию адресов NAT, виртуальный DHCP-сервер, организацию сетевых мостов с помощью беспроводных соединений, широкий спектр сетевых протоколов, переключение между разными виртуальными сетями.

Из прочих технических особенностей отметим интеграцию с Windows Performance Monitor, что делает возможным использование его в качестве средства контроля производительности виртуальной машины.

Как и Virtual PC, VMware Workstation позволяет создавать «моментальные снимки» виртуальных машин, сохраняя в виде файла компьютера-хоста сведения об их состоянии, о запущенных приложениях и их данных, а также поддерживает обмен данными между виртуальными машинами и операционной системой хоста с помощью буфера обмена и операций drag-and-drop, синхронизацию времени гостевой ОС и ОС хоста и, наконец, возможность отмены всех изменений, сделанных пользователем в данном сеансе работы.

1.4.3 - Bochs

Bochs (произносится «бокс») (рис. 4) -- open source программа для эмуляции аппаратного обеспечения PC. Включает в себя эмуляцию ЦПУ Intel x86, устройства ввода-вывода, и возможность использовать различный BIOS PC и видеоадаптера. Может эмулировать 386, 486, Pentium, Pentium Pro, AMD64 CPU и другие x86-совместимые процессоры, поддерживает MMX, SSE, SSE2, 3DNow! (в ближайшем будущем планируется и SSE3 и др.) Написана на C++ и работает на Windows 9x, Windows 2k, Linux, *BSD и др. Отличается очень тщательной эмуляцией процессора, может быть запущен на любой аппаратной платформе.



Рисунок 1.4. Внешний вид ВМ Bochs

1.4.5 Microsoft Virtual Server

Средства создания виртуальных машин, предназначенные для рабочих станций, используют в качестве оперативной памяти виртуальной машины часть физической оперативной памяти компьютера-хоста, а в качестве жесткого диска виртуальной машины -- файл или физический раздел жесткого диска компьютера-хоста. Процессором виртуальной машины служит реальный процессор компьютера-хоста, а разделение процессорного времени между операционной системой хоста и операционной системой виртуальной машины осуществляется в соответствии с правилами, установленными для данной виртуальной машины. При этом средства создания виртуальных машин для рабочих станций поддерживают применение только одного процессора, ресурсы которого разделяются между операционной системой хоста и операционными системами виртуальных машин.

Отметим, однако, что многие приложения масштаба предприятия требуют достаточно объемной обработки данных и, следовательно, наличия серверных приложений, выполняющихся на многопроцессорных компьютерах. В частности, редакция, носящая название Enterprise Edition или сходное с ним и поддерживающая использование многопроцессорных серверов и кластеров, присутствует в линейках серверных операционных систем, серверных СУБД и серверов приложений всех ведущих производителей указанных категорий программного обеспечения. Задачи, связанные с тестированием и эксплуатацией подобных продуктов, нельзя корректно решить с помощью средств создания виртуальных машин для настольных операционных систем -- для этого существует особая категория средств виртуализации, о которых речь пойдет ниже.

Производитель Microsoft Virtual Server 2005 выделил четыре основные области применения этого продукта.

Тестирование программного обеспечения и средств разработки. Следует иметь в виду, что нередко под тестированием понимается не только тестирование создаваемых приложений, но и тестирование конфигураций и настроек готового программного обеспечения, а также действий администраторов серверов и сети с целью проверки работоспособности той или иной конфигурации серверного ПО перед началом ввода его в реальную эксплуатацию.

Хостинг унаследованных приложений. Зачастую наиболее удачные бизнес-приложения эксплуатируются десятилетиями, поэтому вполне может случиться так, что платформа, для которой они написаны, в компании уже практически не применяется из-за отсутствия нормальной технической поддержки со стороны производителей оборудования, а также, возможно, из-за отсутствия в компании персонала, специализирующегося на сопровождении устаревших платформ, и разработчиков, способных обновить данное приложение. В этом случае применение серверного ПО для создания виртуальных машин с операционными системами, выпущенными несколько лет назад (например, Windows NT 4.0), может оказаться наиболее простым и выгодным решением, позволяющим продлить жизнь бизнес-приложениям, эксплуатирующимся достаточно давно, и не тратить средства ни на переписывание приложений, ни на переобучение пользователей.

