2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 3
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ
ВИРТУАЛИЗАЦИИ ................................................................................................ 5
1.1. Основные понятия и виды систем виртуализации .................................... 5
1.2. Методы исследования систем виртуализации ......................................... 13
1.3. Инструменты исследования систем виртуализации ............................... 20
Выводы по главе 1.............................................................................................. 30
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ВИРТУАЛИЗАЦИИ ООО
«ЗАКАТ» ................................................................................................................ 32
2.1. Анализ ИТ-инфраструктуры предприятия ............................................... 32
2.2. Оценка возможностей системы виртуализации предприятия ................ 39
2.3. Тестирование работы системы виртуализации и выявление
недостатков ......................................................................................................... 48
Выводы по главе 2.............................................................................................. 56
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ
СИСТЕМЫ ВИРТУАЛИЗАЦИИ ООО «ЗАКАТ» ............................................. 58
3.1. Предложения по повышению безопасности системы виртуализации
предприятия ........................................................................................................ 58
3.2. Предложения по расширению функционала системы виртуализации
предприятия ........................................................................................................ 65
3.3. Оценка эффективности предложенных мероприятий ............................. 72
Выводы по главе 3.............................................................................................. 78
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 79
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ............................................. 83
ПРИЛОЖЕНИЯ ..................................................................................................... 89
3
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность выбранной темы исследования заключается в том, что
технологии виртуализации в настоящее время интенсивно развиваются и
выступают неотъемлемой составляющей IT-инфраструктуры предприятия,
поскольку позволяют реализовать различные прикладные и
специализированные задачи.
Применение в деятельности предприятий систем виртуализации
позволяет консолидировать различные вычислительные ресурсы,
производить динамическое распределение данных между большими
группами пользователей.
Однако при работе с системами виртуализации необходимо вести
постоянную работу по обеспечению их информационной безопасности,
расширению ресурсов для исключения потерь производительности и
масштабируемости данных.
Следовательно, выявление особенностей применения, расширения и
обеспечения защиты систем виртуализации обосновывает выбор темы
исследования.
Предметом исследования являются системы виртуализации. Объектом
исследования является система виртуализации ООО «Закат».
Цель исследования: выполнить исследование системы виртуализации
ООО «Закат» и предложить мероприятия по ее совершенствованию.
Задачи исследования:
1. Рассмотреть основные понятия и виды систем виртуализации.
2. Привести методы исследования систем виртуализации.
3. Определить инструменты исследования систем виртуализации.
4. Проанализировать работу системы виртуализации предприятия.
5. Разработать мероприятия по совершенствованию системы
виртуализации предприятия.
Теоретической значимостью работы является систематизация методов
и инструментов для проведения исследования систем виртуализации.
4
Практической значимостью работы является то, что предложенная
модель угроз, внедрение ложных информационных систем в систему
виртуализации и интеграция с программно-аппаратным комплексом SCARP
позволят совершенствовать систему виртуализации ООО «Закат».
Вопросам исследования систем виртуализации достаточно много
внимания уделяют различные отечественные и зарубежные специалисты,
среди которых следует отметить работы Авезова Я. Э. Ададурова С. Е.,
Алексеева А. П., Баранова Р. Д., Барского А. Б., Басыни Е. А. и других.
Методология исследования основана на методах логического
наблюдения и сбора фактов, анализа и сравнения, обобщения, аналогии,
постановки, методы решения проблем, систематизации и классификации.
Магистерская диссертация включает введение, три главы, заключение
и приложения.
В первой главе работы рассмотрены основные понятия и виды систем
виртуализации, методы и инструменты исследования систем виртуализации.
Во второй главе производится анализ IT-инфраструктуры предприятия,
оцениваются возможности системы виртуализации, производится ее
тестирование с выявлением недостатков.
В третьей главе работы формируются предложения по повышению
безопасности системы виртуализации, расширению функционала и
оценивается эффективность предложенных мероприятий.
В приложениях магистерской диссертации приводятся пример
распределенного комплекса для моделирования, карта памяти гипервизора
OKL4 и его диаграмма активности, зависимости вероятности доступа к
целевым объектам в зависимости от количества ложных объектов,
аналитические методики и модели для оценки эффективности ложных
информационных систем.
Магистерская диссертация представлена на 93 страницах, из которых
30 рисунков, 9 таблиц, 52 источника использованной литературы и 5
приложений.
5
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
СИСТЕМ ВИРТУАЛИЗАЦИИ
1.1. Основные понятия и виды систем виртуализации
В современных системах одним из основных направлений для
повышения уровня автоматизации является внедрение систем виртуализации,
основанных на распределенных вычислениях и сервис-ориентированной
архитектуре SOA. Конвергенция этих систем и технологий позволяет решить
различные задачи IT-подразделениям.
