Как работают негарантированные ядра vCPU в облаке

Негарантированные ядра vCPU в облачных серверах работают через механизм виртуализации и перераспределения ресурсов физических процессоров между виртуальными машинами. При этом хостинг-провайдеры используют технологию овербукинга (over-subscription), где количество виртуальных ядер (vCPU) превышает количество физических ядер, обеспечивая более эффективное использование оборудования за счет динамического распределения доступных вычислительных мощностей.

Содержание

• Механизм распределения ресурсов между виртуальными машинами
• Технологии виртуализации лежащие в основе неполных ядер
• Реализация системы с неполными ядрами на личном сервере
• Преимущества и недостатки модели выделения ресурсов

Механизм распределения ресурсов между виртуальными машинами

Негарантированные ядра vCPU функционируют через сложную систему перераспределения процессорного времени между всеми виртуальными машинами, работающими на одном физическом сервере. Ключевым механизмом здесь является технология овербукинга, при которой провайдеры распределяют больше vCPU, чем физических ядер доступно на сервере. Например, как указано в исследованиях, “некоторые виртуальные среды, такие как VMware, позволяют овербукинг CPU, где выделяется больше vCPU, чем физически доступно” [источник 1].

Распределение процессорного времени

Когда несколько виртуальных машин одновременно требуют ресурсы процессора, гипервизор использует два основных подхода:

1. Время выполнения (Time Slicing) - каждый vCPU получает квант процессорного времени, после чего переключается на другой
2. Приоритетное выделение (Shares) - ресурсы распределяются пропорционально назначенным “шарам” (shares)

Как поясняется в документации VMware: “Если одна виртуальная машина имеет вдвое больше долей ресурса, чем другая, она имеет право потреблять вдвое больше этого ресурса, когда обе виртуальные машины конкурируют за ресурсы” [источник 4].

Параметры управления ресурсами

Хостинг-провайдеры используют три основных параметра для управления распределением процессорных ресурсов:

• Reservation - гарантированный минимум процессорного времени
• Limit - максимальный предел потребления процессорного времени
• Shares - относительный приоритет при конкуренции за ресурсы

Эта система позволяет провайдерам предлагать клиентам “неполные” ядра vCPU, которые при высокой нагрузке могут получать меньше процессорного времени, чем при низкой, обеспечивая баланс между производительностью и стоимостью услуг.

Технологии виртуализации лежащие в основе неполных ядер

Система негарантированных ядер vCPU основана на нескольких ключевых технологиях виртуализации, которые позволяют эффективно делить физические процессорные ресурсы между множеством виртуальных машин.

Типы гипервизоров

Существует два основных типа гипервизоров, используемых для виртуализации:

Type 1 (Нативные гипервизоры)
Прямо обращаются к аппаратным ресурсам хост-машины. Примеры: VMware ESXi, Microsoft Hyper-V, KVM. “Type 1 гипервизоры напрямую обращаются к базовым машинным ресурсам. Они могут реализовывать собственные пользовательские стратегии распределения ресурсов для обслуживания своих виртуальных машин” [источник 10].

Type 2 (Хостинговые гипервизоры)
Работают поверх существующей операционной системы. Примеры: Oracle VirtualBox, VMware Workstation.

Технологии аппаратной виртуализации

Современные процессоры поддерживают технологии аппаратной виртуализации, которые значительно повышают эффективность работы с неполными ядрами:

• Intel VT-x и AMD-V - аппаратная поддержка виртуализации
• Hyper-Threading - “с гиперпоточностью: 1 физическое ядро = 2 логических ядра (потока)” [источник 1]
• NUMA - Non-Uniform Memory Access для оптимизации работы с памятью в многоядерных системах

Конфигурация CPU Topology

Современные гипервизоры позволяют детально настраивать топологию процессоров для виртуальных машин:

“Вы можете изменить количество виртуальных CPU на NUMA-узле, назначить виртуальное устройство виртуальному NUMA-узлу или оставить его без назначения” [источник 7].

Эта гибкость позволяет провайдерам создавать более точные и эффективные схемы распределения ресурсов, обеспечивая баланс между производительностью и изоляцией виртуальных машин.

Реализация системы с неполными ядрами на личном сервере

Реализация системы с неполными ядрами vCPU на личном сервере возможна, но требует определенных технических знаний и оборудования. Процесс установки и настройки включает несколько ключевых этапов.

Требования к оборудованию

Для реализации эффективной системы виртуализации с неполными ядрами потребуется:

• Многоядерный процессор с поддержкой технологий виртуализации (Intel VT-x/AMD-V)
• Достаточный объем оперативной памяти - минимум 16 ГБ для базовой конфигурации
• SSD-накопитель для обеспечения быстрой работы виртуальных машин
• Сетевое оборудование с поддержкой виртуальных сетевых интерфейсов

Выбор гипервизора

Для личного сервера наиболее подходят следующие гипервизоры:

KVM (Kernel-based Virtual Machine)
Встроен в ядро Linux и является одним из самых эффективных решений для Linux-систем. “Виртуализация CPU - это процесс абстрагирования или разделения физического процессора (CPU) на несколько виртуальных CPU, которые могут быть выделены виртуальным машинам (VM)” [источник 2].

Proxmox VE
Коммерческое решение с открытым исходным кодом, основанное на KVM и OpenVZ.

VMware ESXi
Профессиональное решение, но требует лицензии для коммерческого использования.

