Trong thế giới công nghệ thông tin hiện đại, Virtual Machine (VM) hay còn gọi là máy ảo đã trở thành một khái niệm quen thuộc và đóng vai trò vô cùng quan trọng. Từ việc phát triển phần mềm, triển khai ứng dụng cho đến quản lý hệ thống, máy ảo đều mang lại những lợi ích to lớn. Vậy Virtual Machine (VM) là gì? Bài viết này sẽ giúp bạn khám phá “cỗ máy ảo” này, từ định nghĩa, phân loại, lợi ích đến cách tạo và sử dụng VM hiệu quả.
Định nghĩa Virtual Machine (VM)
Virtual Machine là gì?
Virtual Machine (VM) là một môi trường ảo được tạo ra trên một máy tính vật lý (gọi là host machine) bằng phần mềm ảo hóa. VM hoạt động độc lập với máy chủ vật lý, có hệ điều hành riêng (gọi là guest OS), bộ nhớ, ổ cứng và các tài nguyên khác.
Lý do nên sử dụng Virtual Machine (VM)?
Hợp nhất máy chủ (Server Consolidation) là lý do chính để sử dụng máy ảo. Bạn hoàn toàn có thể sử dụng nhiều máy chủ ảo trên một máy chủ vật lý nhờ vào việc ảo hóa. Hầu hết khi triển khai hệ điều hành ảo và các ứng dụng chỉ sử dụng một phần nhỏ tài nguyên vật lý có sẵn.
Nhờ đó, bạn hoàn toàn không cần phải bổ sung thêm các tài nguyên vật lý như ổ cứng, ram… đồng thời cũng giảm nhu cầu sử dụng điện năng, khoảng trống và làm mát trong trung tâm dữ liệu.
Các tài nguyên, hệ điều hành, ứng dụng trong máy ảo hoàn toàn tách biệt với còn lại của hệ thống. Do đó, khi chạy máy ảo không ảnh hưởng tới những ứng dụng hay phần cứng khác trên máy chủ.
Nguyên lý hoạt động Virtual Machine
Để hiểu rõ hơn về Virtual Machine (VM), chúng ta cần tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của nó cùng khám phá “hậu trường” của “cỗ máy ảo” này, từ cách nó được tạo ra đến cách nó hoạt động và tương tác với máy chủ vật lý.
Nguyên lý hoạt động Virtual Machine
1. Ảo hóa – “Phép màu” tạo ra VM
Ảo hóa (virtualization) là công nghệ cốt lõi tạo ra VM. Nó cho phép tạo ra một môi trường ảo trên một máy tính vật lý duy nhất. Môi trường ảo này hoạt động độc lập với máy chủ vật lý và có hệ điều hành, bộ nhớ, ổ cứng riêng.
2. Hypervisor – “Nhạc trưởng” điều phối tài nguyên
Hypervisor là phần mềm trung gian đóng vai trò quản lý và phân bổ tài nguyên của máy chủ vật lý cho các VM. Nó giống như một “nhạc trưởng” điều phối các “nhạc cụ” (tài nguyên) để tạo ra một “bản giao hưởng” (hệ thống VM) hài hòa.
3. Nguyên lý hoạt động chi tiết
- Khởi tạo VM: Khi bạn khởi tạo một VM, hypervisor sẽ tạo ra một môi trường ảo với các thông số bạn đã thiết lập (ví dụ: hệ điều hành, bộ nhớ, ổ cứng).
- Phân bổ tài nguyên: Hypervisor sẽ phân bổ tài nguyên của máy chủ vật lý (CPU, RAM, ổ cứng) cho VM. Tuy nhiên, tài nguyên này không được “cắt đứt” hoàn toàn, mà được chia sẻ một cách linh hoạt.
- Chạy Guest OS: VM sẽ chạy hệ điều hành riêng (guest OS) của nó. Guest OS này hoạt động hoàn toàn độc lập với hệ điều hành của máy chủ vật lý (host OS).
- Tương tác: Khi VM cần tương tác với phần cứng vật lý (ví dụ: truy cập ổ cứng, kết nối mạng), hypervisor sẽ “phiên dịch” các yêu cầu này và chuyển đến phần cứng vật lý.
- Quản lý: Hypervisor liên tục theo dõi và quản lý hoạt động của các VM, đảm bảo chúng hoạt động ổn định và không ảnh hưởng lẫn nhau.
4. Các loại Hypervisor
- Type 1 (Bare-metal hypervisor): Hypervisor được cài đặt trực tiếp lên phần cứng, không cần hệ điều hành. Loại này có hiệu suất cao, thường được sử dụng cho máy chủ.
- Type 2 (Hosted hypervisor): Hypervisor được cài đặt trên hệ điều hành, giống như một ứng dụng. Loại này dễ cài đặt và sử dụng, thường được dùng cho máy tính cá nhân.