Консолидация загрузки серверов. Иногда на предприятии имеется несколько серверов, выполняющих различные задачи (например, сервер обмена сообщениями, сервер баз данных, сервер приложений). Идея консолидации загрузки серверов заключается в создании виртуальных машин с разными операционными системами и программным обеспечением, реализующими выполнение указанных задач, и в размещении одного и того же набора этих виртуальных машин на нескольких физических серверах. Благодаря этому число самих серверов можно уменьшить, да и выход из строя одного из серверов не будет столь критичен для компании, поскольку его нагрузку может взять на себя виртуальная машина на каком-либо другом сервере. Кроме того, сами виртуальные машины можно подвергать резервному копированию, а в случае серьезного сбоя восстановление работоспособности приложений займет намного меньше времени, чем, например, при резервном копировании данных, -- ведь в этом случае не потребуется повторной установки операционной системы и всех функционировавших на виртуальной машине приложений.

Моделирование распределенных серверных приложений на одном физическом сервере. Данный способ применения серверных виртуальных машин предназначен для разработчиков, специалистов по тестированию и специалистов по внедрению приложений масштаба предприятия. С его помощью можно создавать распределенные приложения, тестировать их, а также моделировать реальные условия внедрения, используя для этой цели один-единственный компьютер, что позволяет сократить расходы на приобретение аппаратного обеспечения для разработки приложений.

Во всех перечисленных случаях Virtual Server 2005 позволяет снизить затраты либо на аппаратное обеспечение, либо на сопровождение и поддержку инфраструктуры и приложений.

Как и другие средства создания виртуальных машин, Virtual Server 2005 выполняется под управлением операционной системы хоста (в данном случае Windows Server 2003) за счет части оперативной памяти, доступной этой операционной системе; при этом аппаратное обеспечение может быть виртуальным, то есть смоделированным Virtual Server 2005.

Virtual Server 2005 доступен в двух редакциях -- Standard и Enterprise, отличающихся только числом поддерживаемых процессоров. Первая из редакций поддерживает четыре физических процессора, вторая -- до 32. Хотя в обеих редакциях продукта каждой виртуальной машине доступен только один процессор, зато этот процессор можно использовать на все сто процентов (чего средства создания виртуальных машин для настольных операционных систем, естественно, не позволяют).

Virtual Server 2005 -- это многопоточная служба операционной системы. Каждая виртуальная машина выполняется в своем потоке.

Сам Virtual Server 2005 может использовать до 64 Гбайт оперативной памяти, а каждая виртуальная машина -- до 3,6 Гбайт.

Virtual Server 2005 может эмулировать до четырех жестких IDE-дисков объемом до 128 Гбайт или дисководов CD/DVD-ROM (в качестве дисководов можно использовать и образы дисков в формате ISO), а также до четырех виртуальных шин SCSI общим объемом до 56,5 Тбайт; при этом данным продуктом поддерживается двухузловой кластер из виртуальных машин с общим хранилищем данных на виртуальных SCSI-дисках. Это позволяет смоделировать работу серверного программного обеспечения в таком кластере без реального приобретения соответствующего оборудования.

Что касается поддержки графики, то Virtual Server 2005 эмулирует видеоадаптер S3 Trio64 с 4 Мбайт видеопамяти, 2D-ускорителем и поддержкой Microsoft DirectX.

Из прочего аппаратного обеспечения поддерживаются до четырех виртуальных сетевых адаптеров, реальные и виртуальные дисководы на гибких магнитных дисках, реальные и виртуальные COM- и LPT-порты, мышь и клавиатура. А вот звуковые карты не эмулируются и не поддерживаются.

Virtual Server 2005 поддерживаются следующие гостевые операционные системы:

- Windows Server 2003, Standard Edition;

- Windows Server 2003, Enterprise Edition;

- Windows Server 2003, Web Edition;

- Windows Small Business Server 2003;

- Windows 2000 Server;

- Windows 2000 Advanced Server;

- Windows NT Server 4.0 with Service Pack 6a.

