Máy ảo là gì? Các loại, lợi ích và trường hợp sử dụng

Máy ảo (VM) là một thành phần cốt lõi của hạ tầng CNTT. Chúng là các mô phỏng bằng phần mềm của máy tính vật lý, mang lại sự linh hoạt về mặt vận hành và tính toán.

Trong bài viết này, tôi sẽ giải thích máy ảo là gì, cách chúng hoạt động, lợi ích, các trường hợp sử dụng phổ biến và nhiều hơn nữa!

Máy ảo (VM) là gì?

Máy ảo là công nghệ mô phỏng trọn vẹn một hệ thống máy tính từ CPU, bộ nhớ, lưu trữ, giao diện mạng đến hệ điều hành.

VM mượn tài nguyên từ máy tính vật lý để tạo ra các máy tính ảo này. Ví dụ, nếu một máy có 8 CPU và 16 GB RAM, chúng ta có thể ảo hóa một môi trường với 4 CPU và 8 GB RAM, tách ra từ phần cứng vật lý.

Chúng ta dựa vào hypervisor, phần mềm kiểm soát việc ảo hóa tài nguyên phần cứng và quản lý nhiều môi trường ảo, để quản lý nhiều VM trên cùng một bộ phần cứng.

Máy ảo so với máy vật lý

Điều quan trọng là hiểu VM khác gì so với máy vật lý.

Hãy bắt đầu bằng cách làm rõ sự khác biệt giữa phần cứng và phần mềm. Phần cứng là các thành phần vật lý của hệ thống, như bo mạch chủ, CPU, bộ nhớ, GPU và lưu trữ. Phần mềm, như hệ điều hành hoặc các chương trình khác, chạy trên phần cứng.

Máy vật lý chạy trực tiếp trên phần cứng. Ngược lại, VM chạy phần mềm tạo ra phần cứng “ảo hóa”. Như đã đề cập, hệ thống gốc có thể chạy với 64 GB RAM, nhưng chúng ta có thể ảo hóa 32 GB RAM để chia sẻ cho máy ảo.

Vì VM có thể chia sẻ tài nguyên phần cứng, chúng ta có thể phân bổ hiệu quả đúng lượng tài nguyên VM cần. Ví dụ, nếu có một máy chủ mạnh, chúng ta có thể chạy nhiều VM thực hiện nhiều tác vụ song song, chỉ với lượng tài nguyên cần thiết cho từng VM để hoàn thành nhiệm vụ. Điều này có thể cải thiện tổng thể việc sử dụng tài nguyên và chi phí.

Bảng sau so sánh máy ảo và máy vật lý:

Các loại máy ảo

Có hai loại máy ảo chính: hệ thống và tiến trình. Một loại mô phỏng toàn bộ hệ điều hành, trong khi loại kia mô phỏng một ứng dụng đơn lẻ:

Máy ảo hệ thống

Máy ảo hệ thống là điều chúng ta thường nghĩ tới khi nhắc đến VM. Chúng mô phỏng toàn bộ một hệ điều hành, chẳng hạn như một máy Linux hoàn chỉnh. Một phần cứng đơn lẻ có thể mô phỏng nhiều bản thể hệ điều hành theo cách này. Điều này hữu ích khi chúng ta cần nhiều môi trường để làm những việc khác nhau.

Máy ảo trên đám mây là ví dụ phổ biến. Trong đó, toàn bộ môi trường hệ điều hành được lưu trữ và truy cập từ xa qua Internet, rất phù hợp cho hạ tầng có thể mở rộng.

Máy ảo tiến trình

Máy ảo tiến trình là các tiến trình đơn lẻ chạy trên hệ điều hành máy chủ. Chúng không phải là một hệ thống hoàn chỉnh mà là những môi trường nhỏ hơn cho phép bất kỳ máy tính nào chạy một ứng dụng có thể không hỗ trợ nguyên bản trên hệ điều hành gốc. Ví dụ, Java Virtual Machine cho phép bất kỳ máy nào chạy ứng dụng Java một cách “nguyên bản”.

Máy ảo tiến trình nhẹ hơn so với máy ảo hệ thống và được dùng rộng rãi để chạy các ứng dụng riêng lẻ được cô lập, đặc biệt trong bối cảnh phát triển và gỡ lỗi.

