22
В работе указывают, что наиболее производительным и точным
виртуальным эмулятором является система KVM.
В сравнении с эмулятором Xen виртуальный эмулятор KVM имеет
большую производительность и точность выполнения исследований.
Это подтверждается исследованиями Диязитдиновой А.Р., в которых
производится сравнительный анализ производительности ввода и вывода
полученных результатов в эмуляторах KVM и OpenVZ. Авторами
отмечается, что вопросы виртуализации процессора позволяют оценить
производительность системы виртуализации близкой к работе реального
процессора при запуске приложений в физической среде [16, c.67].
Производительность виртуального эмулятора OpenVZ в целом
находится на требуемом уровне. Однако, Грязнов Е. С. подчеркивают, что
при каждом прерывании процессором передается управление виртуальной
машиной гипервизору. Далее гипервизор определяет прерывание и
производит прерывание гостевой машины. После окончания обработки
прерываний, подаваемые сигналы обрабатываются гипервизором. Это
цепочка замедляет процесс обработки и увеличивает задержки времени [21,
c.14].
В исследованиях Кондрашина М. А. было предложено использовать
эмулятор ELI (Exit Less Interrupts), который выполняет обработку
прерываний [26, c.34].
Белаш В.Ю. рекомендуется использовать для исследования систем
виртуализации эмулятор Palacios, разработанный в рамках проекта V3VEE.
Он поддерживает работу с различными виртуальными машинами и
обеспечивает лучшую вложенную адресацию при передаче данных [13, c.22].
Однако виртуальный эмулятор Palacios имеет проблемы с
возникновением шумов в операционной системы при параллельной
обработке данных. Шум возникает от гранулярности коммутацией и зависит
от сетки процессов образом.
23
Виртуальный эмулятор KVN/QEMU включает несколько модулей ядра
Linux, виртуальный процессор и систему памяти. Все остальные компоненты
виртуальной машины находится под управлением эмулятора QEMU,
который позволяет управлять ресурсами и виртуальными устройствами.
При проведении тестирования с помощью QEMU можно выполнять
запуск виртуальных машин с применением технологий аппаратной
виртуализации KVN.
Сравнительный анализ эмулятора QEMU с наиболее
распространенными коммерческими эмуляторами для исследования систем
виртуализации приведен в таблице 2.
Таблица 2
Сравнение средств симуляции и загрузки для исследования системы
виртуализации
Средство
Время
загрузки, с
Преимущества
Недостатки
PXE - средство,
позволяющие
загружать компьютер
по сети
35
Позволяет
использовать реальное
аппаратное
обеспечение
Необходима поддержка
в PXE на загружаемой
машине, требуются
необходимые
вычислительные
ресурсы
iPXE – полноценный
загрузчик по сети
45
Использует реальное
аппаратное
обеспечение, не
требует поддержки
PXE, поддерживаются
сетевые протоколы
Необходимы
дополнительные
вычислительные
ресурсы и время
загрузки увеличивается
QEMU - монитор для
виртуальных машин
на уровне
пользователя
1
Позволяет производить
отладку эмулированной
системы, имеет
быструю загрузку и не
предусматривает
использование
дополнительных
ресурсов
Не поддерживается
Long Mode, VMX,
возможные ошибки во
время эмуляции
некоторых процессов
Виртуальный эмулятор KVN/QEMU предусматривает использование
специальной аппаратуры ввода и вывода данных IOMMU (IO Memory
Management Unit). Одной из задач IOMMU является отображение адресного
24
пространства. Если специальное устройство в эмуляторе KVN/QEMU
отсутствует, то система должна использовать гипервизор и выполнять
запросы на прямой доступ к памяти DMA (Direct Memory Access).
Системой виртуальной памяти архитектурой x86 поддерживаются
размеры страничной адресации. С точки зрения виртуализации памяти
большие страницы могут применяться для сокращения доступа к памяти и
улучшения процессов трансляции гостевого физического пространства.
Следует отметить, что виртуальный эмулятор QEMU поддерживает
архитектуру NUMA в виртуальных машинах.
