Ảo hóa phần cứng là gì trong điện toán đám mây [Part 2]

Khi nhắc đến các thành phần cốt lõi cấu thành nên một hệ thống Cloud Server mạnh mẽ, ảo hóa (Virtualization) luôn là khái niệm đầu tiên cần được nhắc tới. Tuy nhiên, nhiều người vẫn còn mơ hồ về cơ chế hoạt động của nó. Trong bài viết dưới đây, VNPT Cloud sẽ giải thích khái niệm ảo hóa phần cứng là gì, đồng thời phân tích cách nó tạo ra các máy ảo độc lập trên một máy chủ vật lý, giúp bạn nắm vững kiến thức nền tảng quan trọng nhất trong điện toán đám mây.

Ảo hóa phần cứng là gì? 

Ảo hóa phần cứng (Hardware Virtualization) là công nghệ tạo ra phiên bản ảo của các thành phần phần cứng của máy tính, như CPU, bộ nhớ, lưu trữ và mạng, sau đó phân phối các tài nguyên này cho nhiều môi trường ảo độc lập.

Những môi trường ảo này được gọi là máy ảo VM (Virtual Machines). Các VM chạy trên một máy chủ vật lý duy nhất và được quản lý bởi một lớp phần mềm chuyên dụng gọi là hypervisor. Nhờ cơ chế này, mỗi VM có thể vận hành hệ điều hành và ứng dụng riêng một cách ổn định, an toàn và tách biệt với các VM khác.

Ví dụ, thay vì phải mua 10 máy chủ riêng biệt để chạy 10 ứng dụng vật lý, doanh nghiệp có thể chỉ cần một máy chủ được ảo hóa để chạy cùng lúc 10 ứng dụng đó, mỗi ứng dụng được cài đặt trên một máy ảo (VM) riêng biệt trong cùng một hệ thống.

Việc tận dụng phần cứng hiệu quả hơn này là một trong những lợi ích lớn nhất của ảo hóa, đồng thời mở ra tiềm năng rất lớn cho việc hợp nhất hệ thống (system consolidation), giúp giảm số lượng máy chủ vật lý và lượng điện năng tiêu thụ trong các trung tâm dữ liệu doanh nghiệp.

Ví dụ về ảo hóa phần cứng trong điện toán đám mây

Những giải pháp ảo hóa phần cứng phổ biến trên thị trường hiện nay gồm VMware ESXi, Microsoft Hyper-V và Xen, mỗi nền tảng có sự tiếp cận khác nhau trong việc quản lý và triển khai máy ảo.

VMware ESXi

VMware ESXi là một hypervisor chuyên dụng cho ảo hóa phần cứng, được cài đặt trực tiếp lên máy chủ vật lý và có quyền kiểm soát trực tiếp các tài nguyên phần cứng bên dưới. ESXi hoạt động không cần hệ điều hành trung gian và tích hợp sẵn kernel (hạt nhân) riêng.

ESXi là phiên bản tinh gọn và hiện được ưu tiên sử dụng thay cho ESX trước đây của VMware. Nhờ kích thước nhỏ gọn và không chứa service console (bảng điều khiển dịch vụ) như ESX, ESXi giúp tăng tính bảo mật, hiệu suất và giảm độ phức tạp trong quản lý hệ thống.

Microsoft Hyper-V

Microsoft Hyper-V là một hypervisor được thiết kế cho ảo hóa phần cứng trên kiến trúc x86. Hyper-V vận hành máy ảo bằng cách cô lập chúng trong các partition (phân vùng), trong đó mỗi hệ điều hành khách sẽ chạy trong một partition riêng biệt.

Hyper-V sử dụng mô hình parent partition (phân vùng cha) và child partition (phân vùng con). Parent partition có quyền truy cập trực tiếp vào phần cứng vật lý, trong khi các child partition chỉ nhìn thấy tài nguyên hệ thống dưới dạng ảo. Việc tạo và quản lý các child partition được thực hiện thông qua hypercall API. Hyper-V hiện có sẵn trên các phiên bản 64-bit của Windows 8 Professional, Enterprise, Education và các phiên bản mới hơn.

