Ảo hóa phần cứng là gì? Cách thức hoạt động của Ảo Hóa Phần Cứng như thế nào?

Ảo hóa phần cứng là được cho là phần cốt lõi trong công nghệ ảo hóa, giúp nhiều máy ảo chia sẻ tài nguyên phần cứng vật lý trên cùng một máy chủ một cách hiệu quả. Đây là cơ sở để chạy các môi trường ảo hóa như VMware vSphere, ESXi, hay Workstation.

Dưới bài chia sẻ này MIXCLOUD cùng bạn tìm hiểu sâu hơn về Ảo Hóa Phần Cứng là gì? cách hoạt động của ảo hóa phần cứng, máy chủ VPS có hỗ trợ ảo hóa phần cứng. 

Ảo hóa phần cứng là gì? 

Ảo hóa phần cứng là việc sử dụng phần mềm (như hypervisor) để trừu tượng hóa tài nguyên phần cứng vật lý, tạo ra các máy ảo hoạt động độc lập. Máy ảo có thể sử dụng CPU, RAM, ổ cứng, và các thiết bị ngoại vi như thể chúng là tài nguyên riêng biệt, trong khi thực tế chúng chia sẻ cùng một bộ tài nguyên vật lý bên trong máy chủ.

Trong môi trường vật lý truyền thống, phần mềm như hệ điều hành (HĐH) hoặc ứng dụng có quyền truy cập trực tiếp vào phần cứng và thành phần máy tính cơ bản, bao gồm bộ xử lý, bộ nhớ, bộ lưu trữ, một số chipset và phiên bản trình điều khiển hệ điều hành.

Ảo Hóa Phần Cứng hoạt động như thế nào?

Ảo hóa phần cứng hoạt động thông qua một lớp phần mềm trung gian gọi là trình ảo hóa (Hypervisor) hoặc trình quản lý máy ảo (VMM – Virtual Machine Manager). Đây là quá trình tạo ra một môi trường trừu tượng logic, cho phép nhiều máy ảo (VM) chạy đồng thời trên cùng một máy chủ vật lý. Các bước cơ bản trong hoạt động của ảo hóa phần cứng bao gồm:

Vai trò của trình ảo hóa

Trình ảo hóa chịu trách nhiệm phân tách và quản lý tài nguyên phần cứng, bao gồm CPU, RAM, ổ đĩa, và thiết bị mạng. Nó chia sẻ tài nguyên vật lý này để cung cấp cho các máy ảo mà không ảnh hưởng lẫn nhau.
Có hai loại trình ảo hóa chính:

• Type 1 (Bare-metal): Cài đặt trực tiếp trên phần cứng, ví dụ: VMware ESXi, Microsoft Hyper-V.
• Type 2 (Hosted): Chạy trên một hệ điều hành, ví dụ: VMware Workstation, Oracle VirtualBox.

Quá trình ảo hóa phần cứng

Tạo lớp trừu tượng logic: Trình ảo hóa tạo một lớp trừu tượng giữa phần mềm (máy ảo và ứng dụng) và phần cứng vật lý. Lớp trừu tượng này đại diện cho các thành phần ảo như bộ xử lý ảo (vCPU), bộ nhớ ảo (vRAM), ổ cứng ảo (vDisk), và card mạng ảo (vNIC).

Chuyển đổi lệnh từ máy ảo sang phần cứng: Khi máy ảo thực hiện một tác vụ (ví dụ, xử lý dữ liệu), trình ảo hóa sẽ chuyển đổi các lệnh từ hệ điều hành ảo sang phần cứng vật lý, nhờ vào công nghệ hỗ trợ ảo hóa như:

Intel VT-x hoặc AMD-V: Cung cấp cơ chế trực tiếp để máy ảo giao tiếp với phần cứng.

I/O MMU (Input/Output Memory Management Unit): Quản lý việc truyền dữ liệu giữa máy ảo và thiết bị ngoại vi.