Отличительной особенностью Palacios является его возможность
встраивания в унифицированный интерфейс операционной системы. Код
виртуального эмулятора Palacios может быть встроен в различные
интерфейсы для проведения тестирования систем виртуализации [7, c.40].
Второй отличительной особенностью виртуального эмулятора Palacios
является его возможность конфигурирования и компиляции для различных
версий гипервизора для проведения исследований систем виртуализации.
Этот виртуальный эмулятор работает под операционной системой
Kitten и позволяет учитывать особенности высокопроизводительных систем.
Им поддерживается вложенная страничная адресация и методы теневой
адресации.
Однако при использовании виртуального эмулятора Palacios
необходимо учитывать возможные сбои коммуникационного устройства
внутри виртуальной машины для достижения необходимого уровня
производительности. Кроме того, во время экспериментов систем
виртуализации эмулятором Palacios были обнаружены сложности связанные
устройств [9, c.12].
В настоящее время для исследования виртуальных сред свое
распространение получило гибридное моделирование, в основе которого
находится применение различных сред моделирования, имеющих высокую
точность отображения результатов.
25
Для гибридного моделирования свое распространение получила среда
моделирования Grid/Cloud System, позволяющая проводить имитационное
аналитическое моделирование систем виртуализации в интерактивном
режиме с последующей визуализацией полученных данных.
В среды моделирования Grid/Cloud System интегрированы
возможности, позволяющие проводить комплексное исследование систем
виртуализации [12, c.33].
Данная среда предоставляет разработчикам и исследователям систем
виртуализации реализовать следующие возможности:
- производить оценку реальной эффективности работы систем
виртуализации;
- применять технологии виртуального моделирования для проведения
экспериментов и оценивать совместимость программного обеспечения и
виртуальных систем;
- разработать имитационную модель для оценки поведения
виртуальных узлов, их динамику работы и безопасность;
- смоделировать гибридную виртуальную систему с оценкой
вероятности внешних воздействий и интенсивности, приходящих из сети
Интернет запросов.
В основе работы среды моделирования Grid/Cloud System находится
применение автоматической остановки на всех этапах моделирования. В
результате моделирования существует возможность формирования отчетов
для оценки эффективности работы виртуальной системы [22, c.99].
В основе моделирования в среде Grid/Cloud System находится
имитационная модель.
Гибридное моделирование создает возможности применения
одновременно нескольких виртуальных эмуляторов. Организация
взаимодействия в этом случае происходит следующим образом:
1. Имитационный симулятор Grid/Cloud System производит
моделирование сущностей, представленных в виде узлов имитационной
26
модели. При этом некоторые сущности имеют представление в виде
реальных процессов запущенных на виртуальных машинах.
2. Если узел имеет метку на внешнем симуляторе, то Grid/Cloud System
обращается к коммуникационному протоколу.
3. Внешние симуляторы получают полную конфигурацию системы и
присылают сообщения в Grid/Cloud System.
4. Полученная имитационная модель преобразовывается в
программный код и исследуется с помощью различных метрик.
В структурном отношении Grid/Cloud System позволяет решать
следующие задачи:
- определить конфигурацию системы виртуализации на основании
сформированного в среде моделирования сценария;
- производить трансляцию конфигурации из сценария в
низкоуровневую программу написанную на языке программирования С для
запуска под управлением ядра среды моделирования;
- запускать результирующую программу в составе одного или
нескольких виртуальных эмуляторов;
- визуализировать и протоколировать происходящие события в системе
виртуализации;
- производить постобработку результатов с выполнением следующих
команд в интерактивном режиме.
Редактор конфигурации Grid/Cloud System поддерживает работу с
интегрированной средой разработки Eclipse. Среда разработки Eclipse
выступает оболочкой для среды моделирования Grid/Cloud System и
включает в свой состав средства для коллективной разработки и проведения
исследований систем виртуализации.
Интерфейс редактора конфигурации Eclipse Grid/Cloud System на
рисунке 6.
