Εικονικοποίηση

Στην επιστήμη της πληροφορικής, η εικονικοποίηση (virtualization) είναι ένας ευρύς όρος των υπολογιστικών συστημάτων που αναφέρεται σε έναν μηχανισμό αφαίρεσης, στοχευμένο στην απόκρυψη λεπτομερειών της υλοποίησης και της κατάστασης ορισμένων υπολογιστικών πόρων από πελάτες των πόρων αυτών (π.χ. εφαρμογές, άλλα συστήματα, χρήστες κλπ). Η εν λόγω αφαίρεση μπορεί είτε να αναγκάζει έναν πόρο να συμπεριφέρεται ως πλειάδα πόρων (π.χ. μία συσκευή αποθήκευσης σε διακομιστή τοπικού δικτύου), είτε πολλαπλούς πόρους να συμπεριφέρονται ως ένας (π.χ. συσκευές αποθήκευσης σε κατανεμημένα συστήματα). Η εικονικοποίηση δημιουργεί μία εξωτερική διασύνδεση η οποία αποκρύπτει την υποκείμενη υλοποίηση (π.χ. πολυπλέκοντας την πρόσβαση από διαφορετικούς χρήστες). Αυτή η προσέγγιση στην εικονικοποίηση αναφέρεται ως εικονικοποίηση πόρων. Μία άλλη προσέγγιση, ίδιας όμως νοοτροπίας, είναι η εικονικοποίηση πλατφόρμας, όπου η αφαίρεση που επιτελείται προσομοιώνει ολόκληρους υπολογιστές. Το αντίθετο της εικονικοποίησης είναι η διαφάνεια: ένας εικονικός πόρος είναι ορατός, αντιληπτός, αλλά στην πραγματικότητα ανύπαρκτος, ενώ ένας διαφανής πόρος είναι υπαρκτός αλλά αόρατος.

Οι παράγοντες που συμμετέχουν
Σε ένα εικονικοποιημένο σύστημα συμμετέχουν τρεις παράγοντες: ο πελάτης μιας υπηρεσίας, ο παροχέας της υπηρεσίας και ένας ενδιάμεσος. Ο πελάτης και ο παροχέας αλληλεπιδρούν μέσω μίας πρότυπης διασύνδεσης, τις κλήσεις προς την οποία όμως αναχαιτίζει ο ενδιάμεσος. Ο τελευταίος επιτελεί την εικονικοποίηση λειτουργώντας ως παροχέας για τον πελάτη και ως πελάτης για τον παροχέα. Ένα παράδειγμα είναι ο μηχανισμός εικονικής μνήμης των σύγχρονων λειτουργικών συστημάτων, όπου ο διαχειριστής εικονικής μνήμης (ο ενδιάμεσος) παρεμβάλλεται μεταξύ ενός πραγματικού χώρου διευθύνσεων (παροχέας) και ενός εικονικού που γίνεται αντιληπτός από κάθε διεργασία (πελάτης). Ο ενδιάμεσος παρέχει την ψευδαίσθηση πολλών ισομεγέθων χώρων διευθύνσεων (ένας για κάθε διεργασία), ενώ στην πραγματικότητα υπάρχει μόνο ένας συνολικά (η πραγματική μνήμη). Ο πελάτης και ο παροχέας δεν γνωρίζουν τίποτα για την εικονικοποίηση και τη μεσολάβηση του ενδιάμεσου.

Εικoνικοποίηση Πλατφόρμας
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η εικονικοποίηση πλατφόρμας, όπου ένα λογισμικό ελέγχου («επόπτης» ή hypervisor) εκτελούμενο σε πραγματικό υλικό προσομοιώνει ένα υπολογιστικό περιβάλλον, μία «εικονική μηχανή», επάνω από το οποίο μπορεί να τρέξει κάποιο φιλοξενούμενο λογισμικό (συνήθως ένας πλήρης πυρήνας), απομονωμένο από το υπόλοιπο σύστημα. Η θεμελιώδης λογική πίσω από την εικονικοποίηση πλατφόρμας είναι η αρχή πως οποιαδήποτε λειτουργία μπορεί να εκτελεστεί είτε από λογισμικό είτε από εξειδικευμένο υλικό· οι μόνες διαφορές αφορούν την ευελιξία και την απόδοση. Είναι δυνατόν να προσομοιώνονται ταυτόχρονα πολλαπλές εικονικές μηχανές, εντελώς απομονωμένες μεταξύ τους, από το ίδιο λογισμικό ελέγχου. Η εικονικοποίηση πλατφόρμας εμφανίστηκε αρχικά τη δεκαετία του 1960, πριν από την επέλαση των μικροϋπολογιστών, σε μεγάλα, συγκεντρωτικά συστήματα (mainframes), αλλά μετά το 2000 και την αλματώδη αύξηση των επιδόσεων του υλικού των PC έχει γίνει πλέον κοινή πρακτική.