5. Lợi ích của việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động
Hiểu rõ nguyên lý hoạt động của VM giúp bạn:
- Tối ưu hóa hiệu suất: Bạn có thể điều chỉnh các thông số của VM để tận dụng tối đa tài nguyên phần cứng.
- Khắc phục sự cố: Khi VM gặp vấn đề, bạn có thể dễ dàng xác định nguyên nhân và khắc phục.
- Quản lý hệ thống: Bạn có thể quản lý và giám sát các VM một cách hiệu quả hơn.
Phân loại Virtual Machine (VM) – “Muôn hình vạn trạng” thế giới ảo
Phân loại Virtual Machine
1. Phân loại theo loại hình ảo hóa
Đây là cách phân loại cơ bản nhất, dựa trên cách thức mà công nghệ ảo hóa được triển khai:
Ảo hóa phần cứng (Hardware virtualization):
Khái niệm: Hypervisor (phần mềm ảo hóa) được cài đặt trực tiếp lên phần cứng của máy chủ vật lý, không cần hệ điều hành. Hypervisor này đóng vai trò trung gian giữa phần cứng và các VM, quản lý và phân bổ tài nguyên cho chúng.
Ưu điểm: Hiệu suất cao, ổn định, bảo mật tốt.
Nhược điểm: Yêu cầu phần cứng hỗ trợ ảo hóa, cài đặt và quản lý phức tạp hơn.
Ví dụ: VMware ESXi, Microsoft Hyper-V (Type 1).
Ảo hóa hệ điều hành (Operating-system virtualization):
Khái niệm: Các VM chia sẻ kernel (nhân) của hệ điều hành máy chủ vật lý. Mỗi VM hoạt động như một “container” (vùng chứa) riêng biệt, có hệ thống tập tin, tiến trình và người dùng riêng.
Ưu điểm: Nhẹ nhàng, tiết kiệm tài nguyên, dễ dàng triển khai và quản lý.
Nhược điểm: Hiệu suất có thể không cao bằng ảo hóa phần cứng, khả năng tương thích hạn chế.
Ví dụ: Docker, LXC.
Ảo hóa ứng dụng (Application virtualization):
Khái niệm: Ảo hóa các ứng dụng, cho phép chúng chạy độc lập với hệ điều hành. Ứng dụng được “đóng gói” và chạy trong một môi trường ảo, không ảnh hưởng đến hệ điều hành gốc.
Ưu điểm: Dễ dàng triển khai và quản lý ứng dụng, khả năng tương thích cao.
Nhược điểm: Không ảo hóa toàn bộ hệ điều hành, hiệu suất có thể bị ảnh hưởng.
Ví dụ: VMware ThinApp, Microsoft App-V.
2. Phân loại theo mục đích sử dụng
VM được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, từ việc chạy ứng dụng đến xây dựng hạ tầng đám mây:
Máy ảo máy chủ (Server VM):
- Mục đích: Chạy các ứng dụng, dịch vụ trên máy chủ, thay thế cho việc sử dụng nhiều máy chủ vật lý.
Ưu điểm: Tiết kiệm chi phí, dễ dàng quản lý và mở rộng.
Ví dụ: VM trên các nền tảng đám mây như AWS EC2, Google Compute Engine, Microsoft Azure Virtual Machines.
Máy ảo desktop (Desktop VM):
- Mục đích: Chạy các ứng dụng, hệ điều hành trên máy tính cá nhân, cho phép người dùng trải nghiệm các hệ điều hành khác nhau hoặc chạy các ứng dụng không tương thích với hệ điều hành hiện tại.
Ưu điểm: Linh hoạt, tiện lợi, bảo mật.
Ví dụ: VM trên phần mềm VMware Workstation, VirtualBox.
Máy ảo phát triển (Development VM):
- Mục đích: Sử dụng để thử nghiệm, phát triển phần mềm, cho phép các nhà phát triển tạo ra một môi trường ảo giống với môi trường thực tế để kiểm tra và gỡ lỗi ứng dụng.
Ưu điểm: An toàn, tiện lợi, dễ dàng thiết lập và cấu hình.
3. Phân loại theo nền tảng
VM cũng có thể được phân loại dựa trên nền tảng mà chúng được xây dựng và quản lý:
- VMware VM: Được tạo và quản lý bởi phần mềm ảo hóa của VMware, như VMware vSphere, VMware Workstation.
- Hyper-V VM: Được tạo và quản lý bởi Hyper-V, nền tảng ảo hóa của Microsoft.
- KVM VM: Được tạo và quản lý bởi Kernel-based Virtual Machine (KVM), một giải pháp ảo hóa mã nguồn mở cho Linux.
