Wat is server virtualisatie?
Server virtualisatie houdt in dat een fysieke server wordt “opgedeeld” in een aantal virtuele machines. Dit houdt dat er in een server een abstractie- of tussenlaag -ook wel hypervisor genoemd- wordt gelegd tussen de computer-, storage- en netwerk-hardware, en de software die daarop moet draaien. Die tussenlaag maakt het mogelijk om verschillende soorten en typen besturingssystemen en hun bijbehorende applicaties te laten draaien op één fysieke server.
Hierdoor ontstaan virtuele machines of virtuele servers die elk met een eigen besturingssysteem naast elkaar, maar volledig onafhankelijk van elkaar, kunnen draaien op dezelfde fysieke machine. Elke virtuele machine krijgt in feite zijn eigen set virtuele hardware (b.v. werkgeheugen, processor, netwerkaansluiting, e.d.) toebedeeld, waarop het besturingssysteem en applicaties worden geladen.
Voordelen van virtualisatie
In de “oude” situatie werd elke server meestal gebruikt voor slechts één toepassing. Omdat er op een server slechts één besturingssysteem kon draaien, stonden er in een datacenter maar ook in een afdelingsomgeving een groot aantal verschillende servers met daarop (per server) verschillende besturingssystemen voor slechts één enkele toepassing. Het gevolg was dat er net zoveel “dozen” als toepassingen waren en dat had zijn directe weerslag op het beheer en onderhoud van al die verschillende machines. Bovendien werd de werkelijke capaciteit van elke server onvoldoende benut (maximaal 5-10 %).
Serverconsolidatie door middel van het toepassen van een virtuele infrastructuur zoals hierboven beschreven maakt het mogelijk om de fysieke (één besturingssysteem, één toepassing) servers om te zetten in virtuele machines en deze te laten draaien op één enkele fysieke server.
Zie figuur 1.
Vóór Virtualisatie: Na Virtualisatie
• Één OS image per machine • Hardware onafhankelijk van OS en applicatie
• Software en hardware gecombineerd • OS en Applicatie kunnen worden ingekapseld in één enkele virtuele machine
• Meer applicaties geeft vaak conflicten • Virtuele machines kunnen verplaatst worden
• Onvoldoende benutting en inflexibel
Figuur 1. Van één besturingssysteem/één toepassing naar verschillende toepassingen op basis verschillende besturingssystemen (virtuele machines) op één fysieke server.
De voordelen van virtualisatie zijn eenvoudig op te sommen. Omdat de fysieke hardware wordt ontkoppeld van het besturingssysteem kunnen IT middelen beter worden benut en kan er een grotere flexibiliteit worden verkregen. Elke virtuele machine bestaat namelijk uit slechts een klein aantal bestanden dat een volledig hardware platform simuleert. Hierdoor wordt de “één server, één toepassing” gedachte volledig achterhaald en stelt het organisaties in staat om:
Hardware kosten omlaag te brengen
Door middel van virtualistatie is het mogelijk om de hardware en software kosten met 70% te reduceren doordat:
• Het aantal benodigde servers wordt verminderd. Omdat in de meeste IT omgevingen voor elke toepassing een unieke server wordt ingezet, kan het voorkomen dat er in een datacenter de werkelijke belasting per server slechts 10% is. Ook worden er in datacenters veel servers gebruikt die alleen worden ingezet voor ontwikkeling en testing. In een virtuele infrastructuur kan men meer virtuele servers op één fysieke server draaien, waardoor er minder servers behoeven te worden aangeschaft en men meer rendement per server kan behalen.
• De support kosten per server lager worden. Door het aantal servers terug te dringen, kunnen organisaties besparen op hardware supportcontracten en vooral op dure verlengde contracten van de oudere “legacy” servers die nog nodig zouden kunnen zijn voor oudere toepassingen, besturingssystemen en applicaties. Deze legacy applicaties kunnen immers op de bestaande nieuwere servers draaien als virtuele server. Op deze manier kan ook de support en het beheer door het eigen personeel van deze servers drastisch worden teruggeschroefd.
• De hardware kosten benodigd voor disaster recovery sterk worden verminderd. De meeste disaster recovery implementaties houden in dat server omgevingen en datacenters exact gedupliceerd moeten worden. Dit houdt in dat er dure server omgevingen moeten worden aangeschaft die grotendeels niet actief zijn. In een virtuele infrastructuur zijn de virtuele machines hardware onafhankelijk en kunnen worden gedraaid op en een klein (er) aantal fysieke servers. Kritieke omgevingen kunnen op deze manier eenvoudiger en op aanzienlijk minder servers geïmplementeerd worden en zonder dat de configuratie fysiek exact gedupliceerd behoeft te worden..
