![Bringing Virtualization to the x86 Architecture with the Original VMware Workst [pdf]](/images/C8B2FD19-E25A-477C-BC98-C29DD3A1D8DD)
Виртуализация – одна из фундаментальных технологий современного IT, и ее роль с каждым годом возрастает. Но мало кто задумывается, с чего началась история виртуализации на платформе x86, которая доминирует в мире персональных компьютеров и серверов. Все началось в конце 1990-х годов, когда компания VMware представила своему рынку значимый продукт — VMware Workstation. Это было революционное решение, которое позволило впервые реализовать полноценную виртуализацию на архитектуре x86, изначально не предназначенной для этих целей, и тем самым открыло новые горизонты для развития программного обеспечения и серверных технологий.Архитектура x86 тогда и сейчас использовалась миллионами компьютеров по всему миру, однако в отличие от мира мейнфреймов и специализированных систем, она не имела встроенных механизмов поддержки виртуализации.
Устройства и процессоры данного семейства создавались без учета таких возможностей. Это означало, что для внедрения виртуализации требовались уникальные методики и подходы, которые помогли бы виртуализации работать эффективно и без необходимости в масштабных изменениях в самой архитектуре процессора или периферийных устройствах.Компания VMware, основанная в 1998 году группой исследователей и инженеров, включая Эдуарда Бугниона и Мендела Розенблюма, осознала потенциал виртуализации для создания новой эры в работе компьютеров. Их основной задачей стала разработка продукта, способного работать на стандартных x86-платформах и обеспечивать возможность запуска нескольких операционных систем одновременно с высокой производительностью и надежностью.Одной из ключевых сложностей было то, что традиционные механизмы виртуализации, успешно применявшиеся на мейнфреймах, нельзя было просто перенести на x86 из-за особенностей самой архитектуры.
В частности, архитектура x86 не обеспечивала полную изоляцию и контроль над выполнением некоторых критических инструкций, что создавало препятствия для традиционных методов виртуализации с полной параллельностью работы нескольких операционных ОС. Это требовало изобретения новых механизмов, которые обеспечивали бы прозрачное выполнение гостьевых операционных систем, не нарушая в то же время целостности и безопасности хоста.В ответ на это VMware разработала уникальную комбинацию технологий, включавших в себя использование так называемого «trap-and-emulate» — механизма перехвата и эмуляции определённых команд процессора, а также системный динамический бинарный транслятор. Этот двоичный транслятор автоматически преобразовывал проблемные части кода гостевой ОС в безопасные и оптимизированные инструкции, которые могли выполняться на хост-машине с эффективностью, близкой к нативной. Такой подход позволил преодолеть ограничение архитектуры и практически вдвое повысить производительность виртуальных машин по сравнению с традиционными методами интерпретации и эмуляции.
Еще одним важным архитектурным решением стала организация VMware Workstation как хостируемой системы. Вместо того чтобы напрямую управлять оборудованием, виртуальная машина работала поверх существующей операционной системы, что значительно упрощало разработку и расширяло совместимость с разнообразным оборудованием. Этот подход позволял пользователям работать с виртуальными машинами на привычном хосте без необходимости модифицировать драйверы устройств или адаптироваться к узкоспециализированному оборудованию. Одновременно с этим для виртуальных машин реализовывалась полноценная эмуляция стандартных периферийных устройств, таких как жесткие диски, сетевые адаптеры и дисплеи, что сделало их независимыми от физического устройства.Одним из немаловажных результатов данной работы стало обеспечение совместимости с широким спектром операционных систем на стороне виртуальной машины.
VMware Workstation смог работать с различными версиями Windows и Unix-подобных систем, что стало уникальным преимуществом через масштабируемость и гибкость платформы. Возможность запускать несколько операционных систем одновременно сделала процесс тестирования продуктов, миграции данных и обеспечение безопасности гораздо более удобным и надежным. Также виртуализация сразу продемонстрировала свои возможности по изоляции приложений и сред, что содействовало повышению уровня надежности и упрощению управления корпоративными ИТ-инфраструктурами.История успеха VMware Workstation неразрывно связана с глубиной понимания особенностей архитектуры x86 и творческим подходом к разработке программных компонентов. Гибридный метод, основанный на динамической бинарной трансляции и перехватах инструкций, позволил раскрыть потенциал оборудования, которое изначально не было задумано под виртуализацию.
В дальнейшем многие из разработок VMware легли в основу современных технологий виртуализации, включая аппаратные расширения Intel VT-x и AMD-V, которые стали стандартом для процессоров в новой эпохе.Воздействие виртуализации VMware вышло за рамки чисто технических достижений. Технология способствовала появлению облачных вычислений, контейнеризации и современных технологий DevOps, став фундаментом для развития инфраструктур нового поколения. Однако без инноваций, заложенных VMware Workstation в конце 90-х и начале 2000-х годов, эти идеи могли бы реализоваться гораздо позже, что свидетельствует о значении данной разработки в исторической перспективе.Преодоление технологических сложностей позволило виртуализации стать доступной и повсеместной, что в конечном итоге повлияло на способы эксплуатации вычислительных ресурсов, ускорило процесс разработки ПО и повысило безопасность хранения данных.
С ростом популярности виртуализации возросли и требования к производительности, масштабируемости и управляемости системы, что стимулировало развитие новых алгоритмов трансляции и оптимизации кода.Осмысление ключевых концепций VMware Workstation позволяет увидеть, как совместное использование программных эмуляторов, трансляторов и продуманной архитектуры создает платформу, способную работать в условиях жестких ограничений аппаратного обеспечения. Также это пример того, как системные архитекторы и разработчики могут создавать мост между старыми архитектурными решениями и современными требованиями программного обеспечения, добиваясь высокого уровня эффективности и универсальности.Итоговая роль VMware Workstation — не просто инновационный продукт своего времени, а источник уроков для всего IT-сообщества. Эти уроки заключаются в необходимости комбинирования уже существующих технологий с новыми подходами, понимании ограничений аппаратуры и создании решений, которые не требуют кардинальных изменений в базовой инфраструктуре.
Каждый, кто сегодня сталкивается с понятиями виртуализации, облачных вычислений или изоляции программных сред, в той или иной степени опирается на фундамент, заложенный оригинальной разработкой VMware Workstation на базе x86. Таким образом, виртуализация на архитектуре x86 стала реальностью благодаря инновационному мышлению и технической смелости инженеров и исследователей VMware. История развития этой технологии доказывает, что даже самым очевидным ограничениям можно найти превосходное решение, если творчески подойти к задачам и использовать синергию различных технологий. Сегодня виртуализация на основе х86 — стандарт, а в 1999 году VMware Workstation продемонстрировала, что это возможно, открыв новую эру в вычислительной технике.