Các thành phần của máy ảo

Mỗi máy ảo đều có một vài thành phần cốt lõi. Dù cách triển khai có thể khác nhau, chúng đều bao gồm các phần tương tự. Hãy cùng điểm qua trong phần này.

1. Hypervisor

Nói chung, hypervisor là lớp phần mềm quản lý và khởi tạo máy ảo. Nó quản lý tài nguyên giữa VM và máy vật lý.

Có hai loại hypervisor:

• Hypervisor loại 1 hoạt động trực tiếp trên phần cứng (bare metal) và chạy ngay trên máy chủ. Chúng thường có quyền truy cập trực tiếp vào tài nguyên của máy chủ.
• Hypervisor loại 2 thường được cài đặt trên một hệ điều hành chủ. Chúng không có toàn quyền với tài nguyên máy tính mà do hệ điều hành chủ quản lý.

2. Phần cứng ảo

Hypervisor sẽ cấp phát phần cứng ảo cho VM. Điều này có nghĩa là tách các tài nguyên vật lý một cách ảo và cung cấp cho môi trường ảo. Có thể là chia RAM, nhân CPU và các tài nguyên tính toán khác để VM có thể chạy tiến trình.

3. Hệ điều hành khách

Hệ điều hành khách chạy bên trong VM. Nó không nhất thiết phải giống hệ điều hành của máy chủ và có thể là bất kỳ hệ điều hành nào. Các VM khác nhau trên cùng một hypervisor hoặc máy chủ thậm chí có thể chạy các hệ điều hành khác nhau tùy theo trường hợp sử dụng.

4. Ổ đĩa ảo

VM thường có ổ đĩa ảo để lưu trữ thông tin tạm thời trong khi chạy. Đôi khi, chúng ta chuyển dữ liệu từ ổ đĩa ảo sang hệ thống lưu trữ thực của máy chủ, nhưng việc đó được thực hiện cẩn trọng để tránh gây hại cho máy chủ.

Sơ đồ kiến trúc của một máy chủ chạy ba máy ảo. Nguồn ảnh: DataCamp.

Máy ảo và container

Một phương pháp ảo hóa phổ biến khác là container hóa. Dù có thể cùng mục tiêu, máy ảo và container khá khác nhau trong cách triển khai. Hãy xem sự khác biệt của chúng.

• Máy ảo được thiết kế để tái tạo toàn bộ một thiết bị, bao gồm cả phần cứng. Điều đó có nghĩa VM sẽ mô phỏng những thứ như bo mạch chủ, CPU, thiết bị mạng… để đảm bảo mọi ứng dụng chạy trên VM như thể đang chạy trên phần cứng độc lập.
• Container lại được thiết kế để chạy các ứng dụng cụ thể bất kể môi trường. Chúng không tự khởi tạo tài nguyên mà sử dụng tài nguyên của máy chủ.

Sơ đồ kiến trúc của một máy chủ chạy ba container. Nguồn ảnh: DataCamp.

Khi nào dùng VM và khi nào dùng container

Hãy dùng VM khi bạn cần chạy nhiều hệ điều hành song song và cần quản lý tài nguyên tách biệt. VM cũng phù hợp khi bạn cần một lượng tài nguyên ổn định và có thể dự đoán cho quy trình của mình.

Container phù hợp cho việc triển khai ứng dụng nhẹ. Vì container chia sẻ tài nguyên, điều quan trọng là đảm bảo máy chủ có thể xử lý nhiều container cùng lúc và phân bổ tài nguyên hợp lý.

Nếu bạn mới làm quen với các khái niệm này, bạn có thể thấy khóa học về khái niệm container hóa và ảo hóa hữu ích để hiểu trường hợp sử dụng của chúng. Để tìm hiểu sâu hơn về cách VM và container khác nhau, hãy xem bài viết blog so sánh container và máy ảo.

Lợi ích của máy ảo

Máy ảo có nhiều lợi ích, bao gồm tăng hiệu quả sử dụng tài nguyên và bảo mật. Sử dụng VM đúng cách có thể giúp hạ tầng công nghệ của bạn đơn giản và vững chắc hơn. Hãy cùng xem kỹ hơn các lợi ích:

Hiệu quả tài nguyên và tiết kiệm chi phí

Vì các VM dùng chung phần cứng, bạn có thể khai thác tối đa máy chủ vật lý khi dùng VM. Kết hợp nhiều môi trường giúp giảm nhu cầu mua phần cứng chuyên biệt cho từng trường hợp, thay vào đó cho phép chia sẻ tài nguyên và tiết kiệm chi phí tổng thể.