Виртуализация является процессом представления набора
вычислительных ресурсов и их логического объединения. Это новый взгляд
на информационные ресурсы, которые позволяют получить географическое
преимущество перед физической конфигурацией и ее составными частями.
Она направлена на оптимизацию физических ресурсов путем предоставления
к ним доступа через логически изолированные друг от друга виртуальные
машины [8, c.40].
Центральное звено в системах виртуализации занимают виртуальные
машины, позволяющие предоставлять доступ одновременно нескольким
физическим ресурсам. По статистическим данным средняя нагрузка на
сервер без виртуализации составляет от 15 до 20%, а по данным компании
International Data Corporation, выполняющей исследования рынка большая
часть серверов задействует в работе до 25% общего количества ресурсов. Во
многих случаях организациями выпускается по одному приложению на
сервер для того чтобы избежать уязвимостей.
Виртуальная машина выступает программным продуктом, которым
эмулируется как аппаратная составляющая персонального компьютера со
всеми его компонентами. Она позволяет запускать на физическом
компьютере ресурсы независимо от других виртуальных машин [15, c.63].
Сравнение физической и виртуальной архитектур приведено на
рисунке 1.
6
Рисунок 1 – Сравнение физической и виртуальной архитектур
Можно сказать, что виртуальная машина работает подобно реальной,
поскольку в ее состав входят различные процессоры, оперативная память,
дисковое пространство и другое оборудование, а также существует
возможность установки операционной системы.
Использование систем виртуализации направлено на улучшение
работы физических ресурсов, обеспечение гибкости перераспределения
ресурсов и повышение скорости работы с новыми сервисами. Возможность
гибкой настройки виртуальных машин, а также конфигурирование их
характеристик создает возможность при создании системы виртуализации
выполнять динамическую балансировку физических ресурсов [19, c.25].
В состав виртуализованных ресурсов входят вычислительные
мощности, хранилища данных и сетевое оборудование.
Целью построения систем виртуализации является создание общего
пула ресурсов доступного через распределенную сеть предприятия. За счет
виртуализации изменяется отношение к аппаратной платформе, которая в
этом случае выступает логической платформой, объединяющей различные
виртуальные ресурсы, позволяющие функционировать предприятию.
7
Главной задачей виртуального центра обработки данных является
организация размещения логических платформ и выделение им физических
ресурсов. Стандартной функцией современных средств виртуализации
является возможность реконфигурации платформы и ее перемещение на
другие физические ресурсы.
Одним из ключевых отличий виртуализованных ЦОД от традиционных
является абстрагирование физических ресурсов, серверов и дисковых
ресурсов. Они объединяются на высоком уровне в пулы ресурсов, домены
обновления, отказоустойчивые кластеры. Эти логические объединения
входят в состав физической инфраструктуры и позволяют подготовить
систему управления ресурсами к эксплуатации. В состав пулов ресурсов
входят серверы, хранилища, сети, предоставляющие в совместное
использование общее оборудование и исходные конфигурационные
параметры [8, c.40].
С целью обеспечения модульности при построении виртуального
центра обработки данных применяются различные единицы
масштабирования, наборы, включающие определенное количество серверов,
сети и устройства хранения.
Для обеспечения надежности серверов и связанных с ними сетей,
хранилища объединяются в отказоустойчивые кластеры. В состав этой
группы входят два или несколько серверов, настройка которых производится
в виде единого ресурса. Также можно использовать механизм балансировки
нагрузки, который позволяет нескольким серверам работать как один пул.
Когда клиентами запрашиваются сетевые ресурсы, сервер должен отвечать
на клиентские запросы, определять работу по алгоритму и обрабатывать
клиентские запросы [24, c.25].
На рисунке 2 представлен пример базовой инфраструктуры
виртуального центра обработки данных.
8
Рисунок 2 – Инфраструктура виртуализованного центра обработки
данных
Физический уровень включает в состав сервера и системы хранения
данных, объединенные Ethernet-сетью с помощью коммутатора. Доступ к
системе хранения производится по протоколу iSCSI, объединяющему
несколько линий со скоростью передачи 1 ГБ/сек. Это позволяет обеспечить
высокую доступность данных, осуществлять живую миграцию виртуальных
машин и работать с базами данных. Представленная архитектура направлена
на разделение сетевого трафика и создание сети хранения данных SAN.
Кроме этого в зависимости от определенной цели изолируется трафик
различных групп виртуальных машин и приложений. Представленный
пример основан на программном обеспечении корпорации Microsoft, которая
предоставляет полный спектр услуг и позволяет обеспечить полную
совместимость и удобство в управлении инфраструктурой [30, c.47].
