12
платформы NOVA входит микрогипервизор и пользовательская среда для
выполнения базовых функций с системой.
Платформа NOVA является микрогипервизором третьего поколения и
позволяет реализовать возможности авторизации и базовые механизмы
виртуализации с временным разграничением, планированием коммуникаций
и управлением платформой ресурсов [5, c.24].
Разделенная многосерверная среда может работать в режиме
пользователя и включает в свой состав стеки протоколов, драйверы
устройств и политики. На машинах с поддержкой аппаратной виртуализации
NOVA запускает несколько не модифицированных операционных систем.
При этом каждая виртуальная машина имеет свой собственный монитор,
работающий в виде приложения поверх гипервизора.
Микрогипервизор OKL4 был предложен компании Open Kernel Labs и
основан на микроядре, позволяющем организовать взаимодействие между
сервером и клиентом. Встраиваемой микрогипервизор OKL4 является новым
гипервизором, основанным на архитектуре ядра L4 для работы с адресными
пространствами, управления потоками и межпроцессорным
взаимодействием.
В отличие от гипервизора NOVA преимуществами гипервизора OKL4
являются [11, c.50]:
- наличие экзоядра, позволяющего получить прямой доступ к
аппаратным средствам;
- каждое ядро и периферийное устройство жестко привязано к какой-
либо гостевой системе;
- отсутствует средство для обмена между гостевыми операционными
системами, то есть осуществляется полная изоляция друг от друга.
Таким образом, система виртуализации, как правило, представлена в
виде аппаратно-программной платформы, обладающей необходимым
уровнем масштабирования, отказоустойчивости и безопасности данных и
может быть основана на гипервизоре или на микрогипервизоре.
13
1.2. Методы исследования систем виртуализации
Моделирование является эффективным средством изучения работы
систем виртуализации и предусматривает разработку модели и ее анализ. С
помощью моделирования исследуются сложные процессы и явления в
системах виртуализации, представляя их не в виде реальной системы, а в
виде модели.
Моделирование позволяет выявить узкие места в системе
виртуализации, оценить ее производительность, стоимость, пропускную
способность. Для создания моделей систем виртуализации в настоящее время
свою популярность получило имитационное моделирование [14, c.55].
Имитационное моделирование – это вид моделирования, который
производится с помощью вычислительной техники и позволяет
автоматизировать процесс проведения эксперимента. В зависимости от
подхода в проведении эксперимента имитационное моделирование бывает
агентным, дискретно-событийным и моделированием динамических систем.
В настоящее время метод имитационного моделирования позволяет
проводить исследования систем виртуализации различной сложности с
детализацией данных. В основе имитационного моделирования находится
создание комплекса, представленного в виде инструмента, позволяющего
поддерживать принятие решений на основе знаний об элементах системы.
Кроме вышесказанного имитационное моделирование применяется как
средство обучения, задействованное при эксплуатации различных сложных
систем виртуализации. Выбор архитектуры аппаратно-программного
комплекса для моделирования определяется сложностью исследуемой
системы виртуализации, ее параметрами. Когда необходимо оценить не
только статику, но и обеспечить моделирование сложной системы,
включающей разнородные моделируемые элементы, одной вычислительной
машины недостаточно. В таких случаях применяются так называемые супер-
ЭВМ, имеющие высокие вычислительные мощности, объемы оперативной
14
памяти и поддерживающие различные архитектуры. Это позволяет
увеличить качество моделирования и решить распределенные задачи.
Распределенное моделирование предусматривает анализ
распределенной системы, имеющей клиент-серверную структуру и
включающей различные элементы с организацией связей.
Моделирование с применением вычислительной техники для
исследования работы систем виртуализации получило название
распределенного моделирования [18, c.49].
Основным требованием при выполнении распределенного
моделирования выступает необходимость построения сложного
имитационного моделирующего комплекса. Среди отличительных
характеристик моделирования сложных систем следует отметить их
динамический характер, возможность воспроизведения элементов модели на
основе реальных алгоритмов обработки данных. Сложность модели системы
виртуализации создает необходимость увеличения количества
вычислительных ресурсов и применения сложной архитектуры построения
распределенной системы.
Среди достоинств распределенных моделируемых систем
виртуализации следует отметить возможность объединения ресурсов,
размещенных отдельно от технических средств. Недостатками
моделирования распределенных систем виртуализации являются
трудоемкость процесса при подготовке эксперимента, требования точного
представления данных и необходимость разработки специальных
алгоритмов, позволяющих сбалансировать ресурсы технических средств. С
другой стороны, если в процессе моделирования известно количество
выделенных ресурсов, то в случае необходимости их количество можно
увеличить за счет запуска необходимого количества виртуальных машин [23,
c.296].
Пример распределенного комплекса для моделирования приведен в
приложении А.
15
Для исследования систем виртуализации применяются технологии
анализа и оценки информационных рисков. Это обусловлено тем, что работа
с виртуальными системами осуществляется через сеть Интернет.