Процесс настройки

1. Включение виртуализации в BIOS - необходимо активировать Intel VT-x/AMD-V в настройках BIOS [источник 8]
2. Установка гипервизора - выбор и установка подходящего гипервизора
3. Конфигурация пула ресурсов - создание пула процессорных ресурсов с овербукингом
4. Настройка ограничений - установка лимитов и квот для виртуальных машин

Пример конфигурации

Вот пример базовой конфигурации KVM с использованием овербукинга:

# Создание виртуальной машины с 2 vCPU на физическом сервере с 4 ядрами
virsh create vm.xml
# vm.xml содержит:
# <vcpu placement='static'>2</vcpu>
# <cputune>
#   <shares>1024</shares>
#   <vcpupin vcpu='0' cpuset='0-1'/>
#   <vcpupin vcpu='1' cpuset='2-3'/>
# </cputune>

Таким образом, реализация системы с неполными ядрами на личном сервере вполне возможна, но требует тщательного планирования ресурсов и настройки гипервизора для обеспечения стабильной работы.

Преимущества и недостатки модели выделения ресурсов

Модель выделения ресурсов с использованием неполных ядер vCPU имеет как значительные преимущества, так и серьезные недостатки, которые важно учитывать при выборе облачного хостинга.

Преимущества модели

Экономическая эффективность
Негарантированные ядра позволяют провайдерам предлагать более дешевые тарифные планы, так как ресурсы используются более интенсивно. “Поскольку VPS-хостинг предлагает только часть общих ресурсов выделенного сервера, он дешевле для вас в использовании” [источник 13].

Высокая плотность виртуализации
Современные процессоры поддерживают создание множества виртуальных машин на одном физическом сервере. “5-е поколение процессоров AMD EPYC Server в настоящее время имеют самое высокое количество ядер, доступное в процессорах x86 для серверов. С 192 ядрами процессор AMD EPYC 9965 Server может поддерживать на 33% больше виртуальных CPU (vCPU), чем процессор Intel Xeon 6E ‘Sierra Forest’ с 144 ядрами” [источник 14].

Гибкость масштабирования
Пользователи могут легко изменять количество выделяемых ядер в зависимости от потребностей без необходимости менять физическое оборудование.

Баланс нагрузки
Гипервизоры автоматически распределяют нагрузку между всеми виртуальными машинами, обеспечивая стабильную работу даже при пиковых нагрузках.

Недостатки модели

Непредсказуемая производительность
При высокой загрузке физического сервера производительность виртуальных машин может значительно снижаться, так как ресурсы распределяются между большим количеством клиентов.

Ограниченная производительность при пиковых нагрузках
“Виртуальная машина не может иметь больше виртуальных CPU, чем количество логических ядер на хосте” [источник 11]. Это означает, что даже при выделении нескольких vCPU реальная производительность ограничена физическими возможностями сервера.

Проблемы с изоляцией ресурсов
При неправильной настройке гипервизора одна виртуальная машина может негативно влиять на производительность других, использующих те же физические ресурсы.

Сложность мониторинга
Трудно точно определить реальное количество выделенных ресурсов и их производительность, так как они динамически перераспределяются между всеми виртуальными машинами.

Сравнение с выделенными серверами

Выбор между этими моделями зависит от конкретных потребностей проекта: для тестовых сред, веб-сайтов с умеренной нагрузкой и разработки подходят негарантированные ядра,而对于 критически важных приложений с высокой нагрузкой лучше выделенные ресурсы.

Источники

1. CPU vs vCPU - Understanding vCPUs and IOMETE Licensing on Kubernetes
2. CPU Virtualization: How Modern Processors Power the Cloud - GreenCloud
3. Configure Virtual Machine CPU Resources - VMware Documentation
4. Virtual CPU Configuration and Limitations - VMware Documentation
5. What is a Hypervisor? - AWS
6. Configuring Resource Allocation Settings - VMware Documentation
7. Configure the CPU Topology of a Virtual Machine - VMware Documentation
8. How to Enable Virtualization in BIOS: A Step-by-Step Guide
9. Type 1 vs Type 2 Hypervisors - AWS
10. Hardware Assisted Virtualization in Cloud Computing Explained
11. Virtual CPU Limitations - VMware Documentation
12. Dedicated Server vs VPS - AWS
13. 13 Best VPS Hosting Providers 2025
14. AMD EPYC™ Processors

Заключение

Система негарантированных ядер vCPU является ключевым элементом современной облачной виртуализации, позволяющим эффективно использовать физические ресурсы серверов. Основные выводы по этой технологии:

Эффективность использования ресурсов
Негарантированные ядры позволяют провайдерам достигать высокой плотности виртуализации за счет овербукинга и динамического распределения процессорного времени между виртуальными машинами. Это делает облачные услуги более доступными для широкого круга пользователей.

Технологическая основа
Механизм работы основан на современных технологиях виртуализации, включая гипервизоры типа 1 (KVM, VMware ESXi), аппаратную поддержку виртуализации процессоров и гибкие системы управления ресурсами с использованием параметров reservation, limit и shares.

Практическая реализация
Для развертывания подобной системы на личном сервере необходимо соответствующее оборудование с поддержкой виртуализации, установка специализированного гипервизора и тщательная настройка параметров распределения ресурсов.

Баланс между стоимостью и производительностью
Основное преимущество модели - экономическая эффективность, но за это приходится платить непредсказуемостью производительности при высокой загрузке физического сервера. Для критически важных приложений лучше использовать выделенные ресурсы,而对于 тестовых сред, разработки и веб-сайтов с умеренной нагрузкой негарантированные ядра являются оптимальным решением.

Дальнейшее развитие технологий виртуализации, включая более продвинутые алгоритмы распределения ресурсов и аппаратную поддержку, будет продолжать совершенствовать эффективность и надежность работы с неполными ядрами vCPU в облаке.