Программной основой выступает операционная система Microsoft
Windows Server 2016. На ее основе разворачивается система виртуализации,
представленная виртуальным сервером Hyper-V. По одному физическому
серверу выделено для использования в виде контроллера домена и сервера
9
управления и мониторинга. Такое решение позволяет отделить основные
средства управления инфраструктурой виртуализации, поскольку сбой в
работе виртуального контроллера влечет за собой отказ в работе всей
инфраструктуры.
Оставшиеся шесть серверов объединяются в сервер Hyper-V, при этом
жесткие диски виртуальных машин хранятся в логических разделах LUN.
При отказе отдельного сервера виртуальные машины могут быть запущены
на других серверах [34, c.18].
В отдельную группу выделены виртуальные машины, позволяющие
создать отказоустойчивый кластер Microsoft SQL Server 2014, и по одной
виртуальной машине используется для организации резервного контроллера
домена из сервера управления.
Создание резервных виртуальных машин позволяет поддерживать
работоспособность инфраструктуры и своевременно восстановить данные в
случае отказа работы физического сервера. Остальные виртуальные машины
работают в виде кластера балансировки с ролью IES для предоставления
web-сервисов пользователям.
Кластер NLB применяется для масштабирования инфраструктуры. В
зависимости от нагрузки он позволяет без остановки обеспечить ее работу. С
помощью этой архитектуры обеспечивается высокий уровень
масштабируемости и отказоустойчивости.
Отказоустойчивость обеспечивается объединением кластеров, серверов
виртуализации и виртуальных машин. Для обеспечения масштабируемости
типовые виртуальные машины объединяются в кластеры. Наращивание
вычислительных мощностей достигается в короткие сроки за счет
развертывания дополнительных виртуальных машин с использованием
шаблонов [39, c.147].
В настоящее время гипервизоры и виртуальные машины получили
свою популярность за счет возможности организации работы с различными
операционными платформами на одной конфигурации оборудования.
10
Концепция виртуальных машин для эмуляции поведения реальных
машин была предложена в Кембридже в конце 1960 года. С тех пор
виртуализация позволила повысить уровень безопасности, ускорить процесс
распределения ресурсов, упростить качество администрирования.
В настоящее время в системах виртуализации появилась аппаратная
поддержка платформы x86, что позволило внедрить процессоры высокой
производительности [44, c.8].
Развитие аппаратной виртуализации создало возможность:
- упрощения процесса разработки программных платформ за счет
предоставления интерфейсов управления для виртуальных гостевых систем;
- увеличить производительность платформ виртуализации;
- улучшить защищенность и возможность переключения между
несколькими запущенными независимыми платформами;
- запустить 64-битные системы на 32-х битных виртуальных системах.
Однако, возможность управлять гостевыми системами через
гипервизор и простота разработки платформы виртуализации приводят к
появлению вредоносного программного обеспечения наносящего вред
виртуальным ресурсам [48, c.175].
Программное обеспечение, обеспечивающее параллельное выполнение
операционных систем на хост-машине получило название гипервизора или
монитора виртуальных машин. Существующие виды аппаратной
виртуализации приведены на рисунке 3.
Рисунок 3 – Существующие виды аппаратной виртуализации
11
Как видно из рисунка 3, для организации аппаратной виртуализации
применяют:
- автономные гипервизоры, отличающиеся наличием встроенных
драйверов устройств, моделями драйверов и планировщиком, не зависящим
от работы базовой операционной системы и работающим непосредственно на
оборудовании (VMware ESX);
- гипервизоры на основе базовой операционной системы, в основе
которых находится размещение в одном кольце ядра основной операционной
системы. При этом программный код гостевой ОС может выполняться
непосредственно на физическом процессоре, а для управления применяется
монитор уровня пользователя (Microsoft Virtual PC, VMware Workstation,
QEMU, Virtual Box, Parallels);
- гибридный гипервизор (тип1+), включающий тонкий гипервизор для
контроля процессора и памяти и работающий под управлением специальной
сервисной операционной системы нижнего уровня. Через сервисную
операционную систему гостевая ОС получает доступ к работе физического
оборудования (Microsoft Hyper-v, Citrix XenServer).
В настоящее время кроме перечисленных гипервизоров применяются
сертифицированные гипервизоры для работы с промышленными
приложениями. Такими разработчиками как Green Hills Software, SYSCO AG,
Wind River Systems были предложены на рынке программного обеспечения
универсальные продукты или микрогипервизоры, позволяющие обеспечить
возможность сертификации [51, c.70].
Название микрогипервизор связано с тем, что встроенный гипервизор
представлен в виде в виде микроядра виртуализации L4 и является его
неотъемлемой под системой.
В настоящее время свою популярность получили микрогипервизоры,
среди которых можно отметить NOVA, OKL4, Codezero.
NOVA – это платформа, позволяющая создать безопасную
виртуальную среду с небольшим объемом исходного кода. В состав