CC BY
38УДК 378.16
ТЕХНОЛОГИЯ ВИРТУАЛИЗАЦИИ КАК СРЕДСТВО ПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ
В. С. Тынченко1, Я. А. Тынченко2
1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-шаП: vadimond@mail.ru
2Московский государственный университет экономики, статистики и информатики, Красноярский филиал Российская Федерация, 660093, г. Красноярск, ул. Семафорная, 123 Е-шаП: yatynchenko@mesi.ru
Описывается проблема подготовки студентов информационных специальностей дисциплинам, в рамках которых необходимо проводить обучение системному программному обеспечению. Предлагается использование технологии виртуализации системы. Описываются достоинства программного и аппаратного подхода к виртуализации и проводится их сравнение.
Ключевые слова: обучение, системное программное обеспечение, виртуализация.
VIRTUALIZATION TECHNOLOGY FOR STUDENT TRAINING
V. S. Tynchenko1, Ya. A. Tynchenko2
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation E-mail: vadimond@mail.ru 2Moscow State University of Economics, Statistics and Informatics, Krasnoyarsk branch 123, Semafornaya str., Krasnoyarsk, 660093, Russian Federation Е-mail: yatynchenko@mesi.ru
The information speciality students training problem is discussed. It is necessary to provide training at the field of system software. The usage of system virtualization technology is suggested. The software and hardware approaches are compared and their advantages are described.
Keywords: students training, system software, virtualization.
В настоящее время процесс подготовки студентов информационных специальностей невозможно представить без дисциплин, изучающих системное программное обеспечение и его возможности. При этом значительную помощь преподавателям и студентам может оказать виртуализация системы: программная или аппаратная.
В рамках программной виртуализации под виртуальной машиной понимается программная среда, позволяющая запускать на компьютере одновременно несколько разных операционных систем (ОС) и переключаться из одной ОС в другую без перезапуска компьютера. Виртуальная машина в точности эмулирует работу полноценного компьютера.
Среди средств для создания виртуальных машин наиболее популярны программы Virtual PC, VirtualBox, VMware. Установленную на виртуальную машину операционную систему можно запустить в отдельном окне. На одном персональном компьютере можно осуществить работу нескольких виртуальных систем.
Системные требования приложений виртуальных машин к аппаратному и программному обеспечению компьютера, на котором будет работать приложение виртуальной машины, определяются:
а) операционной системой компьютера;
б) эмулируемым аппаратным обеспечением (процессор, память и т. д.);
в) устанавливаемой гостевой операционной системой.
Рассмотрим подробнее возможности, предоставляемые системами виртуальных машин:
- использование заданной аппаратной конфигурации при проверке работоспособности приложений в определенных условиях при отработке навыков тестирования разработанных студентами программ, грамотного представления полученных результатов, инсталляции и отладки программ, а также настройки технических средств для ввода информационных систем в опытную эксплуатацию;
- возможность создания виртуальных 8С81-дисков, многоядерных процессоров, что будет полезным при создании различного рода симуляций в процессе изучения архитектуры компьютера;
- создание виртуальных сетей между несколькими системами на одном физическом компьютере при моделировании распределенных систем, что позволит студентам получить навыки работы с локальными и глобальными сетями;
- создание готовых к использованию виртуальных машин с различными гостевыми операционными сис-
Инновационные образовательные технологии в вузе
темами, что позволит студентам получить навыки глубокой работы с современным системным программным обеспечением;
- моделирование работы серверных операционных систем и виртуальных компьютерных сетей, вырабатывая навыки их администрирования;
- использование виртуальных машин в качестве испытуемых систем для приложений или компонентов, вызывающих сомнения в их надежности, без опасности повредить жизненно важные компоненты реальной системы;
- создание виртуальных машин, ограниченных политиками безопасности, вырабатывая навыки их использования;
- экономия средств на приобретение дополнительного аппаратного обеспечения при создании учебных студенческих лабораторий.
Кроме вышеперечисленных достоинств программная виртуализация обладает и рядом недостатков:
- невозможность эмуляции всех устройств. В случае если устройства аппаратной платформы не поддерживаются системой программной виртуализации, то придется отказаться от виртуализации такого окружения;
- в настоящее время использование различных техник программной виртуализации позволило приблизить показатели быстродействия виртуальных машин к реальным, однако для запуска нескольких виртуальных машин требуются дополнительные аппаратные ресурсы.
Далее рассмотрим технику аппаратной виртуализации. Аппаратная виртуализация позволяет запускать несколько независимых виртуальных машин в соответствующих разделах аппаратного пространства компьютера. Аппаратная виртуализация является логическим продолжением эволюции уровней абстрагирования программных платформ - от многозадачности до уровня виртуализации.
Аппаратная виртуализация представляет собой эмуляцию нескольких виртуальных процессоров для каждой из гостевых операционных систем (рис. 1).
При этом технология виртуального Symmetric Multi Processing (SMP) позволяет представлять несколько виртуальных процессоров в гостевой ОС при наличии технологии HyperThreading (рис. 2) или нескольких ядер в физическом процессоре.