Downtime kosten te reduceren
Downtime, gepland of ongepland, kan van grote invloed zijn op de inkomsten, winst en kosten van organisaties. Dit geldt voor de kosten van productiviteitsverlies, verloren opdrachten, inkomsten en marges. Maar ook klantenergernis en die tijd die het kost om het serviceniveau weer op peil te brengen, dragen bij tot een enorme kostenpost direct en op termijn. In een virtuele infrastructuur is derhalve het mogelijk om:
• Geplande downtime te verminderen: Geplande downtime kan tot zo’n 70% van de totale downtime innemen. Omdat het mogelijk is om met VMware VMotion™ technologie draaiende virtuele machines van het ene gastsysteem naar het andere te verhuizen, kan systeembeheer hiermee bijna een continue systeem beschikbaarheid realiseren.
• Ongeplande downtime te voorkomen of reduceren: VMotion maakt het uiteraard ook mogelijk om in het geval van een hardwareprobleem, de virtuele machines te verhuizen naar een fysieke server die geen problemen heeft. Zelfs in het geval dat er een server echt down gaat, is het mogelijk om de virtuele machines snel weer in de lucht te krijgen door ze op te starten op een andere fysieke server.
Operationele kosten omlaag te brengen
Evenals de besparingen in hardware kosten, kunnen besparingen worden gerealiseerd in operationele kosten en dit tot wel 70%. Virtualisatie maakt het mogelijk om:
• Data center stroom- en koelingskosten omlaag te brengen. Door het aantal servers in datacenters te verminderen zal dit direct tot gevolg hebben dat de stroom- en koelingskosten lager worden.
• Netwerk en opslag infrastructuurkosten omlaag te brengen. Omdat virtuele machines die op dezelfde fysieke server draaien tevens ook de netwerk- en storageverbindingen delen, zal ook het aantal benodigde fysieke netwerk- en storage poorten lager zijn. Dit zal tot gevolg hebben dat de kosten voor de aanschaf en inzet van bijvoorbeeld SAN- en netwerk-switches, -kabels en –beheer lager zijn.
•Efficienter beheer te realiseren. Een virtuele infrastructuur maakt het mogelijk om veelvoorkomende taken zoals toevoegen, configureren, herconfigureren en migraties van servers te centraliseren, stroomlijnen en te automatiseren. De tijd die nodig is om een nieuwe server in te zetten bijvoorbeeld, kan worden teruggebracht van dagen of weken naar minuten. Het herconfigureren van virtual machine hardware en het migreren van gevirtualiseerde workloads naar andere hardware kan vanaf het bureau van de systeembeheerder gedaan worden in slechts een aantal minuten. De verhoogde efficientie die dit met zich meebrengt, maakt het mogelijk om een groeiend aantal servers te beheren zonder dat men meer mensen behoeft in te zetten.
Blades virtualisatie en besparingen
Opvallend is dat alle punten hierboven beschreven onder het terugbrengen van de Operationele kosten ook al kunnen worden gerealiseerd door de inzet van Blade servers. De combinatie van Blades en een virtuele infrastructuur kan op deze manier tot nog hogere besparingen leiden.
Hoe werkt het?
Het werken met virtuele machines kan op verschillende manieren worden gerealiseerd. De meest gebruikte zijn de “hosted” architectuur en de “bare metal” architectuur.
De “hosted” architectuur is de eenvoudigste manier. Hierbij laat men een virtualisatielaag of hypervisor als applicatie draaien op een bestaand besturingssysteem. De virtuele machines die vervolgens met hun eigen besturingssystemen op die laag worden geïnstalleerd, worden als “gast”aangeduid. Het voordeel van een oplossing als deze, is dat bijvoorbeeld oudere besturingssystemen nog -of eigenlijk weer- kunnen draaien op nieuwe hardware. Een nadeel hiervan is dat deze virtualisatielaag bovenop het bestaande besturingssysteem veel vergt van de prestaties van de server en deze traag kan worden. Een ander nadeel is dat het bestaande Host OS regelmatig zal moeten worden gepatched met als gevolg dat de bovenliggende virtuele machines uitgezet moeten worden. Een oplossing als deze zien we daarom eerder in testomgevingen en soms in de kleinere afdelingsomgevingen dan in een datacenter omdat men met deze “tweedelijns” virtualisatie niet kan beschikken over bijvoorbeeld dynamische load balancing en clustering. Toepassingen van deze oplossing zijn VMware Server, Xen en Microsoft Virtual Server.