Xen

Xen là một hypervisor mã nguồn mở, được tích hợp trực tiếp vào Linux kernel và do Linux Foundation quản lý. Tuy nhiên, Xen chỉ được hỗ trợ chính thức trên một số bản phân phối Linux nhất định, tiêu biểu như SUSE Linux Enterprise Server.

Xen hỗ trợ nhiều mô hình ảo hóa khác nhau, bao gồm full virtualization (ảo hóa toàn phần), paravirtualization (bán ảo hóa) và hardware-assisted virtualization (ảo hóa được hỗ trợ bởi phần cứng). Ngoài ra, XenServer là một sản phẩm mã nguồn mở khác dựa trên Xen, cho phép triển khai, lưu trữ và quản lý máy ảo một cách hiệu quả.

Lợi ích của ảo hóa phần cứng

Việc áp dụng ảo hóa phần cứng không chỉ thay đổi cách thức vận hành của trung tâm dữ liệu mà còn mang lại những giá trị cốt lõi giúp doanh nghiệp giải quyết bài toán tối ưu hóa nguồn lực, cụ thể: 

Tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên

Bằng cách hợp nhất nhiều khối lượng công việc (workloads) lên một máy chủ vật lý duy nhất, các tổ chức có thể tận dụng tối đa tài nguyên phần cứng của mình. Điều này giúp giảm số lượng máy chủ vật lý cần thiết, từ đó cắt giảm mức tiêu thụ năng lượng và tiết kiệm không gian lắp đặt.

Tiết kiệm chi phí

Khi nhu cầu về phần cứng giảm, doanh nghiệp sẽ tiết kiệm đáng kể cả chi phí đầu tư ban đầu (mua máy chủ vật lý) lẫn chi phí vận hành (bảo trì và cung cấp điện cho máy chủ).

Tính linh hoạt và khả năng mở rộng

Các máy ảo (Virtual Machines - VM) có thể được tạo mới, điều chỉnh và di chuyển một cách dễ dàng, mang lại một môi trường có tính linh hoạt và khả năng mở rộng cao. Sự linh hoạt này là yếu tố thiết yếu đối với các doanh nghiệp cần thích ứng nhanh chóng với sự thay đổi của khối lượng công việc hoặc điều kiện thị trường.

Cách ly và bảo mật

Mỗi máy ảo có thể hoạt động hoàn toàn tách biệt với các máy ảo khác. Điều này giúp tăng cường bảo mật bằng cách khoanh vùng các phần mềm độc hại hoặc lỗi hệ thống tiềm ẩn trong phạm vi một máy ảo duy nhất, đảm bảo không gây ảnh hưởng đến các máy ảo còn lại.

Đơn giản hóa quy trình quản lý

Các công cụ quản lý tập trung cho phép quản trị viên kiểm soát nhiều môi trường ảo từ một giao diện duy nhất, giúp đơn giản hóa các quy trình cập nhật, cài đặt bản vá và các tác vụ bảo trì khác. Điều này đặc biệt hữu ích cho các doanh nghiệp có cơ sở hạ tầng CNTT phân tán tại nhiều vị trí địa lý khác nhau.

Các loại ảo hóa phần cứng

Ảo hóa phần cứng gồm 03 loại chính là ảo hóa toàn phần, ảo hóa bán phần và ảo hóa có hỗ trợ phần cứng. Mỗi loại có cách tiếp cận khác nhau trong việc tạo và vận hành máy ảo.

Ảo hóa toàn phần (Full Virtualization)

Ảo hóa toàn phần là phương pháp mô phỏng hoàn toàn phần cứng, cho phép hệ điều hành khách chạy trong một môi trường tách biệt giống như đang hoạt động trên một máy chủ vật lý riêng. Trong mô hình này, ứng dụng chạy trên hệ điều hành khách, hệ điều hành khách hoạt động trên hypervisor, và hypervisor quản lý việc truy cập đến hệ điều hành chủ và phần cứng vật lý.