Τα είδη
Υπάρχουν πολλά είδη εικονικοποίησης πλατφόρμας. Ακολουθούν τα σημαντικότερα:

Εξομοίωση: η εικονική μηχανή προσομοιώνει εξολοκλήρου μία αρχιτεκτονική υλικού, πιθανώς διαφορετική από το πραγματικό υποκείμενο υλικό, επιτρέποντας έτσι να εκτελεστεί επάνω της ένα μη τροποποιημένο, φιλοξενούμενο ΛΣ σχεδιασμένο για τον εξομοιούμενο επεξεργαστή (π.χ. QEMU, έκδοση για PowerPC του VirtualPC κλπ). Η εξομοίωση είναι διερμηνεία σε χρόνο εκτέλεσης του κώδικα του φιλοξενούμενου ΛΣ, με έναν κύκλο ανάγνωσης-αποκωδικοποίησης-εκτέλεσης όπου κάθε εντολή που ανήκει στο σύνολο εντολών του επεξεργαστή-πηγή μεταφράζεται σε μία εντολή του συνόλου εντολών του επεξεργαστή-στόχου. Παράλληλα η εικονική μηχανή παρέχει μία αφαίρεση της μνήμης, των συσκευών Εισόδου / Εξόδου κλπ, φροντίζοντας ώστε κάθε μεταφρασμένη εντολή που απευθύνεται σε αυτά τα υποσυστήματα να τροποποιεί μόνο τις αφαιρέσεις / λογικές αναπαραστάσεις τους, οι οποίες κατευθύνονται και υλοποιούνται από το λογισμικό ελέγχου, και όχι το πραγματικό υλικό. Προκειμένου να αυξηθούν οι επιδόσεις είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί δυναμική μετάφραση αντί για απλή εξομοίωση, όπου οι μεταφρασμένες εντολές αποθηκεύονται σε κρυφή μνήμη και μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν αργότερα χωρίς εκ νέου μετάφραση, ή δυναμική επαναμεταγλώττιση, όπου εκτός της χρήσης κρυφής μνήμης γίνεται και βελτιστοποίηση κρίσιμων τμημάτων του κώδικα (παρόμοια με τη μεταγλώττιση JIT της Java, του .NET και άλλων παρόμοιων πλατφορμών υψηλού επιπέδου).

Πλήρης: η εικονική μηχανή προσομοιώνει επαρκές τμήμα του πραγματικού υποκείμενου υλικού ώστε να επιτρέπει την εκτέλεση επάνω της ενός μη τροποποιημένου, φιλοξενούμενου ΛΣ σχεδιασμένου για τον ίδιο τύπο επεξεργαστή με την πραγματική CPU (π.χ. VirtualPC, VMware, Win4Lin κλπ). Στην πλήρη εικονικοποίηση δεν χρειάζεται εξομοίωση του συνόλου εντολών του επεξεργαστή και μάλιστα ένα τμήμα του κώδικα του φιλοξενούμενου ΛΣ μπορεί να εκτελείται απευθείας από το υλικό, χωρίς μεσολάβηση του επόπτη, αρκεί να μην επηρεάζει υποσυστήματα εκτός του άμεσου ελέγχου του τελευταίου. Τα κρίσιμα σημεία του φιλοξενούμενου κώδικα ωστόσο, όπως αυτά που προσπαθούν να αποκτήσουν πρόσβαση στο υλικό (π.χ. κλήσεις συστήματος), συλλαμβάνονται από το λογισμικό ελέγχου και προσομοιώνονται, αφού τα αποτελέσματα κάθε λειτουργίας που επιτελείται σε μία εικονική μηχανή δεν επιτρέπεται να τροποποιούν την κατάσταση άλλων εικονικών μηχανών, του επόπτη ή του υλικού. Αν το πραγματικό υλικό βοηθά και επιταχύνει τη λειτουργία του λογισμικού ελέγχου τότε η πλήρης εικονικοποίηση ονομάζεται εγγενής (native). Η βοήθεια αυτή αφορά κυρίως εύκολη διάκριση μεταξύ εντολών που μπορούν να εκτελεστούν απευθείας και εντολών που πρέπει να προσομοιωθούν από το λογισμικό. Όπως και στην εξομοίωση η εικονική μηχανή παρέχει στο φιλοξενούμενο ΛΣ μία αφαίρεση της μνήμης, των συσκευών Εισόδου / Εξόδου κλπ, ενώ η εγγενής εκτέλεση μεγάλου μέρους του κώδικα παρέχει πολύ καλύτερες επιδόσεις σε σχέση με την εξομοίωση.

Παραεικονικοποίηση: η εικονική μηχανή δεν προσομοιώνει επακριβώς το υλικό αλλά παρέχει στις εικονικές μηχανές ένα API, μία προγραμματιστική διασύνδεση, ώστε να επιτρέπει την εκτέλεση επάνω της ενός τροποποιημένου, φιλοξενούμενου ΛΣ σχεδιασμένου για εκτέλεση από τον συγκεκριμένο επόπτη (π.χ. Denali, XEN). Το προαναφερθέν API ονομάζεται διασύνδεση υπερκλήσεων και ένα λειτουργικό σύστημα πρέπει να μεταφερθεί ρητά σε έκδοση κατάλληλη για εκτέλεση από ένα σύστημα παραεικονικοποίησης, ώστε ο φιλοξενούμενος πυρήνας αντί να προσπελαύνει το υλικό άμεσα να εκτελεί υπερκλήσεις και να αναμένει απαντήσεις ή ασύγχρονες ειδοποιήσεις από τον επόπτη. Το όφελος από τη βελτίωση των επιδόσεων και την απλοποίηση της γραφής του επόπτη είναι μεγάλο.

Μία άλλου είδους κατηγοριοποίηση των εποπτών εικονικοποίησης είναι σε αυτούς που εκτελούνται ως εφαρμογές πάνω από ένα υποκείμενο λειτουργικό σύστημα-ξενιστή (π.χ. VirtualPC, VMware κλπ) και σε αυτούς που λειτουργούν οι ίδιοι ως λιτά λειτουργικά συστήματα και άρα εκτελούνται απευθείας επάνω από το υποκείμενο υλικό (π.χ. Xen).

Πηγές 
Xen and the art of virtualization, Paul Barham et al., 2003

Τεχνολογία λειτουργικών συστημάτων