Кроме того, Virtual Server 2005 позволяет обеспечивать баланс загрузки различных виртуальных машин, эмулируя кластерную конфигурацию, и содержит средства управления распределением ресурсов (памяти, процессорного времени, приоритетов выполнения) для подобных виртуальных машин.

Средства администрирования Virtual Server 2005 представляют собой приложение с Web-интерфейсом. Для создания решений на базе Virtual Server 2005 существует документированный COM API, позволяющий программно решать задачи администрирования, развертывания виртуальных машин и их конфигурирования, автоматизируя эти процессы с помощью административных скриптов или приложений, созданных с помощью широкого спектра средств разработки для платформ Windows и .NET.

Отметим, что Virtual Server 2005 обладает средствами интеграции с Active Directory. Кроме того, для данного продукта доступно и средство Microsoft Operations Manager 2005 Management Pack for Virtual Server, позволяющее с помощью Microsoft Operations Manager управлять событиями и производительностью виртуальных машин.

1.4.7 Серверные продукты компании EMC/Vmware

Многие решения масштаба предприятия требуют применения серверных приложений, выполняющихся на многопроцессорных компьютерах или кластерах серверов, а нередко и хостинга или эмуляции приложений, предназначенных для вышедших из употребления платформ. При разработке и тестировании подобных решений часто обязательна, как минимум, качественная эмуляция их окружения, в том числе конфигурации серверов. Для упрощения решения подобных задач необходимы серверные средства управления виртуальными машинами, способные выполняться на кластерах, эмулировать кластерные конфигурации, использовать несколько реальных или виртуальных процессоров.

Спектр продуктов компании VMware предназначенных для решения указанных задач, весьма широк и на данный момент намного более разнообразен, нежели аналогичный спектр продуктов корпорации Microsoft. Он включает не только средства создания и запуска виртуальных машин, но и средства управления приложениями, выполняющимися на виртуальных машинах, а также средства переноса имеющихся физических машин на виртуальные. Ниже мы рассмотрим все указанные категории продуктов VMware.

Средства создания виртуальных машин масштаба предприятия

VMware GSX Server 3.1

VMware GSX Server 3.1 представляет собой средство создания виртуальных машин и, подобно настольным средствам аналогичного назначения, выполняется под управлением операционной системы хоста (в данном случае -- 32- или 64-разрядных серверных версий Windows и Linux, выполняющихся на компьютерах с одним или несколькими x86-совместимыми процессорами), используя часть оперативной памяти, доступной этой операционной системе. Основные области применения данного продукта: тестирование прикладного и системного программного обеспечения и средств разработки, в том числе конфигураций ПО, моделирование распределенных серверных приложений на одном физическом сервере, хостинг различных серверных приложений, включая унаследованные, обеспечение равномерности загрузки серверов за счет размещения одного и того же набора этих виртуальных машин на нескольких физических серверах. Иными словами, спектр задач, решаемых с помощью GSX Server, сходен с теми, что решаются с помощью Microsoft Virtual Server 2005, однако набор поддерживаемых данным продуктом операционных систем более широк и не ограничивается различными версиями Windows -- среди ОС, поддерживаемых в качестве гостевых, широкий спектр версий Linux, а при необходимости с помощью этого продукта можно также выполнять последние версии Novell Netware (рис. 5). Данный продукт содержит в своем составе средства для организации удаленного администрирования, основанные на Web-интерфейсе и выполняющиеся под управлением Windows или Linux.

Рисунок 1.5. Windows-версия VMware GSX Server 3.1

VMware ESX Server 2.5 представляет собой средство создания виртуальных машин, не требующее наличия операционной системы-хоста (по существу, оно само играет роль операционной системы) и выполняющееся на компьютерах с двумя и более 32-разрядными процессорами Intel и AMD, двумя и более сетевыми адаптерами. В качестве хранилища файлов должны выступать SCSI-диски, накопители, доступные с помощью Fibre Channel, либо встроенный RAID-контроллер -- в таком хранилище данный продукт создает собственную файловую систему VMware File System (VMFS). Продукт может быть установлен на Blade-серверы или на сети хранения данных SAN.