Zie figuur 2.
Figuur 2. Virtualisatielaag op basis van een bestaand besturingssysteem. De virtuele machines draaien met hun eigen besturingssysteem en applicatie(s) op deze laag.
De meest gebruikte benadering is om de virtualisatielaag of hypervisor direct op de server hardware te laten draaien. Bij VMware wordt dit ook wel Bare Metal genoemd. Hierbij wordt de hypervisor of in het geval van VMware, VMware ESX software direct op de vaste schijf geïnstalleerd. Deze hypervisor regelt de toegang van elk gast besturingssysteem tot de fysieke hardware door deze hardware te maskeren voor het gast besturingssysteem (gast O/S). Het emuleert delen van de systeemhardware en geeft het gast O/S het idee dat het draait op een standaard (fysieke) server met duidelijk gedefinieerde en toegekende hardware onderdelen.
Zie figuur 3.
Figuur 3. Virtualisatielaag of hypervisor direct op de fysieke hardware (Bare Metal). De virtuele machines draaien met hun eigen besturingssysteem en applicatie(s) op deze hypervisorlaag.
De hypervisor zorgt er voor dat de instructies door het gast O/S die van invloed kunnen zijn op de systeemhardware – zoals specifieke instructies voor de CPU – dat die op een zodanige wijze worden behandeld en uitgevoerd, dat andere gast O/Sen hiervan geen hinder zullen ondervinden of dat het bijvoorbeeld fouten kan veroorzaken in de OS kernel.
Op deze manier kan elke virtuele machine autonoom werken en is niet op de hoogte van het feit dat de hardware wordt gedeeld met andere “machines”. Hierdoor kan een groot aantal servers (zelfs met verschillende besturingssystemen of verschillende versies daarvan) op één hardware platform draaien. Een voorbeeld van een oplossing gebaseerd op één fysieke server met daarop drie verschillende virtuele machines zou kunnen zijn:
• Microsoft Windows NT®4 en Exchange 5.5
• Windows Server 2003 en Exchange Server 2003
• Een domain controller
De derde virtuele machine in het bovenstaande voorbeeld, de virtuele domain controller, begint aan populariteit te winnen in bedrijfsomgevingen met verspreide kantoren. Deze hebben namelijk meestal wel een lokale domain controller nodig, maar willen niet graag extra betalen voor een fysieke machine. Maar ook voor disaster recovery omgevingen kan deze oplossing worden toegepast.
Men zou ook één virtuele machine met Microsoft SQL Server kunnen laten draaien en andere virtuele machines met Oracle® en/of Lotus Notes. Normaalgesproken zouden deze toepassingen afzonderlijke hardware nodig hebben om incompatibiliteitsproblemen te vermijden en om maximale prestaties te waarborgen. Doorslaggevend voor alle bovenstaande oplossingen is dat deze virtuele machines met hun besturingssystemen en applicaties volledig onafhankelijk van elkaar kunnen draaien. De meest geïmplementeerde en succesvolle oplossing zoals hierboven beschreven is VMware ESX Server.
VMware en haar onderdelen
VMware is sinds 1998 bezig met virtualisatie op basis van x86-machines en heeft sinds die tijd producten voortgebracht die door alle fabrikanten van x86-machines worden ondersteund. Het bedrijf beschikt over software oplossingen voor zowel “hosted” (Workstation en VMware Server) en “hypervisor” (ESX Server) architecturen. Beide oplossingen zijn hierboven reeds besproken. Figuur 4 toont de VMware invulling van deze architecturen.
Hosted Architectuur Bare-Metal (Hypervisor) Architectuur
Figuur 4. De “hosted” en “hypervisor” architecturen van VMware.
De hypervisor omgeving van VMware is het meest succesvol product en dit wordt wereldwijd in meer dan 75% van de virtual machine omgevingen toegepast.
Het is om die reden dat in dit artikel over Blades en Virtualisatie met name aandacht wordt besteed aan VMware ESX Server.
VMware ESX Server maakt het mogelijk om een aantal verschillende industrie standaard x86 servers compleet met hun bestaande processoren, geheugen, schijven en netwerkaansluitingen, om te zetten tot één enkele pool van computermiddelen, de virtuele infrastructuur. Besturingssystemen en hun applicaties worden hierin omgezet tot afzonderlijke, beveiligde en verplaatsbare virtuele machines die elk hun eigen processor-, geheugen-, netwerk- en schijfcapaciteit krijgen toebedeeld op basis van prioriteit. Deze virtuele machines kunnen op elke fysieke server in het poolsysteem draaien en kunnen bovendien van server tot server worden verplaats indien dat nodig is. Het gevolg is dat virtuele machines dynamisch kunnen worden toegekend of worden verplaatst naar die fysieke server in de pool die daarvoor het meest geschikt is, flexibel en zonder enige vorm van downtime.