Cô lập và bảo mật

Vì mỗi VM chạy độc lập với hệ thống chủ, nó được cô lập một cách tự nhiên. Điều này tăng cường bảo mật bằng cách giảm thiểu rủi ro khi một hệ thống gặp sự cố hoặc bị xâm nhập sẽ trở thành vấn đề lớn. Thông thường không có giao tiếp giữa các VM và chúng không phụ thuộc lẫn nhau, nên việc tắt các VM gặp vấn đề hoặc nhanh chóng cô lập rủi ro bảo mật rất dễ dàng.

Linh hoạt và dễ di chuyển

VM mang lại tính linh hoạt lớn cho hạ tầng CNTT vì có thể dễ dàng nhân bản. Điều này đơn giản hóa khi cần khởi chạy đồng thời nhiều môi trường, vì chúng có thể chia sẻ cùng tập lệnh khởi động. Điều này cũng cho phép thử nghiệm, sao lưu và phục hồi thảm họa dễ dàng.

Các trường hợp sử dụng phổ biến của máy ảo

Hãy bàn về một số cách dùng phổ biến của VM. Chúng có thể thực hiện bất kỳ tác vụ nào như trên máy tính thông thường và vô cùng hữu ích cho nhiều hoạt động!

Môi trường thử nghiệm và phát triển

Các nhà phát triển thường dùng VM để tạo môi trường thử nghiệm và phát triển cho phần mềm mới hoặc bản vá. VM giúp dễ dàng kiểm thử thay đổi của chương trình trên nhiều hệ sinh thái một cách toàn diện mà không ảnh hưởng đến máy chủ. Một tập lệnh duy nhất có thể được dùng để triển khai cùng một thay đổi trên nhiều VM để kiểm thử.

Hợp nhất máy chủ

Chuyên gia sử dụng VM để hợp nhất nhiều máy chủ vật lý thành ít máy hơn. Điều này giảm chi phí bảo trì phần cứng tổng thể và tiết kiệm không gian phòng máy chủ. Nó cũng cải thiện việc sử dụng tài nguyên, vì máy vật lý không còn bị ràng buộc với một môi trường hay tác vụ đơn lẻ.

Chạy ứng dụng kế thừa

Khi công nghệ thay đổi, các hệ điều hành hiện đại có thể không còn hỗ trợ các quy trình cũ. Sử dụng VM có thể duy trì các ứng dụng kế thừa trong lúc hiện đại hóa, nhờ đó hoạt động vẫn diễn ra trơn tru.

Khôi phục thảm họa và sao lưu

Với khối lượng dữ liệu ngày càng tăng, VM có thể đóng vai trò là các bản sao lưu nhanh của toàn bộ môi trường để tăng độ bền vững của hệ thống. Nếu một VM gặp sự cố trên một máy chủ vật lý, các bản sao khác của cùng VM có thể tiếp tục chạy hoặc thay thế. Đây là thành phần cốt lõi của điện toán đám mây.

Điện toán đám mây

Phần lớn đám mây vận hành dựa trên ảo hóa. Các nền tảng đám mây như AWS, Azure và Google Cloud cung cấp hạ tầng linh hoạt, có thể mở rộng vì việc khởi tạo và hủy VM rất dễ dàng. Họ có thể nhanh chóng tạo các bản sao ảo của toàn bộ trang web hoặc chương trình để đáp ứng nhu cầu tăng cao và tắt bớt khi không còn cần thiết.

Để tìm hiểu thêm về cách điện toán đám mây tận dụng ảo hóa, hãy xem khóa học về hiểu biết điện toán đám mây.

Máy ảo trong khoa học dữ liệu

Nhờ tính linh hoạt và hữu ích, VM là công cụ tuyệt vời cho khoa học dữ liệu! Dưới đây là một số cách dùng:

Môi trường phát triển cô lập

Giống như kỹ sư phần mềm có thể dùng VM để xây dựng môi trường phát triển riêng, nhà khoa học dữ liệu có thể dùng VM để tạo môi trường cô lập cho các dự án dữ liệu khác nhau.