Первая группа методов позволяет описать и исследовать систему
виртуализации, как объект защиты. В этом случае формируются
характеристики среды виртуализации, определяются механизмы обеспечения
безопасности. Для проведения исследования формируется план, в основе
которого находится выбор критериев и методов исследования [39, c.34].
Технология оценки информационных рисков применяется в отношении
всех иерархических уровней системы виртуализации. Основным предметом
исследования является информация, используемая в процессах управления
виртуальными вычислениями. Сбор данных о структуре системы
виртуализации производится на уровне аппаратного и программного
обеспечения. После этого производится определение уровня
конфиденциальности защищаемой информации и его оценка по
оптимальному критерию безопасности.
Для сбора данных о системе виртуализации применяются различные
методы, среди которых следует отметить анкетирование, собеседование,
анализ документации. Метод анкетирования предусматривает формирование
для экспертов определенной группы вопросов, позволяющих оценить работу
текущей системы виртуализации и ее уровень безопасности.
В случае проведения собеседования с экспертами проводится
интервью. Собеседование позволяет сократить затраты на исследование
системы виртуализации и может быть проведено с использованием
современных коммуникационных каналов через видеоконференцию или IP-
телефонию [36, c.194].
В случае применения метода анализа информации для проведения
исследования системы виртуализации необходимо выполнить сбор
информации о методах работы системы виртуализации и обеспечения ее
безопасности.
16
Как правило, в состав документации, регламентирующей работу
системы виртуализации входят руководства администратора и пользователя,
Политика безопасности, методические инструкции по разворачиванию и
конфигурированию системы виртуализации, процедуры по обеспечению
защиты, а также должностные инструкции персонала, обслуживающего
систему виртуализации.
Для исследования системы виртуализации можно применять приемы
фиксации и сбора информации, позволяющие выявить достоверность и
полноту полученных результатов. Качественные характеристики создают
возможность установить границы для описания внешних и внутренних
ресурсов системы виртуализации, а также способы ее защиты [40, c.95].
Для систем виртуализации важным элементом являются внешние
границы, представленные в виде удаленных сетевых атак. Для определения
уязвимостей в системах виртуализации выделяют точки выхода в сеть
Интернет, технологии взаимодействия на удаленном расстоянии, текущие
характеристики серверного оборудования и программного обеспечения.
После проведения исследования формируется шкала оценки для текущего
состояния работы системы виртуализации и степень защиты.
Оценку внутренних процессов системы виртуализации можно отнести
к определенному классу. Например, терминал относятся к рабочей станции, и
может быть представлен в виде моноблока, ноутбука, нетбука, персонального
компьютера или смартфона. На терминалах систем виртуализации не
осуществляются вычислительные работы, а производится только
перенаправление информации по технологии тонкий клиент.
В случае исследования виртуального сервера необходимо учитывать,
что он представлен в виде многопроцессорного комплекса, позволяющего
обеспечивать работу терминалов или виртуальных машин [46, c.80].
Программный комплекс и терминалы предусматривает использование
коммуникационного оборудования для организации обмена данным данных.
17
Это оборудование применяется для маршрутизации трафика виртуального
интерфейса и для управления системой виртуализации.
На следующем этапе производится идентификация угроз безопасности
и определение информационных рисков, которые выступают источниками
угроз. При этом необходимо учитывать, что спланированная удаленная атака
на систему виртуализации может быть представлена в виде получения
несанкционированного доступа к ее ресурсам. В этом случае выделяются
внешние угрозы со стороны сети Интернет и внутренние угрозы, которые
связаны со сбоями в работе системы, ошибками в программном коде [6,
c.233].
Оценка информационного риска позволяет выявить уязвимости в
работе системы виртуализации, а также выбрать средства для их устранения.
Многими из специалистов для оценки работы системы виртуализации
применяются методы сбора и фиксации информации. В этом случае
результаты методом анкетирования включаются в аудит системы
виртуализации, а информационные риски в аудит информационной
безопасности.
Таким образом, технологии исследования систем виртуализации
включает в свой состав различные методы, позволяющие всесторонне
оценить работу систем виртуализации и определить уровень угроз
нарушающих ее работу.
Для исследования систем виртуализации многими специалистами
применяются когнитивные методы исследования, представленные в виде
инструментов поддержки принятия решения. В основе этих методов
находятся различные модели, позволяющие сформировать сценарии работы
систем виртуализации [10, c.21].
Конвективные исследования основаны на виртуальной реальности и
позволяет получить достоверную информацию о работе систем
виртуализации и происходящих в ней сложных процессов. В этом случае
производится разработка виртуальной модели системы.
18
В основе когнитивного исследования находятся методы
организационного, технического, эвристического, субсидиарного,
ситуационного, информационного моделирования, характеристики которых
приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Методы когнитивного исследования систем виртуализации
Метод исследования
Описание
Организационное
исследование
Предусматривает формирование правил и методов для оценки
процедур работы системы виртуализации. В этом случае
применяются различные принципы и критерии для оценки работы
системы виртуализации
Стереотипное
исследование
Предусматривает создание набора стереотипов, позволяющих
описать работу системы виртуализации. Для проведения этого
исследования специалистами производится поиск информации по
работе системы виртуализации с формированием критериев для
оценки и выбора оптимального управления.
