3. Что такое виртуальная машина? для каких целей она может служить? какие типа виртуальных машин бывают? приведите примеры виртуальных машин и их ключевые характеристики.

Виртуальная машина (ВМ, от англ. virtual machine) —

программная и/или аппаратная система, эмулирующая аппаратное обеспечение некоторой платформы и исполняющая программы для этой платформы (target — целевая или гостевая платформа) на другой платформе (host — хост-платформа, платформа-хозяин)

или виртуализирующая некоторую платформу и создающая на ней среды, изолирующие друг от друга программы и даже операционные системы (см.: песочница);

также, спецификация некоторой вычислительной среды (например: «виртуальная машина языка программирования Си»).

Виртуальная машина исполняет некоторый машинно-независимый код (например, байт-код, шитый код, p-код) или машинный код реального процессора. Помимо процессора, ВМ может эмулировать работу как отдельных компонент аппаратного обеспечения, так и целого реального компьютера (включая BIOS, оперативную память, жёсткий диск и другие периферийные устройства). В последнем случае в ВМ, как и на реальный компьютер, можно устанавливать операционные системы (например, Windows можно запускать в виртуальной машине под Linux или наоборот). На одном компьютере может функционировать несколько виртуальных машин (это может использоваться для имитации нескольких серверов на одном реальном сервере с целью оптимизации использования ресурсов сервера).

Теория

Концепция виртуальной машины как совокупности ресурсов, которые эмулируют поведение реальной машины, появилась в Кембридже в конце 1960-х годов как расширение концепции виртуальной памяти манчестерской вычислительной машины Atlas (англ.).[1] В целом вычислительный процесс определяется в рамках этой концепции содержимым того рабочего пространства памяти, к которому он имеет доступ. При условии, что конкретная ситуация в этом рабочем пространстве соответствует ожидаемой, процесс не имеет никаких средств для определения того, является ли представленный ему ресурс действительно физическим ресурсом этого типа, или же он имитируется действиями других ресурсов, которые приводят к аналогичным изменениям содержимого рабочего пространства процесса.

Например, процесс не может определить, монопольно ли он использует процессор или же в режиме мультипрограммирования вместе с другими процессами. В виртуальной машине ни один процесс не может монопольно использовать никакой ресурс, и все системные ресурсы считаются ресурсами потенциально совместного использования. Кроме того, использование виртуальных машин обеспечивает развязку между несколькими пользователями, работающими в одной вычислительной системе, обеспечивая определённый уровень защиты данных.

Идея виртуальной машины лежит в основе целого ряда операционных систем, в частности, IBM VM/CMS (и её советского клона СВМ) и DEC VAX/VMS.

Виртуальные машины могут использоваться для:

1. защиты информации и ограничения возможностей программ (см.: песочница);

2. исследования производительности ПО или новой компьютерной архитектуры;

3. эмуляции различных архитектур (например, эмулятор игровой приставки);

4. оптимизации использования ресурсов мейнфреймов и прочих мощных компьютеров (см., например: IBM eServer);

5. вредоносного кода для управления инфицированной системой: вирус PMBS, обнаруженный в 1993 году, а также руткит SubVirt, созданный в 2006 году в Microsoft Research, создавали виртуальную систему, которой ограничивался пользователь и все защитные программы (антивирусы и прочие).[2]

6. моделирования информационных систем с клиент-серверной архитектурой на одной ЭВМ (эмуляция компьютерной сети с помощью нескольких виртуальных машин).

7. упрощения управления кластерами — виртуальные машины могут просто мигрировать с одной физической машины на другую во время работы.

Типы виртуальных машин: system и process

System virtual machines

See also: Hardware virtualization and Comparison of platform virtual machines

System virtual machines (sometimes called hardware virtual machines) allow the sharing of the underlying physical machine resources between different virtual machines, each running its own operating system. The software layer providing the virtualization is called a virtual machine monitor or hypervisor. A hypervisor can run on bare hardware (Type 1 or native VM) or on top of an operating system (Type 2 or hosted VM).

The main advantages of VMs are:

multiple OS environments can co-exist on the same computer, in strong isolation from each other

the virtual machine can provide an instruction set architecture (ISA) that is somewhat different from that of the real machine

application provisioning, maintenance, high availability and disaster recovery[2]

The main disadvantages of VMs are:

a virtual machine is less efficient than a real machine when it accesses the hardware indirectly

when multiple VMs are concurrently running on the same physical host, each VM may exhibit a varying and unstable performance (Speed of Execution, and not results) , which highly depends on the workload imposed on the system by other VMs, unless proper techniques are used for temporal isolation among virtual machines.