Door hardware oplossingen in een pool op te nemen, kunnen IT omgevingen geoptimaliseerd worden om dynamisch elke verandering in de zakelijke behoeften te ondersteunen terwijl de flexibiliteit en de volledige benutting van de hardware verzekerd is.
De VMware ESX Server is in feite een softwarelaag die een uniform hardware image emuleert waarop besturingssystemen en applicaties kunnen draaien. Bovenop dit platform draait VMware’s VirtualCenter dat zorg draagt voor het beheer van de virtuele machines en het verdelen van de werklast hiervan over de verschillende fysieke servers. Virtual Center draait op haar beurt weer in combinatie met de unieke VMware VMotion™ technologie voor de mobiliteit van die virtuele machines.
Zie figuur 5.
Figuur 5. De VMware Infrastructuur.
De VMware Infrastructuur zoals hierboven afgebeeld, bestaat uit een aantal onderdelen. Hiervan noemen we de belangrijkste:
VMware ESX Server . Dit is de virtualisatielaag (hypervisor) die op de fysieke server wordt geïnstalleerd en die de processor-, geheugen-, opslag-, en netwerkhardware opdeelt in virtuele machines.
VirtualCenter. Dit is het centrale punt voor het configureren, toebedelen, en beheren van gevirtualiseerde IT omgevingen.
VMware VMotion . De functie die het mogelijk maakt om draaiende virtuele machines te migreren van de ene fysieke server naar de andere, zonder enige vorm van downtime en met volledig behoud van het bestaande serviceniveau.
VMware HA . De high availability functionaliteit van VMware waarbij in het geval van downgaan van een server, de getroffen virtuele machines die daarop draaiden, onmiddellijk en automatisch worden geherstart op andere productieservers met voldoende ruimte.
VMware Distributed Resource Scheduler (DRS) . De functie die de computercapaciteit in de gaten houdt en die virtuele machines dynamisch toebedeelt en herverdeelt over de fysieke servers in de computerpool. Dit kan het beste worden vergeleken met load balancing.
VMware ondersteunt op dit moment onder andere de volgende besturingssystemen: Windows 95/98/NT/2K/2003/XP/3.1/MS-DOS 6; Linux (Red Hat, SUSE, Mandrake, Caldera); FreeBSD (3.x, 4.0-4.9); Novell (NetWare 4,5,6); Sun Solaris 9 en 10 (in experimentele fase). Zie figuur 6.
Figuur 6.
De VMware Infrastructuur met daarin voorbeelden van de verschillende ondersteunde besturingssystemen.
Virtualisatie en Blades
De HP BladeSystem c-Class omgeving zorgt voor een naadloze integratie met de virtuele machine technologie door zijn flexibiliteit, het volledig redundante en betrouwbare ontwerp, de mogelijkheid om power en koeling te schaalbaar toe te passen en het HP Virtual Connect concept.
BladeSystem server modellen zijn beschikbaar in een verscheidenheid aan processoren (single-core, multi-core, AMD Opteron, Intel Xeon, Intel Itanium), geheugen-, en I/O technologieën. Systeembeheerders kunnen een BladeSystem c7000 enclosure eenvoudig opschalen van een minimum van één enkele blade tot een maximum van 16 servers. De blade infrastructuur biedt dus een natuurlijke omgeving voor een “farm” van virtuele machines die onmiddellijk en flexibel zijn in te zetten. Niet alleen is het mogelijk om virtuele machines van host naar host te verplaatsen, het is ook erg eenvoudig om binnen het blade enclosure de werklast direct te herverdelen indien nodig omdat er in het chassis verschillende blades aanwezig kunnen zijn met andere (lees hogere) processor en geheugenconfiguraties gebaseerd op dezelfde hardwareprincipes (netwerk, voeding, I/O). De resourcepool zoals hierboven al eerder genoemd, wordt met blades in een blade enclosure fysiek vormgegeven waarbij VMware over alle bladeservers, de gekoppelde netwerken (SAN en ip) en storage, een Virtuele Infrastructuur laag kan leggen. Zie figuur 6.
Op deze manier zijn de virtuele machines zeer eenvoudig te verplaatsen binnen de fysieke servers in het blade enclosure, maar kan men ook extra computerkracht toevoegen aan het enclosure indien gewenst en kunnen de blades worden ingezet als hot pluggable servers!