Для поддержки аппаратной виртуализации производители процессоров несколько изменили их архитектуру за счет введения дополнительных инструкций для предоставления прямого доступа к ресурсам процессора из гостевых систем. Этот набор дополнительных инструкций носит название Virtual Machine Extensions (VMX).
Процессор с поддержкой виртуализации может работать в двух режимах «root operation» и «non-root operation».
В режиме «root operation» работает специальное программное обеспечение, являющееся «легковесной» прослойкой между гостевыми операционными системами и оборудованием - монитор виртуальных машин, носящий также название гипервизор (рис. 3).
f N Виртуальный CPU 1 Виртуальный CPU 2 Виртуальный CPU 3
/ s Операционная система 1 Операционная система 2 Операционная система 3
■ f г
(Ч с _ <ч а ГО с
V и щ Ц Ц <в <0 а и
К К К К К К К К К
И м а: И И я И И аз
щ и и щ о <ч <L> щ и
К К К £ * * К К
о о • * ■ о о о • • • о О о • • ■ о
g g g § § g g g g
ft ft ft ft ft ft ft ft ft
С К С И И С а С С
Рис. 1. Схема аппаратной виртуализации
Рис. 2. Технология HyperThreading
Рис. 3. Режим работы аппаратной виртуализации
Для перевода процессора в режим виртуализации используется инструкция УМХОМ, а инструкция УМХОРР - для выхода из него. Для запуска и приостановки работы гостевой операционной системы используются, соответственно, инструкции УМЪАШСН и УМ^иМБ.
Каждая из гостевых операционных систем запускается и работает независимо от других и является изолированной с точки зрения аппаратных ресурсов и безопасности.
В отличие от программной техники, с помощью аппаратной виртуализации возможно получение изолированных гостевых систем, управляемых гиперви-зором напрямую. Такой подход может обеспечить простоту реализации платформы виртуализации и увеличить надежность платформы с несколькими одновременно запущенными гостевыми системами, при этом нет потерь производительности на обслуживание основной системы. Такая модель позволит приблизить производительность гостевых систем к реальным и сократить затраты производительности на поддержание всей платформы.
Технология аппаратной виртуализации имеет некоторые неоспоримые преимущества перед программной:
- упрощение разработки платформ виртуализации за счет предоставления аппаратных интерфейсов управления и поддержки виртуальных гостевых систем;
- возможность увеличения быстродействия платформ виртуализации за счет прямого использования небольшого промежуточного слоя программного обеспечения (гипервизора) при управлении гостевыми виртуальными системами;
- возможность независимого запуска нескольких виртуальных платформ с возможностью переключения между ними на аппаратном уровне, при этом каждая виртуальная машина работает в своем пространстве аппаратных ресурсов, что позволит устранить потери быстродействия на поддержание основной платформы, а также увеличить защищенность виртуальных машин за счет их полной изоляции.
Однако аппаратная виртуализация потенциально несет в себе не только положительные моменты. Возможность управления гостевыми системами посредством гипервизора и простота написания платформы виртуализации с использованием аппаратных техник дают возможность разрабатывать вредонос-
ное программное обеспечение, которое после получения контроля над основной операционной системой, виртуализует ее и осуществляет все действия за ее пределами.
Однако, современное антивирусное обеспечение имеет все возможности обнаружить факт заражения, а, следовательно, пропадает и смысл разрабатывать столь ресурсоемкое и сложное вредоносное программное обеспечение, учитывая наличие более простых способов вторжения.
Таким образом, несмотря на перечисленные и вполне устранимые недостатки, оба метода виртуализации являются отличным инструментом при обучении студентов системному программному обеспечению и его возможностям, а также для формирования необходимых умений и навыков будущему специалисту.
Библиографические ссылки
1. Диттнер Р., Мейджорз К., Селдам М., Гротени-ус Т., Рул Д., Грин Дж. Виртуализация и Micrisoft Virtual Server 2005. М. : Бином-Пресс, 2012. 432 с.
2. Затуранов М. Построение сетевых информационных систем на основе принципа виртуализации. М. : Синергия, 2011. 185 с.
3. Ларсон Р., Карбон Ж. Платформа виртуализации Hyper-V. Ресурсы Windows Server 2008. СПб. : БХВ-Петербург, 2009. 800 с.
4. Михеев М. Администрирование VMware vSphere 5.0 + Администрирование VMware vSphere 4.1. М. : ДМК Пресс, 2013. 287 с.
References
1. Dittner R., Maijors K, Seldam М., Grotenicus T., Rule D., Green J. Virtualizatsija i Micrisoft Virtual Server 2005. М. : Binom-Press, 2012. 432 p.
2. Zaturanov М. Postroenie setevyh informacionnyh sistem na osnove printsipa virtualizatsii. М. : Sinergia, 2011. 185 p.
3. Larson R., Carbon Zh. Platforma virtualizatsii Hyper-V. Resursy Windows Server 2008. SPb. : BVH-Petersbourgh, 2009. 800 p.
4. Miheev М. Administrirovaniye VMware vSphere 5.0 + Administrirovaniye VMware vSphere 4.1. М. : DMK Press, 2013. 287 p.
© TbirneHKO B. C., TbrnneHKO A., 2014