Multiple VMs each running their own operating system (called guest operating system) are frequently used in server consolidation, where different services that used to run on individual machines in order to avoid interference are instead run in separate VMs on the same physical machine.

The desire to run multiple operating systems was the original motivation for virtual machines, as it allowed time-sharing a single computer between several single-tasking OSes. In some respects, a system virtual machine can be considered a generalization of the concept of virtual memory that historically preceded it. IBM's CP/CMS, the first systems to allow full virtualization, implemented time sharing by providing each user with a single-user operating system, the CMS. Unlike virtual memory, a system virtual machine allowed the user to use privileged instructions in their code. This approach had certain advantages, for instance it allowed users to add input/output devices not allowed by the standard system.[3]

The guest OSes do not have to be all the same, making it possible to run different OSes on the same computer (e.g., Microsoft Windows and Linux, or older versions of an OS in order to support software that has not yet been ported to the latest version). The use of virtual machines to support different guest OSes is becoming popular in embedded systems; a typical use is to support a real-time operating system at the same time as a high-level OS such as Linux or Windows.

Another use is to sandbox an OS that is not trusted, possibly because it is a system under development. Virtual machines have other advantages for OS development, including better debugging access and faster reboots.[4]

[edit]

Process virtual machines

See also: Application virtualization, Run-time system, and Comparison of application virtual machines

A process VM, sometimes called an application virtual machine, runs as a normal application inside an OS and supports a single process. It is created when that process is started and destroyed when it exits. Its purpose is to provide a platform-independent programming environment that abstracts away details of the underlying hardware or operating system, and allows a program to execute in the same way on any platform.

A process VM provides a high-level abstraction — that of a high-level programming language (compared to the low-level ISA abstraction of the system VM). Process VMs are implemented using an interpreter; performance comparable to compiled programming languages is achieved by the use of just-in-time compilation.

This type of VM has become popular with the Java programming language, which is implemented using the Java virtual machine. Other examples include the Parrot virtual machine, which serves as an abstraction layer for several interpreted languages, and the .NET Framework, which runs on a VM called the Common Language Runtime.

A special case of process VMs are systems that abstract over the communication mechanisms of a (potentially heterogeneous) computer cluster. Such a VM does not consist of a single process, but one process per physical machine in the cluster. They are designed to ease the task of programming parallel applications by letting the programmer focus on algorithms rather than the communication mechanisms provided by the interconnect and the OS. They do not hide the fact that communication takes place, and as such do not attempt to present the cluster as a single parallel machine.

Unlike other process VMs, these systems do not provide a specific programming language, but are embedded in an existing language; typically such a system provides bindings for several languages (e.g., C and FORTRAN). Examples are PVM (Parallel Virtual Machine) and MPI (Message Passing Interface). They are not strictly virtual machines, as the applications running on top still have access to all OS services, and are therefore not confined to the system model provided by the "VM".

Известные примеры

Java Virtual Machine

COMMON Language Runtime

VirtualBox

Программный продукт виртуализации для операционных систем Microsoft Windows, DOS, GNU/Linux, Mac OS X и SUN Solaris/OpenSolaris. полнофункциональная версия для личного использования распространяется бесплатно.

К ключевым возможностям VirtualBox можно отнести:

• Кроссплатформенность

• Модульность

• Поддержка USB 2.0, когда устройства хост-машины становятся доступными для гостевых ОС (только в проприетарной версии)

• Поддержка 64-битных гостевых систем (только на 64-битных хост-системах)

• Встроенный RDP-сервер, а также поддержка клиентских USB-устройств поверх протокола RDP (только в проприетарной версии)

• Экспериментальная поддержка образов жестких дисков VMDK/VMware

• Поддержка iSCSI (только в проприетарной версии)

• Поддержка виртуализации аудиоустройств

• Поддержка различных видов сетевого взаимодействия (NAT, Host Networking via Bridged, Internal)

• Поддержка дерева сохраненных состояний виртуальной машины (snapshots), к которым может быть произведен откат из любого состояния гостевой системы

• Поддержка Shared Folders для простого обмена файлами между хостовой и гостевой системами