Cách ly và quản lý tài nguyên: Mỗi máy ảo hoạt động như một hệ thống độc lập, được cách ly với các máy ảo khác. Điều này đảm bảo:

Tài nguyên được phân bổ hiệu quả, Sự cố từ một máy ảo không ảnh hưởng đến các máy khác.

Các thành phần được ảo hóa

• CPU (Central Processing Unit): Mỗi máy ảo được gán một hoặc nhiều vCPU. Trình ảo hóa quản lý và phân phối thời gian xử lý CPU vật lý cho từng vCPU.
• RAM (Random Access Memory): Bộ nhớ vật lý được chia sẻ hoặc phân bổ cho từng máy ảo. Trình ảo hóa có thể sử dụng kỹ thuật như memory ballooning để tối ưu hóa.
• Ổ cứng (Storage): Máy ảo sử dụng ổ đĩa ảo (Virtual Disk). Trình ảo hóa có thể quản lý lưu trữ qua các kỹ thuật như thin provisioning để tiết kiệm không gian.
• Thiết bị mạng (Networking): Tạo các card mạng ảo (vNIC) kết nối máy ảo với mạng vật lý hoặc mạng ảo nội bộ.

Công nghệ hỗ trợ ảo hóa phần cứng

Các CPU hiện đại tích hợp các tính năng hỗ trợ ảo hóa giúp trình ảo hóa hoạt động hiệu quả hơn: Intel VT-x: Cải thiện hiệu năng bằng cách giảm chi phí chuyển đổi giữa máy ảo và phần cứng. AMD-V: Tăng tốc độ xử lý các lệnh ảo hóa. SR-IOV (Single Root I/O Virtualization): Cho phép chia sẻ hiệu quả các thiết bị I/O giữa các máy ảo.

Các loại ảo hóa phần cứng

Tồn tại nhiều loại ảo hóa phần cứng, với các quy trình bao gồm ảo hóa hoàn toàn, ảo hóa song song và ảo hóa được hỗ trợ bằng phần cứng.

Ảo hóa hoàn toàn (Full Virtualization):

Mô phỏng hoàn toàn phần cứng để cho phép hệ điều hành khách chạy trong một phiên bản biệt lập. Trong một phiên bản được ảo hóa hoàn toàn, một ứng dụng sẽ chạy trên hệ điều hành khách, hệ điều hành này sẽ hoạt động trên bộ ảo hóa và cuối cùng là hệ điều hành và phần cứng máy chủ. 

Ảo hóa hoàn toàn tạo ra một môi trường tương tự như một hệ điều hành hoạt động trên một máy chủ riêng lẻ. Việc sử dụng ảo hóa hoàn toàn cho phép quản trị viên chạy một môi trường ảo không thay đổi so với đối tác vật lý của nó. Ví dụ: phương pháp ảo hóa hoàn toàn đã được sử dụng cho CP-40 và CP-67 của IBM.

Các ví dụ khác về hệ thống ảo hóa hoàn toàn bao gồm Oracle VM và ESXi. Ảo hóa hoàn toàn cho phép quản trị viên kết hợp cả hệ thống hiện có và hệ thống mới tuy nhiên, mỗi tính năng mà phần cứng có cũng phải xuất hiện trong mỗi VM để quá trình được coi là ảo hóa hoàn toàn. Điều này có nghĩa, để tích hợp các hệ thống cũ hơn, phần cứng phải được nâng cấp để phù hợp với các hệ thống mới hơn.

Ảo hóa song song (Paravirtualization): 

Ảo hóa song song là một phương pháp ảo hóa trong đó hệ điều hành khách được sửa đổi để nhận biết rằng nó đang chạy trong môi trường ảo hóa thay vì trên phần cứng vật lý thực tế. Thay vì mô phỏng toàn bộ phần cứng, ảo hóa song song sử dụng các giao diện chương trình ứng dụng (API) để cho phép máy ảo giao tiếp trực tiếp với trình quản lý máy ảo (VMM – Virtual Machine Manager).