- Cloud VM: Được cung cấp bởi các nhà cung cấp dịch vụ đám mây, như AWS, Google Cloud, Microsoft Azure.
4. Các loại VM khác
Ngoài các cách phân loại trên, còn có một số loại VM khác ít phổ biến hơn:
- Máy ảo nhúng (Embedded VM): Được sử dụng trong các thiết bị nhúng, như router, thiết bị IoT.
- Máy ảo hiệu năng cao (High-performance VM): Được tối ưu hóa để chạy các ứng dụng đòi hỏi hiệu năng cao, như các ứng dụng khoa học, kỹ thuật.
Lợi ích khi dùng Virtual Machine
Do sự tiện dụng và cả tính linh hoạt, máy ảo cung cấp nhiều lợi ích để giúp người dùng dễ dàng tùy biến như:
- Tiết kiệm chi phí: Rõ ràng, bạn không cần phải mua thêm các tài nguyên vật lý mà vẫn có thể sử dụng môi trường ảo và thực hiện các chức năng trên đó, giống như một máy tính ảo vậy. Ngoài ra, giảm nhu cầu duy trì nhiều máy chủ, tiết kiệm chi phí bảo trì và lượng điện sử dụng.
- Phản hồi nhanh chóng: Thay đổi liên tục một máy ảo vô cùng dễ dàng, nhanh chóng và tiện lợi hơn rất nhiều so với việc cung cấp một môi trường mới cho các nhà phát triển. Ảo hóa giúp chạy các kịch bản thử nghiệm một cách trơn tru và nhanh hơn rất nhiều.
- Giảm thời gian ngừng hoạt động: Tính tiện dụng của máy chủ ảo – Virtual Machine cũng nhờ việc di chuyển từ hypervisor này sang hypervisor khác nằm trên một máy khác dễ dàng. Hoàn toàn chủ động trong việc sao lưu nếu máy chủ gặp vấn đề.
- Khả năng mở rộng: Máy ảo hoàn toàn có thể mở rộng ứng dụng bằng cách thêm nhiều máy chủ vật lý hoặc ảo áo để phân chia công việc trên nhiều máy ảo. Nhờ đó, giúp tăng tính khả dụng và hiệu suất lên cao hơn khi làm việc.
- Bảo mật hoàn hảo: Nhớ tính khả dụng của máy ảo mà khi bạn làm việc với hệ điều hành khách, bạn dễ dàng sử dụng các ứng dụng trên đó mà không lo gặp các vấn đề bảo mật và bảo vệ hệ điều hành máy chủ của mình. Hơn nữa. Máy ảo cũng thường được sử dụng để nghiên cứu virus máy tính một cách an toàn, tách biệt virus để tránh rủi ro cho máy tính chủ.
Khi nào cần dùng Virtual Machine
1. Dùng thử hệ điều hành mới
Khi máy tính hiện tại đang sử dụng Windows và bạn muốn trải nghiệm hệ điều hành Linux thì thiết lập máy chủ ảo là một phương án hợp lý.
2. Thiết lập các phần mềm cũ hoặc không tương thích
Chúng ta thấy phổ biến khi người dùng Mac muốn sử dụng một số phần mềm chỉ dành cho Windows hoặc chạy một chương trình cũ không hoạt động trên Windows hiện tại nữa.
3. Phát triển phần mềm cho các nền tảng khác
Với những nhà phát triển phần mềm khi tạo một ứng dụng hay website và muốn thử nghiệm trên các nền tảng khác nhau thì máy ảo sẽ giúp đơn giản hóa quá trình kiểm tra.
4. Xử lý phần mềm độc hại một cách an toàn
Khi bạn muốn tải xuống một phần mềm nhưng không dám chắc về tính an toàn của nó thì sử dụng máy ảo sẽ giúp cách biệt với máy thật để hạn chế các rủi ro bảo mật.
5. Tận dụng lợi thế tính năng snapshot của máy ảo
Máy ảo mang đến một tính năng tuyệt vời là tạo snapshot cho hệ thống giúp bạn có thể khôi phục ngay lập tức khi cần. Ví dụ khi bạn muốn cài đặt ứng dụng mới hay gỡ cài đặt mà không dám chắc có sai lầm nào không thì tạo bản snapshot của máy ảo trước khi cài đặt để dự phòng nếu sự cố xảy ra có thể thiết lập lại như ban đầu.
6. Sao chép hệ thống vào máy khác
Vì dữ liệu của máy ảo được lưu trữ trong vài file trên máy thực nên bạn dễ dàng di chuyển sang máy tính khác và load máy ảo (virtual machine) không gặp khó khăn gì (với điều kiện cùng trình ảo hóa).
