Виртуализация серверов в корпоративном ВЦ

24 февраль, 2006 - 00:00Алексей Быков

Значительное расширение сферы использования компьютерных технологий в бизнесе в 90-х годах прошлого века привело к возникновению больших, зачастую гетерогенных и трудно управляемых корпоративных IТ-инфраструктур. Сложившаяся ситуация требовала перепроектирования всего процесса управления. В результате появилась концепция серверной виртуализации.

Виртуализация серверов в корпоративном ВЦ

Рис. 1. Виртуальная инфраструктура

Основные задачи корпоративных компьютерных систем – выполнение бизнес-приложений, хранение данных и предоставление канала для их передачи. Сложность IТ-инфраструктур предопределила расслоение системы на уровни управления и создание нескольких слоев абстрактных ресурсов управления, другими словами, применение технологий виртуализации. Для трехуровневых систем «клиент-сервер» главной задачей стала организация связи, и поэтому первой появилась и была внедрена виртуализация сетей передачи данных. И сейчас, наверное, никого из IТ-специалистов уже не удивляют, например, такие понятия, как «VLAN» или «VPN». Затем для обеспечения гибкости, уменьшения стоимости и улучшения сервиса большинство крупных предприятий внедрили у себя SAN и используют внешние дисковые массивы, предоставляющие услуги виртуализации (RAID, логические устройства LUN, реплики и т. п.). Сегодня не только на Западе, но и в Украине получают широкое распространение технологии серверной виртуализации. Синергетическая комбинация виртуализации сетевой инфраструктуры, систем хранения данных и вычислительных ресурсов создала новую категорию программного обеспечения – виртуальную инфраструктуру (рис. 1).

Серверная виртуализация

В компьютерном мире разделение крупной монолитной системы на управляемые подсистемы для достижения большей гибкости распределения ресурсов впервые в промышленных масштабах было предпринято корпорацией IBM еще в 1972 г. Тогда была анонсирована машина виртуализации VM для мэйнфреймов S/360. Но даже эти попытки не смогли сделать цену вычислительных ресурсов приемлемой.

Эра персональных компьютеров радикально удешевила вычисления и принесла более дешевый способ распределения вычислительных ресурсов, чем решения на базе мэйнфреймов. Поэтому в 80–90-х гг. виртуализация вне среды мэйнфреймов использовалась редко. И только в конце 90-х ученые снова активизировали свои исследования в этой области. В 1998 г. для практической реализации полученных результатов были созданы первые широко известные сейчас компании: VMware (в конце 2003 г. ее приобрела корпорация EMC) и Connectix (куплена в 2003 г. корпорацией Microsoft).

Серверной виртуализацией называется логическая организация вычислительных ресурсов сервера, отличная от физической. Благодаря этому создается новый объект для выполнения программ – виртуальный сервер, который называется системной виртуальной машиной, или просто виртуальной машиной (ВМ).

Каждая ВМ имеет собственный набор виртуальной аппаратуры (CPU, RAM, NIC и т. п.), на который загружаются операционная система и приложения. Виртуализация позволяет множеству ВМ с различными ОС изолированно выполняться на одном и том же физическом компьютере. Операционная система ВМ «видит» полностью совместимый стандартный набор вычислительных ресурсов независимо от применяемых физических аппаратных компонентов.

Чем продукты виртуализации серверов отличаются от таковых для ПК

В зависимости от области использования существует несколько различных классов продуктов виртуализации серверов. Первый из них, знакомый уже значительному количеству компьютерных специалистов, представлен настольными решениями, такими как VMware Workstation и Microsoft Virtual PC. Они устанавливаются как обычное приложение и позволяют запускать гостевые ОС в ВМ. Основным недостатком такого способа запуска виртуальных машин в промышленности является то, что ОС хоста вместе со своей графической оболочкой «отбирает» значительное количество ресурсов (10–30%).

Для групп разработчиков были выпущены первые серверные продукты виртуализации уровня отдела: VMware GSX Server и Microsoft Virtual Server 2005. Эти решения, с преимуществами и недостатками аналогов уровня настольных систем виртуализации, усилены средствами удаленного управления и запуска удаленных консолей ВМ. Они различаются наличием или отсутствием поддержки Linux.