Hệ điều hành khách được thay đổi bằng cách thay thế một số phần mã nguồn gốc bằng các lệnh gọi API VMM, sau đó được biên dịch lại. Điều này giúp cải thiện hiệu suất do giảm bớt chi phí mô phỏng phần cứng, tuy nhiên đòi hỏi mã nguồn của hệ điều hành khách phải có thể truy cập được, nên thường chỉ áp dụng với các hệ điều hành mã nguồn mở như Linux.

Ảo hóa được hỗ trợ bằng phần cứng (Hardware-assisted Virtualization): 

Sử dụng phần cứng của máy tính làm hỗ trợ kiến ​​trúc để xây dựng và quản lý máy ảo được ảo hóa hoàn toàn. Ảo hóa được hỗ trợ bằng phần cứng được IBM giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1972 với IBM System/370. Việc tạo VMM trong phần mềm gây ra chi phí đáng kể cho hệ thống máy chủ.

Các nhà thiết kế sớm nhận ra rằng các chức năng ảo hóa có thể được triển khai hiệu quả hơn nhiều trong phần cứng thay vì phần mềm, thúc đẩy sự phát triển các bộ lệnh mở rộng cho bộ xử lý Intel và AMD, chẳng hạn như phần mở rộng Intel VT và AMD-V.

Vì vậy, trình ảo hóa có thể chỉ cần thực hiện lệnh gọi đến bộ xử lý, sau đó bộ xử lý này sẽ thực hiện công việc nặng nhọc là tạo và duy trì máy ảo. Chi phí hoạt động của hệ thống giảm đáng kể, cho phép hệ thống máy chủ lưu trữ nhiều máy ảo hơn và cung cấp hiệu suất máy ảo cao hơn cho khối lượng công việc đòi hỏi khắt khe hơn.

Ảo hóa phần cứng so với ảo hóa hệ điều hành

Ảo hóa hệ điều hành (OS virtualization) thực hiện ảo hóa phần cứng ở cấp độ hệ điều hành để tạo ra nhiều phiên bản ảo hóa độc lập chạy trên một hệ thống duy nhất. Quá trình này được thực hiện mà không cần sử dụng Hypervisor. Điều này khả thi vì ảo hóa hệ điều hành cho phép hệ điều hành khách sử dụng cùng hệ điều hành đang chạy trên hệ thống chủ.

Ảo hóa hệ điều hành sử dụng hệ điều hành chủ làm nền tảng cho tất cả các máy ảo độc lập trong một hệ thống. Quá trình này loại bỏ nhu cầu mô phỏng driver.

Điều này dẫn đến hiệu suất tốt hơn và khả năng chạy nhiều máy cùng lúc. Tuy nhiên, tốc độ LAN được khuyến nghị chỉ lên đến 100 Mb, và không phải tất cả các hệ điều hành, chẳng hạn như một số bản phân phối Linux, đều hỗ trợ ảo hóa phần mềm. Các ví dụ về hệ thống dựa trên ảo hóa hệ điều hành bao gồm Docker, Solaris Containers và Linux-VServer.

Nhà cung cấp và sản phẩm ảo hóa phần cứng

Các nhà cung cấp và sản phẩm ảo hóa phần cứng bao gồm VMware ESXi, Microsoft Hyper-V và Xen.

VMware ESXi

Một Hypervisor được thiết kế để ảo hóa phần cứng. ESXi cài đặt trực tiếp lên máy chủ và có quyền kiểm soát trực tiếp các tài nguyên cơ bản của máy. ESXi sẽ chạy mà không cần hệ điều hành và có kernel riêng. ESXi là phiên bản nhỏ gọn và hiện được ưa chuộng của ESX của VMware. ESXi nhỏ hơn và không chứa bảng điều khiển dịch vụ ESX.

Microsoft Hyper-V

Một trình ảo hóa được thiết kế để ảo hóa phần cứng trên kiến ​​trúc x86. Hyper-V cô lập các máy ảo trong các phân vùng, trong đó mỗi hệ điều hành khách sẽ thực thi một phân vùng. Các phân vùng hoạt động theo cách phân vùng cha và con. 

