Гіпервізор першого типу називають ще мікроядром, тонким гіпервізором, автономним гіпервізором, що виконується на «голому залізі». Гіпервізор першого типу найпростіше сприймати як специфічну компактну операційну систему, яка встановлюється прямо на залізо (bare-metal server) і має основні ознаки ОС:
- замість невпорядкованого набору апаратного забезпечення надає абстрактний набір ресурсів для прикладних програм (так званий, «погляд зверху»);
- управляє набором ресурсів – розподіляє процесорний час, пам'ять, пристрої вводу-виводу між програмами, які претендують на використання ресурсів комп'ютера (так званий, «погляд знизу»).
Він надає гостьовим ОС, запущеним під його керуванням на верхньому рівні, абстракцію, тобто службу віртуальної машини. У результаті кожна гостьова операційна система отримує собі від гіпервізора ілюзію повноправного розпорядження всіма «нижчими» ресурсами комп'ютера – аналогічно тому, якби ОС працювала на реальному устаткуванні в привілейованому режимі ядра, режимі супервізора.
Принцип роботи гіпервізора 1 типу
Супервізор – центральний модуль, що управляє, ядро операційної системи. Може складатися з кількох частин: супервізора програм, диспетчера завдань, супервізора вводу-виводу та інших.
Більшість сучасних процесорів Intel і AMD для десктопів і серверів на апаратному рівні підтримує технологію віртуалізації та поділ роботи ОС на два рівні привілеїв: режим ядра (привілейований) та режим користувача. При цьому повноваження прикладної програми управління ресурсами комп'ютера істотно урізані.
У ПЗ гіпервізора першого типу є дуже важлива особливість – розмір коду на два порядки (тобто в сотні разів) менше, ніж у більшості сучасних операційних систем. Це забезпечує так само меншу кількість можливих помилок, що призводять до зависання всієї системи. Збій у роботі ОС на одній із віртуальних машин користувача не повинен вплинути на роботу всіх сусідніх машин на тому самому фізичному обладнанні.
Однією з найважливіших вимог до гіпервізору є безпека, оскільки гіпервізор отримує повне управління апаратними ресурсами комп'ютера, на яких виконується віртуалізація. Отже, завдання гіпервізора – виконувати машинні інструкції безпечним чином, не дозволяючи гостьовій ОС:
- блокувати переривання;
- модифікувати таблиці відображення сторінок віртуальної пам'яті на фізичну для комп'ютера;
- змінювати дані в осередках пам'яті, виділених інших запущених процесів (крім випадків, коли це заздалегідь передбачено логікою роботи, обміну даними між ними).
Системні виклики також перехоплюються та виконуються всередині гіпервізора, але з боку кожної гостьової ОС все виглядає так, як має бути при звичайному виконанні інструкцій у її режимі ядра. Іншими словами, гіпервізор створює «ілюзію» для гостьової операційної системи, що її код виконується хостом на рівні заліза, у привілейованому режимі, хоча де-факто вона функціонує в режимі користувача. Якщо відбудеться крах однієї з гостьових систем, робота решти триватиме.
Гіпервізор виявляється єдиним програмним забезпеченням, яке запущене в режимі максимальних привілеїв. Така властивість гіпервізора називається еквівалентністю – поведінка програм користувача не відрізняється під час роботи на віртуальній машині та на фізичному обладнанні за винятком тимчасових характеристик.
При цьому час виконання коду суттєво відрізняється – гіпервізор забирає частину процесорного часу для своїх потреб та перехоплення й аналізу інструкцій гостьової ОС, а також емуляції виконання деяких із них. Крім того, ресурси фізичного обладнання зазвичай розділені між декількома віртуальними машинами і кожна з них отримує на вимогу лише частину процесорного часу. Однак цього достатньо для повноцінної роботи більшості процесів, оскільки не всі вони постійно і рівномірно завантажені. Частина може простоювати в очікуванні дій користувача або завершення роботи повільного периферійного устаткування. Цей час ефективно використовується, оскільки система перерозподіляє його для інших активних процесів у багатозадачному режимі.
До першого типу гіпервізорів можна віднести Xen, VMware ESXi, Hyper-V та низку інших.
Xen (Xenserver, Citrix Hypervisor)
Тонкий гіпервізор Xen був розроблений у рамках дослідницького проекту лабораторії Кембриджського університету, і в 2003 році компанією XenSource випущено перший публічний реліз. Із 2007 року XenSource поглинена Citrix, внаслідок чого частина продуктів отримала нові назви. Xen являє собою кросплатформенний гіпервізор, що підтримує апаратну віртуалізацію та паравіртуалізацію. Містить мінімальний обсяг коду, оскільки більшість компонентів винесено за межі гипервизора. Xen – гіпервізор із повністю відкритим кодом ліцензії GNU GPL 2, що дає необмежені можливості модифікувати продукт. За рахунок підтримки паравіртуалізації та апаратної віртуалізації Xen відносять також до гібридного типу гіпервізорів.
VMWARE ESXI
Автономний гіпервізор VMware ESXi – це рішення для віртуалізації класу Enterprise, розроблене компанією VMware. Як і в інших продуктів VMware, ESXi доступний у безкоштовній версії, з обмеженим функціоналом, і платною – з розширеними можливостями, наприклад централізоване управління всіма віртуальними машинами на всіх хостах проекту за допомогою платформи vCenter. Але навіть безкоштовна версія гіпервізора успішно реалізує обов'язкові функції гіпервізора. Користувачі відзначають високу стабільність продукту, простоту в адмініструванні, мінімальний код, широкий спектр гостьових систем, що підтримуються, – основні версії ОС, які використовуються в корпоративному секторі.
HYPER-V
Системне рішення Microsoft для апаратної віртуалізації призначене для x64-систем. Існує у двох варіантах – як роль у серверних ОС сімейства Windows (Windows Server 2008, Windows Server 2012 та ін., а також у x64-бітній Pro- та Enterprise-версії систем Windows 8, Windows 8.1, Windows 10) та у вигляді окремого продукту Microsoft Hyper-V Server. Багато з тих, хто звик працювати з Microsoft, вважають Hyper-V найзручнішим і найбільш юзабільним рішенням, якщо мова заходить про віртуалізацію. До речі, хмара Azure повністю побудована на нативних продуктах корпорації MS.
Схема роботи віртуальної машини
Принцип роботи гіпервізорів 2 типу