Trải nghiệm các phần mềm ảo hóa
Phần mềm ảo hoá đã trở thành một phần quan trọng đối với không ít doanh nghiệp và đặc biệt là trong lĩnh vực điện toán đám mây. Dưới đây là một số phần mềm ảo hoá phổ biến được ứng dụng nhiều nhất hiện nay:
Virtual Box
Virtual Box là một ứng dụng mã nguồn mở hỗ trợ cả 3 nền tảng Windows, macOS và Linux. Virtual Box không có phiên bản thương mại nên bạn có thể sử dụng một phần mềm ảo hóa có đầy đủ các tính năng mà còn hoàn toàn miễn phí.
VirtualBox được tạo bởi Oracle và được coi là một trong những phần mềm ảo hóa tốt nhất hiện có. VirtualBox có thể chạy trên hệ điều hành máy chủ dưới dạng một ứng dụng và tạo ra các máy ảo thông qua ứng dụng này. VirtualBox tạo snapshot để lưu trạng thái máy chủ ảo hiện tại, do đó có thể hoàn nguyên nếu cần. Bên cạnh đó, phần mềm cũng hỗ trợ di chuyển các máy ảo, các công cụ tối ưu hóa hiệu suất và GUI truy cập từ xa. Để tải và cài đặt phần mềm máy chủ ảo Virtual Box có thể truy cập tại đây.
VMware Workstation
Đây là chương trình máy ảo hóa nổi tiếng cho Windows và Linux. VMware Player là phiên bản miễn phí, bên cạnh một phiên bản thương mại khác nên bạn không thể sử dụng đầy đủ các tính năng như VirtualBox.
Tương tự như VirtualBox, VMware được sử dụng như một ứng dụng. VMware Workstation được tạo để khởi chạy cho các máy Windows và Linux, nhưng với bản Mac có VMware Fusion thay thế. VMware Workstation được đánh giá có GUI chất lượng cao, trực quan và dễ sử dụng. Bạn có thể tải VMware Workstation tại đây.
VMware Player
Là một phiên bản miễn phí giống với VMware Workstation và được sử dụng trên cả Windows và Linux. Bạn sẽ không nhận được đầy đủ tính năng nâng cao như phiên bản thương mại của VMware Workstation. Tuy nhiên, cả VMware Player và VirtualBox đều những máy ảo đáng sử dụng với những tính năng cơ bản cho phép bạn tạo và chạy máy ảo miễn phí.
QEMU
QEMU (viết tắt của Quick Emulator) là phần mềm ảo hóa mã nguồn mở có thể giả lập CPU và phần cứng. Nói cách khác, bạn có thể sử dụng QEMU để chạy các hệ điều hành và ứng dụng không tương thích với nền tảng phần cứng hệ điều hành chủ của bạn. Vì vậy, về cơ bản, ảo hóa phần cứng có thể nâng cao hiệu suất máy ảo của bạn. Ví dụ: nếu bạn có một máy tính Linux x86, QEMU có thể giúp bạn chạy thành công phần mềm ARM (phần mềm này không tương thích với phần cứng x86 của bạn). Vì QEMU mô phỏng một hệ thống đầy đủ, bạn có thể sử dụng nó để chạy các hệ điều hành khác nhau mà không cần phải khởi động lại máy tính của mình.
Boot Camp
Boot Camp là phần mềm của Apple cho phép máy Mac chạy hệ điều hành Windows. Boot Camp yêu cầu bạn chọn giữa Mac hoặc Windows tại thời điểm khởi động. Boot Camp tạo phân vùng Mac và Windows riêng biệt trên ổ đĩa cứng để tạo môi trường khởi động kép. Bạn có thể sử dụng content của phân vùng Boot Camp cùng lúc khi bạn đang chạy hệ điều hành Mac. Để làm như vậy, bạn sử dụng Fusion để cấp nguồn cho phân vùng Boot Camp như một máy ảo. Khi bạn sử dụng phân vùng Windows Boot Camp làm máy ảo Fusion , bạn có thể thực hiện các tác vụ sau:
Sử dụng máy ảo Boot Camp và máy Mac của bạn mà không cần khởi động lại và chuyển đổi giữa chúng.
Chia sẻ tệp giữa máy ảo Boot Camp và máy Mac của bạn, thông qua các thư mục chia sẻ, kéo file hoặc copy & paste văn bản.
Kết luận
Tóm lại, Virtual Machine (VM) là một công nghệ mạnh mẽ cho phép chúng ta tạo ra các môi trường ảo độc lập trên một máy tính vật lý duy nhất. VM mang lại nhiều lợi ích, từ tiết kiệm chi phí, linh hoạt trong quản lý, đến an toàn và bảo mật. Hiểu rõ về VM là chìa khóa để tận dụng tối đa sức mạnh của công nghệ ảo hóa, mở ra những tiềm năng to lớn trong lĩnh vực công nghệ thông tin.