Các phân vùng gốc có quyền truy cập trực tiếp vào phần cứng, trong khi các phân vùng con có chế độ xem ảo về tài nguyên hệ thống. Phân vùng gốc tạo phân vùng con bằng API hypercall. Hyper-V có sẵn cho các phiên bản 64-bit của Windows 8 Professional, Enterprise, Education và phiên bản mới hơn.

Xen

Xen là một trình ảo hóa nguồn mở. Xen được bao gồm trong nhân Linux và được quản lý bởi Linux Foundation. Tuy nhiên, Xen chỉ được hỗ trợ bởi một số lượng nhỏ bản phân phối Linux, chẳng hạn như SUSE Linux Enterprise Server. 

Phần mềm hỗ trợ ảo hóa hoàn toàn, ảo hóa song song và ảo hóa được hỗ trợ bằng phần cứng. XenServer là một sản phẩm Xen mã nguồn mở khác để triển khai, lưu trữ và quản lý máy ảo.

Lịch sử ảo hóa phần cứng

Thuật ngữ ảo hóa được tạo ra  vào cuối những năm 1960 đến đầu những năm 1970, xuất phát từ nghiên cứu và phát triển của IBM và MIT về việc sử dụng tài nguyên máy tính dùng chung giữa các nhóm lớn người dùng. IBM bắt đầu nghiên cứu phát triển một hệ thống máy tính lớn mới khi có thông báo rằng MIT đã bắt đầu nghiên cứu Máy tính Đa truy cập (MAC).

Ảo hóa đã trở thành công nghệ tiêu chuẩn với các hệ thống máy tính lớn nhưng không còn được sử dụng khi máy tính lớn nhường chỗ cho máy tính cá nhân và máy khách/máy chủ vào cuối những năm 1970 và đầu những năm 1980. Khi số lượng hệ thống trung tâm dữ liệu riêng lẻ và không được sử dụng đúng mức trở nên khó cấp nguồn và làm mát hiệu quả vào cuối những năm 1990 và đầu những năm 2000. Năm 1997, Virtual PC đầu tiên được bổ sung trên nền tảng Macintosh.

Một năm sau, VMware phát hành VMware Virtual Platform cho kiến ​​trúc A-32. Advanced Micro Devices (AMD) và Virtutech đã phát hành Simics/x86-64 vào năm 2001, hỗ trợ kiến ​​trúc 64-bit cho chip x86. Năm 2003, Đại học Cambridge phát hành bộ ảo hóa x86, Xen.

Năm 2005, Sun Microsystems phát hành Solaris OS, bao gồm Solaris Zones, một sản phẩm đóng gói. Năm 2008, phiên bản beta của Hyper-V của Microsoft đã được phát hành. Vào tháng 3 năm 2013, Docker Inc. đã phát hành sản phẩm đóng gói cùng tên cho nền tảng x86-64.

Tổng Kết

Công nghệ ảo hóa không chỉ đảm bảo hiệu năng vượt trội mà còn hỗ trợ bảo mật và tính ổn định cao cho mọi ứng dụng. Cung cấp giải pháp tối ưu cho nhu cầu lưu trữ, chạy ứng dụng hoặc xử lý dữ liệu đáp ứng mọi yêu cầu khắt khe. 

MIXCLOUD thành công trong việc ứng dụng công nghệ ảo hóa phần cứng qua VMware ESXi. Cung cấp hệ thống máy chủ lưu trữ máy chủ ảo VPS toàn diện cho donah nghiệp và cá nhân tại Việt Nam và toàn thế giới. Giải pháp giúp tiết kiệm, chuyển đổi linh hoạt tùy theo nhu cầu sử dụng. Xem cấu hình và các ứng dụng tại VPS Việt Nam và VPS Châu Âu, VPS Mỹ (USA) tại https://mixcloud.vn/.