Als we nu een vergelijking maken van twee 42U racks in een datacenter waarbij in het ene rack vier blade enclosures zijn opgenomen met elk zestien BL460c blades. Dit houdt in dat er 128 quad core of dual core processoren in dat rack aanwezig zijn. Het tweede rack zou theoretisch gevuld kunnen worden met 42 1U DL360 rack servers, ook elk met 2 quad core of dual core processoren. In het laatste geval zou het rack dan over 84 sockets beschikken . Echter het wordt in deze omgeving aangeraden het rack voor de helft te vullen i.v.m. airflow en ter voorkoming van hitte problemen. Dus dat wil zeggen, dat er eigenlijk 22 DL360 rack servers in een 42U rack gaan, dus dat men kan beschikken over 44 sockets.
Soms is dergelijke computerkracht noodzakelijk en omdat de ruimte in een datacenter beperkt is, blijken blades een betere keuze. Bovendien gebruiken blades per stuk 25% minder kilowatt uur omdat bijvoorbeeld de voeding en de fans gedeeld worden. Door het slim delen van componenten verbruiken blades minder stroom en hebben minder koeling nodig dan rackservers, dus dan is de keuze gauw gemaakt. Ook is de inzet van blade servers een goede benaderding wanneer systeembeheer beschikt over niet al te veel personeel. Het is immers eenvoudiger om 4 enclosures te beheren dan 22 individuele servers. En tot slot is het toevoegen of wijzigen van bladeconfiguraties bijzonder snel en eenvoudig uit te voeren door de blade aan het enclosure toe te voegen en deze te voorzien van een image. Op deze manier is het installeren en toevoegen van een blade even eenvoudig als het toevoegen van een hot pluggable schijf in een schijvencabinet.
Het spreekt voor zich dat in combinatie met VMware blades nog eenvoudiger te beheren, wijzigen en toe te voegen zijn. Met VirtualCenter en VMotion kunnen blades direct ingezet worden en voorzien van virtual machines. Het is zelfs mogelijk om bestaande blades direct in te configureren en implementeren door middel van automatische scripts. Omdat alle blades een uniforme hardware configuratie hebben, is de configuratie op basis van VMware snel uit te voeren en is capaciteitsplanning redelijk eenvoudig. Bovendien zijn er minder hot-plug blades in voorraad nodig omdat de werklast goed kan worden verdeeld.
Hieronder in figuur 7 een overzicht van de voordelen die men kan realiseren indien men gebruik maakt van blades in plaats van rackservers en vervolgens indien men de blade omgeving voorziet van een VMware omgeving.
Figuur 7.
De Voordelen die men kan realiseren door blades in te zetten in plaats van rackservers. De laatste kolom toont het toegevoegde voordeel indien de blade omgeving is uitgerust met VMware.
Tot slot geldt ook voor blades dat men bij de introductie hiervan uitging van de “één server, één toepassing” structuur. Door toepassing van VMware en VMware VirtualCenter, echter, is het inzetten en toebedelen van virtuele machines in een bestaande uniforme blade omgeving zodanig eenvoudig en flexibel dat de meest optimale, schaalbare en redundante IT omgeving gerealiseerd kan worden in één enkele enclosure. Zie figuur 8.
Figuur 8. Blades zonder en met VMware VirtualCenter; optimale benutting, schaalbaarheid, flexibiliteit en redundantie.
Conclusie
Virtualisatie en blade servers gaan steeds meer een onlosmakelijk geheel vormen. De voordelen van blades zoals het razendsnel kunnen inzetten en uitbreiden van hardwarematige servercapaciteit, worden direct gecomplementeerd door de voordelen van virtualisatie door middel van VMware met haar Virtual Center en VMotion.
Het virtualiseren van blade servers blijkt in de praktijk in datacenters een operationele kostenbesparing van meer dan 70% met zich mee te brengen in vergelijking met blades zonder virtualisatie. VMware VMotion technologie verhoogt bovendien de flexibiliteit van de IT omgeving door snellere responstijden, vervanging zonder personele aanwezigheid en onderhoud met zero downtime. Het inzetten van VMware software draagt in zijn algemeenheid bij tot standaardisatie, een eenvoudigere capaciteitsplanning en een verhoogde productiviteit per server. De combinatie ook van HP’s Virtual Connect met virtuele machine technologie maakt het voor systeembeheerders veel eenvoudiger om servers toe te voegen en/of te vervangen, waardoor hun dagelijkse productiviteit enorm toeneemt.
Kortom, blades en virtualisatie zijn een gouden combinatie.
Was dit artikel helder, vergeet dan niet om één onze sponsors te bezoeken
(rechts in het menu)