Субсидиарное
исследование
Предусматривает проведение сравнения системы виртуализации и
ее альтернативных решений. В этом случае для исследования
выбирается несколько систем виртуализации отличающиеся между
собой различными технологиями, методами обработки данных и
распределения ресурсов.
Информационное
исследование
Предусматривает создание виртуальной модели и формирование
стратегии исследования параметров обработки данных. В этом
случае применяются методы, позволяющие исследовать ресурсы,
технологии, уровни управления виртуальными машинами.
Многими специалистами для исследования системы виртуализации
применяется ситуационный анализ. В этом случае работа системы
виртуализации представлена в виде имитационной модели с входными и
выходными параметрами. В качестве задающих воздействий выступают
данные введенные пользователем, потоки информации, поступающие из сети
Интернет, атаки или угрозы со стороны злоумышленников. Такой тип
исследования позволяет оценить поведение системы виртуализации в
различных ситуациях и принять управленческое решение по усилению
защиты или совершенствованию ресурсов [17, c.33].
Конвективное исследование находится между информационным
интеллектуальным исследованием и во многих случаях применяется для
выявления проблем в работе системы виртуализации на основании
19
применения мнений экспертов или качественной обработки данных с
помощью виртуальных эмуляторов.
Среди новых видов исследования следует отметить виртуальные
исследования, основанные на информационном подходе. В этом случае
система виртуализации представляется в виде виртуального пространства с
различными технологиями, конструкциями и компонентами, позволяющими
организовать взаимодействие [25, c.38].
Виртуальное моделирование создает возможности оценки
масштабируемости системы виртуализации во времени. Структура
представления виртуальной модели приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 – Структура представления виртуальной модели
Как видно из рисунка 4 при визуальном моделирование большое
значение имеет такой фактор как время, то есть в этом случае оценка работы
системы виртуализации оценивается в динамике.
Многие виды исследований позволяют устранить недостатки в работе
системы виртуализации, улучшить ее восприятие специалистами. При
проведении конвективных исследований формируется так называемый
фильтр, в котором задаются такие характеристики системы виртуализации
как воспринимаемость, обозримость, интерпретируемость. Эти
характеристики ускоряют процесс исследования системы и позволяют
определить ее недостатки [28, c.132].
20
Структура реальной воспринимаемой модели используемой при
конвективном исследовании приведена на рисунке 5.
Рисунок 5 – Структура реальной воспринимаемой модели используемой
при конвективном исследовании
Можно сказать, что виртуальная модель расширяет возможности
исследования, поскольку включает в свой состав подсистему для оценки
системы виртуализации в реальной ситуации с учетом человеческого
фактора.
Визуальная форма представления создает возможность оценить
параметры и характеристики системы виртуализации, определить
допустимые значения для ее эффективной и неэффективной работы.
1.3. Инструменты исследования систем виртуализации
Для исследования систем виртуализации в настоящее время применяют
различные виртуальные эмуляторы, имеющие устойчивость к сбоям,
совместимость с различными виртуальными машинами. Они поддерживают
работу с высокопроизводительными облачными платформами с
необходимым уровнем масштабируемости, эффективности использования
вычислительных ресурсов [33, c.146].
21
В качестве среды тестирования в работе виртуальных эмуляторов
применяются пакеты NAS Parallel Benchmarks и HPC Challenge,
выступающие средами тестирования для оценки работы систем
виртуализации.
Виртуальные эмуляторы, основанные на аппаратной виртуализации,
применяются для исследования вопросов информационной безопасности, а
эмуляторы для динамического анализа систем виртуализации получили свое
применение в области отладки [31, c.85].
Среди современных виртуальных эмуляторов следует отметить
виртуальный эмулятор QUMU, представленный в виде системы
детерминированного воспроизведения программного обеспечения
виртуальных машин. Он применяется оценки для ошибок в программном
обеспечении, а также в методах его реверсивной отладки.
В работе Грушко Н. А. проводятся исследования использования
виртуальных эмуляторов для анализа различных систем виртуализации.
Автором выделяет эмуляторы KVM и Xen, которые отличаются между собой
функциональностью, производительностью и удобством использования [20,
c.110].
Совместно с виртуальными эмуляторами рекомендуется использовать
такие тестовые пакеты как HPL, HPCC и SPEC OpenMP.
Как показывают исследования Кознова Д.В. виртуальный эмулятор Xen
отличается нестабильностью при различных запусках одного и того же
приложения в одинаковых условиях тестирования. Также отмечается, что
виртуальный эмулятор Xen не позволяет выполнять
высокопроизводительные задачи без специальной настройки [27, c.86].
В свою очередь, масштабируемость виртуального эмулятора Xen может
ухудшиться из-за дополнительного шума вызываемого система
виртуализации. Шум при выполнении приводит к возникновению
нестандартных действий системы виртуализации.