В корпоративной среде виртуальные серверы должны обеспечивать такую же производительность, как и физические; хорошо масштабироваться; иметь средства централизованного управления и мониторинга, систему разделения доступа и обеспечения безопасности; поддерживать современную аппаратуру, используемую в вычислительных центрах; обладать средствами динамического перераспределения нагрузки, или, по словам Менделя Розенблюма, одного из создателей и главного научного руководителя компании VMware, «быть лучше, чем физические серверы». Сегодня единственным продуктом по-настоящему корпоративного класса, позволяющим эксплуатировать его в промышленности, является VMware ESX Server с технологией Virtual SMP. В нем минимизирована потребность в вычислительных ресурсах ОС хоста (всего 2–7%) и добавлены особенно востребованные в современной IT-инфраструктуре возможности динамичного перераспределения ресурсов, обеспечения необходимых уровней IT-сервисов для удовлетворения требований бизнеса. В связи с ориентацией на промышленную эксплуатацию этот продукт имеет развитую поддержку систем хранения данных корпоративного уровня (SAN, внешние дисковые массивы) и обладает по сравнению с аналогами максимальными возможностями масштабирования. В нем также реализован ряд уникальных технологий, например специальные функции управления оперативной памятью.

Рис. 2. Поддержка различных технологий виртуализации и продуктов «экосистемы» в решениях VMware

Вокруг технологии виртуализации VMware ESX Server уже многие годы развивается соответствующая «экосистема», усиливающая ее корпоративную направленность (рис. 2). Главную роль в этой «экосистеме» играет VMware VirtualCenter – продукт централизованного управления всей виртуальной инфраструктурой с технологией оперативного (под нагрузкой) перемещения виртуальных машин VMotion. Существуют и прекрасные решения для управления или улучшения управления виртуальной инфраструктурой от IBM, HP, BMC Software, LeoStream и Computer Associates, а также ПО для автоматизации миграции между физическими и виртуальными машинами компании PlateSpin и самой VMware – P2V Assistant. Все ведущие производители систем резервного копирования, в числе которых Veritas, EMC|Legato, HP, IBM, CA, поддерживают в своих продуктах ESX Server.

В ожидающейся в 2006 г. третьей версии VMware ESX Server возростут допустимые размеры оперативной памяти гостевых ОС (с 3,6 GB до 16 GB), и вместе с Virtual SMP станет возможным создавать уже четырехпроцессорные ВМ (ранее ВМ могла быть только двухпроцессорной). Также в версии VirtualCenter 2.0 должна появиться технология автоматической кластеризации виртуальных машин и упрощения их резервного копирования.

В данном контексте нельзя не упомянуть недавно выпущенное бесплатное ПО VMware Player, позволяющее запускать при необходимости даже на ПК (с ОС Windows или Linux) виртуальные машины не только от VMware (VMware Workstation, GSX Server, ESX Server), но и от Microsoft, а также просматривать образы дисков формата Symantec LiveState Recovery.

Более того, 6 февраля компания VMware сообщила о выпуске нового программного продукта для виртуализации, получившего название VMware Server и пока находящегося на стадии бета-тестирования. Он станет преемником пакета VMware GSX Server и будет иметь ряд улучшений и дополнений. Производитель, в частности, отмечает поддержку 32- и 64-битовых операционных систем Windows и Linux, совместимость с Intel Virtualization Technology, простоту установки, администрирования и сопровождения. Однако, пожалуй, главная особенность VMware Server заключается в том, что пакет распространяется бесплатно. Финальная модификация VMware Server должна быть представлена летом.

Разработка продуктов серверной виртуализации в корпорации Microsoft идет в аналогичном направлении, но с отставанием примерно на год. Этот вывод можно сделать, в частности, на основании документа Microsoft Enterprise Software Roadmap. И в ближайшем будущем с выходом новой версии ОС Windows, в которой заявлено отделение графической подсистемы от ядра, мы, может быть, увидим продукт Microsoft, аналогичный по возможностям VMware ESX Server.

Особняком стоит такой продукт виртуализации корпоративного уровня, как VMware ACE (Assured Computing Environment). Это объясняется иным способом его использования – он обеспечивает более высокую степень безопасности вычислительной среды корпорации.

Почему виртуализация выгодна

Перечислим основные технологические преимущества использования ВМ:

1)декомпозиция:

компьютерные ресурсы рассматриваются как единый однородный пул, распределяемый между виртуальными машинами;
множество приложений и операционных систем могут сосуществовать на одной физической компьютерной системе;

2)изоляция:

ВМ полностью изолированы друг от друга. Аварийный отказ одной из них не оказывает никакого влияния на остальные;
данные не могут передаваться между ВМ и приложениями, за исключением случая использования общих сетевых соединений со стандартной конфигурацией;

3)инкапсуляция: полная среда виртуальной машины сохраняется в виде одного или нескольких файлов – его (их) просто резервировать, перемещать и копировать;

4)совместимость гарантируется посредством представления виртуальной аппаратуры приложениям и ОС как стандартной.