Ví dụ, bạn có thể dùng một VM để xây dựng mô hình dự báo bằng Python và một VM khác để tiền xử lý dữ liệu với R. Sự tách biệt này cho phép nhiều dự án đòi hỏi tài nguyên tính toán cao chạy đồng thời trên các môi trường khác nhau, cải thiện hiệu suất.

Tái lập kết quả trong thí nghiệm khoa học dữ liệu

Các nhà khoa học dữ liệu thường cần tái lập kết quả. Ví dụ, khi huấn luyện một mô hình học sâu, bạn có thể chia sẻ một VM với đồng nghiệp, trong đó bao gồm cùng phiên bản TensorFlow, thư viện và tập dữ liệu. Điều này đảm bảo tính nhất quán trong thí nghiệm và loại bỏ rủi ro khác biệt môi trường ảnh hưởng đến kết quả.

Khả năng mở rộng cho dự án dữ liệu lớn

Khi dự án phát triển, có thể cần nhiều cụm máy ảo trên đám mây. Hình dung việc huấn luyện một mô hình xử lý ngôn ngữ tự nhiên trên hàng terabyte dữ liệu văn bản; các nhà cung cấp đám mây như AWS có thể tự động phân phối khối lượng công việc trên nhiều VM. Ví dụ, các công cụ như Apache Spark có thể tận dụng các cụm ảo để xử lý tính toán quy mô lớn hiệu quả.

Phần mềm máy ảo phổ biến

Có nhiều công cụ cho phép bạn chạy máy ảo trên máy tính cá nhân và trong môi trường doanh nghiệp. Dưới đây là một số công cụ phổ biến:

VMware

VMware là một trong những công cụ ảo hóa phổ biến nhất cho môi trường doanh nghiệp. Nó cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ và các giải pháp dựa trên đám mây. VMware làm việc với khách hàng để cung cấp công cụ ảo hóa máy tính để bàn và máy chủ tùy theo nhu cầu. Hypervisor chính của họ là VMware ESXi loại 1, cho phép ảo hóa máy chủ dễ dàng và đi kèm giao diện HTML 5 dễ sử dụng.

Microsoft Hyper-V

Hyper-V của Microsoft là hypervisor được thiết kế riêng cho môi trường Windows Server. Điều đó có nghĩa toàn bộ ảo hóa yêu cầu chạy trên hệ điều hành Windows và sử dụng phân vùng đĩa. Nó cho phép ảo hóa máy tính để bàn ảo trong môi trường Windows Server một cách dễ dàng và là giải pháp tuyệt vời cho những ai muốn ở trong hệ sinh thái Windows hoặc thậm chí Azure.

VirtualBox

VirtualBox là một trong những phần mềm ảo hóa mã nguồn mở phổ biến nhất. Nó cho phép người dùng tạo các máy tính để bàn ảo thuộc bất kỳ loại nào trên chính máy tính của họ. Nó cung cấp giao diện đơn giản và có thể sử dụng ảnh đĩa để dễ dàng tái lập. Đây là công cụ nhập môn tuyệt vời cho thế giới ảo hóa và rất đáng khuyến nghị để luyện tập và tích lũy kinh nghiệm.

KVM (Kernel-based Virtual Machine)

Nhân Linux cho phép bạn tạo các máy gọi là KVM. Mọi hệ thống Linux hiện đại đều có KVM và cho phép người dùng biến bất kỳ phần cứng dựa trên Linux nào thành hypervisor. Nó tận dụng phần cứng sẵn có và thường được quản lý bằng phần mềm ảo hóa như Red Hat.

Kết luận

Máy ảo là một phần không thể thiếu của hệ sinh thái CNTT, cho phép bạn nhanh chóng tạo nhiều môi trường ảo từ một máy chủ. Chúng thường được quản lý bởi phần mềm hypervisor, phần mềm này tạo và phân bổ tài nguyên khi cần thiết. Điều đó cho phép tận dụng tài nguyên tốt hơn, tái lập kết quả, khả năng phục hồi và hiệu quả, đặc biệt khi cần chạy song song nhiều quy trình.

Để khám phá các khái niệm này và hiểu VM so sánh với công nghệ như container ra sao, hãy xem khóa học về khái niệm container hóa và ảo hóa. Đây là cách tuyệt vời để đào sâu hiểu biết của bạn về những công nghệ thiết yếu này!