27
Рисунок 6 – Интерфейс редактора конфигурации Eclipse Grid/Cloud
System
Редактор сценариев среды моделирования Grid/Cloud System
представлен в виде простого графического интерфейса и позволяет задавать
сценарии работы с виртуальными системами в различных режимах.
Также в среде моделирования применяют активности, представленные
в виде совокупности процессов в системе виртуализации и позволяющие
организовать взаимодействие пользовательских процессов и заданных в
среде моделирование параметров.
В состав активностей входят различные действия для подготовки
процесса моделирования, его выполнения, получения результатов [32, c.42].
Внешний вид графического интерфейса среды моделирования
Grid/Cloud System приведен на рисунке 7.
28
Рисунок 7 – Внешний вид графического интерфейса среды
моделирования Grid/Cloud System
Для интерактивной визуализации процесса моделирования в состав
системы Grid/Cloud System входит сервер, выступающий универсальным
средством для отображения состояния моделируемой системы
виртуализации.
Сервер поддерживает концепцию визуальных переменных, которые
применяются во время моделирования для задания действия стимуляторов и
оценки загруженности или доступности узлов системы виртуализации.
В среде моделирования существует возможность одновременной
работы с несколькими виртуальными сетями, виртуальными объектами и
машинами [35, c.12].
Работа сервера виртуализации осуществляется на языке
программирования JAVA. Пример получения модели на сервере
визуализации Grid/Cloud System приведен на рисунке 8.
29
Рисунок 8 – Пример получения модели на сервере визуализации
Grid/Cloud System
Среда развертывания представлена в виде комплекса программ
написанных на языке программирования Python. С помощью системы
виртуального моделирования существует возможность развертывания
виртуальных машин по заданной конфигурации, запуска виртуальных машин
сетевым сервером для выполнения заданий их развертывания или удаления.
В качестве входных данных для создания набора виртуальных машин
выступает общая конфигурация среды моделирования, а также набор шаблон
с необходимым программным обеспечением [37, c.26].
В среде моделирования предусмотрен сетевой сервис, который
работает в режимах гибридного или виртуального моделирования и
реализует на виртуальных машинах различные процессы. Это позволяет
использовать в процессе моделирования реальное программное обеспечение.
Среда моделирования Grid/Cloud System применяется для исследования
систем виртуализации, как правило, включает в свой состав
пользовательский узел, вычислительные узлы и мастер узел.
30
Типичный сценарий работы имеет следующий вид. На первоначальном
этапе пользователем посылается в систему запрос. Этот запрос
обрабатывается мастером узлов и распределяется между вычислительными
узлами.
Кроме этого среду моделирования Grid/Cloud System можно
использовать для исследования вирусных атак на систему виртуализации. В
этом случае можно использовать два режима: блокировки атак на систему
виртуализации и имитации заражения системы вредоносным программным
обеспечением.
Применение таких исследований позволяет своевременно
предотвратить угрозы и атаки в работе систем виртуализации.
Выводы по главе 1
На основании рассмотренных теоретических аспектов исследования
систем виртуализации можно сделать выводы:
1. Виртуализация является процессом представления набора
вычислительных ресурсов и их логического объединения.
2. 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.
3. Для организации системы виртуализации применяются автономные
гипервизоры, гипервизоры на основе базовой операционной системы и
гибридного гипервизора. Также применяют микрогипервизоры, такие как
NOVA, OKL4, Codezero.
4. Среди методов исследования систем виртуализации следует
выделить методы моделирования, включающие в свой состав методы
имитационного, распределенного моделирования и моделирования с
применением вычислительной техники.
31
5. Для исследования систем виртуализации своей распространения
получили технологии анализа и оценки информационных рисков,
основанные на экспертной оценке, методах анкетирования, интервью и
анализа документов.
6. 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.
6. В качестве инструментов для исследования систем виртуализации
применяются различные эмуляторы, такие как QUMU, KVM, Palacios и
OpenVZ.
7. В настоящее время для исследования виртуальных сред свое
распространение получило гибридное моделирование в среде Grid/Cloud
System, позволяющей проводить имитационное аналитическое
моделирование систем виртуализации в интерактивном режиме с
последующей визуализацией полученных данных.