С точки зрения обеспечения необходимых IT-сервисов для бизнеса виртуализация предоставляет:

независимость от особенностей реализации физической аппаратной части;
дополнительные средства безопасности вне контекста операционной системы;
возможность динамического перераспределения вычислительных ресурсов, в том числе и за счет перемещения работающих приложений в оперативном режиме между физическими серверами.

Какие задачи таким образом можно решать

Основными областями применения технологий виртуализации, приносящими немедленные и ощутимые выгоды, являются проекты логической консолидации IT-инфраструктуры, задачи обеспечения непрерывности бизнес-операций и быстрого восстановления после наступления чрезвычайных обстоятельств, а также системы разработки и тестирования ПО. Выделение перечисленных областей не исключает других способов использования этих технологий, например в учебных целях.

Консолидация

Консолидация компьютерных ресурсов путем виртуализации серверов позволяет эффективно разделять ресурсы крупной системы между различными приложениями и обеспечить требуемый уровень сервиса. Серверы могут быть консолидированы в ВМ с использованием как архитектуры scale-up (множество задач на одном или нескольких мощных серверах), так и scale-out (решение крупной задачи с помощью множества ВМ). При этом удается снизить число объектов управления за счет использования стандартных ВМ. Администрирование меньшего количества стандартных компонентов оказывается дешевле от нескольких до десятков раз.

Из кибернетики известно, что при уменьшении разнообразия n управляемой системы всего в 2 раза требования к разнообразию управляющей системы уменьшаются с (2ⁿ)²ⁿ до (2^n/2)²^n/2. При достаточно больших n снижение требований к управляющей системе очень заметно. Поэтому уменьшение разнообразия как один из основных методов управления делает поведение системы более предсказуемым.

Таким образом, при использовании технологий виртуализации в проектах консолидации получают:

более низкую общую стоимость владения (TCO);
более высокий уровень эффективности использования (утилизацию) вычислительных ресурсов;
увеличенную эффективность операций;
дополнительные возможности управления.

Более эффективное использование имеющихся ресурсов освобождает от необходимости приобретать значительное количество аппаратных и программных средств, уменьшает требования к необходимому пространству для размещения серверов, к системе вентиляции и охлаждения, значительно снижает энергопотребление.

Обеспечение непрерывности бизнес-операций

Использование стандартных «строительных» блоков для построения IT-инфраструктуры позволяет обеспечить высокие параметры непрерывности бизнеса за меньшие деньги.

Так как фактически ВМ – файл, то ее защита значительно упрощается. Это особенно важно при восстановлении после сбоя ВЦ. Вторым фактором, упрощающим защиту виртуальных машин, является то, что все они стандартны – используют одинаковое «аппаратное» обеспечение. Поэтому для работы ВМ не нужно иметь точную аппаратную копию физического сервера, на котором она запускается.

Использование технологий виртуализации для уменьшения количества объектов защиты позволяет реализовать:

более быстрое и гибкое восстановление IT-инфраструктуры после наступления чрезвычайных обстоятельств за гораздо меньшие деньги;
значительное сокращение времени запланированных и незапланированных простоев, причем первых можно полностью избежать;
упрощенные и повторяющиеся процессы для внедрения решений, обеспечивающих непрерывность бизнеса.

Поддержка среды разработки и тестирования

Необходимость выживать в быстро меняющихся рыночных отношениях оказывает сильнейшее воздействие на качество разработки приложений, которые обычно требуются еще «на вчера», и, конечно, должны быть подешевле. Создание современных приложений затрудняется сложной структурой таких программ (распределенность, многоуровневость, использование различных версий ОС, браузеров, ПО промежуточного слоя).

Использование технологий виртуализации позволяет сократить время разработки, снизить стоимость и улучшить ее качество. Недаром первыми, кто осознал преимущества виртуализации, были, в основном, создатели ПО. Виртуализация в среде разработки и тестирования программного обеспечения позволяет:

консолидировать используемые в процессе создания и тестирования серверы и рабочие станции;
моделировать и тестировать полные многомодульные комплексы эксплуатационной среды на одной физической платформе;
различным командам разработки и тестирования обмениваться полными комплексами;
избежать повторения задач конфигурации для циклов разработки и тестирования.

Солидная научная основа, зрелость продуктов виртуализации серверов, широчайшая и всеобщая поддержка в IT-индустрии, явные и неоспоримые выгоды использования – все говорит о том, что настало время их внедрения.