Ưu điểm lớn nhất của ảo hóa toàn phần là không cần chỉnh sửa hệ điều hành, giúp dễ triển khai và đảm bảo khả năng tương thích cao giữa các hệ thống cũ và mới. Tuy nhiên, để được coi là ảo hóa toàn phần, mọi tính năng phần cứng phải được phản ánh trong từng máy ảo, vì vậy khi tích hợp hệ thống cũ, phần cứng có thể cần được nâng cấp để đáp ứng yêu cầu của các hệ thống mới hơn.

Ảo hóa bán phần (Paravirtualization)

Ảo hóa bán phần hoạt động bằng cách chạy phiên bản hệ điều hành khách đã được chỉnh sửa và biên dịch lại trong máy ảo. Thay vì mô phỏng toàn bộ phần cứng, hệ điều hành khách sẽ giao tiếp trực tiếp với hypervisor thông qua các giao diện lập trình, giúp máy ảo không cần phải hoạt động giống hoàn toàn với phần cứng vật lý.

Các lệnh gọi này, được gọi là hypercalls, được sử dụng cho các thao tác ở mức kernel như quản lý bộ nhớ. Nhờ giảm số lượng lệnh gọi trung gian, paravirtualization có thể cải thiện hiệu năng so với ảo hóa toàn phần. Tuy nhiên, việc phải chỉnh sửa hệ điều hành tạo ra sự phụ thuộc chặt chẽ giữa hệ điều hành và hypervisor, điều này có thể hạn chế khả năng cập nhật hoặc mở rộng hệ thống trong tương lai.

Ảo hóa hỗ trợ phần cứng (Hardware Assisted Virtualization)

Ảo hóa có hỗ trợ phần cứng sử dụng khả năng ảo hóa được tích hợp trực tiếp trong kiến trúc phần cứng, đặc biệt là CPU, để xây dựng và quản lý các máy ảo được ảo hóa hoàn toàn. Công nghệ này được IBM giới thiệu từ rất sớm và sau đó được phát triển mạnh với các tập lệnh mở rộng cho bộ xử lý Intel và AMD.

Nhờ tận dụng các tính năng như Intel VT và AMD V, hypervisor có thể gọi trực tiếp đến CPU để xử lý các tác vụ ảo hóa cốt lõi. Điều này giúp giảm đáng kể overhead của hệ thống, cho phép máy chủ chạy nhiều máy ảo hơn và cung cấp hiệu năng cao hơn cho các khối lượng công việc lớn. Đây hiện là hình thức ảo hóa phổ biến nhất trong các nền tảng cloud và trung tâm dữ liệu hiện đại.

Ảo hóa phần cứng so với ảo hóa hệ điều hành

Mặc dù cùng hướng tới mục tiêu tối ưu hóa tài nguyên hệ thống, nhưng Ảo hóa phần cứng (Hardware Virtualization) và Ảo hóa hệ điều hành (OS Virtualization) lại có sự khác biệt rõ về kiến trúc, mức độ cô lập và cách thức quản lý phần cứng. Bảng dưới đây sẽ phân tích chi tiết các điểm khác biệt cốt lõi giữa hai công nghệ này:

Qua bài viết này, hy vọng bạn đã hiểu rõ ảo hóa phần cứng là gì, cách công nghệ này hoạt động và vai trò cốt lõi của nó trong điện toán đám mây. Việc nắm vững nền tảng ảo hóa phần cứng sẽ giúp doanh nghiệp lựa chọn đúng mô hình hạ tầng cloud, tối ưu tài nguyên, nâng cao hiệu năng và sẵn sàng mở rộng trong tương lai.

Nếu doanh nghiệp đang tìm kiếm một nền tảng Cloud Server ổn định, an toàn và được xây dựng trên công nghệ ảo hóa hiện đại, VNPT Cloud là lựa chọn đáng tin cậy cho hành trình chuyển đổi số.