Green IT. Karsten Heiken Pascal Marchand Andy Traumüller.

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1 Green IT Karsten Heiken Pascal Marchand Andy Traumüller Hochschule Emden/Leer Projektierung und Betrieb von Rechnernetzen 23. März 2011

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 4 2 Energieeffiziente Infrastruktur Rechenzentrum Stromverbrauch Kühlung Unterbrechungsfreie Stromversorgung Thin Clients Virtualisierung Verfahren Betriebssystem-Virtualisierung (OS-Container) Systemvirtualisierung durch Virtual Machine Monitor Hardware-Emulation Hardware-Virtualisierung Paravirtualisierung Anwendungsvirtualisierung Fazit Virtualisierung in der Praxis Installation von OpenVZ Erzeugung einer neuen VE Konfiguration von existierenden VEs Migration zwischen Host-Nodes Return of Investment Total Cost of Ownership Energiekosten Momentaner Stand Einsparungspotential durch Virtualisierung Server based Computing Desktop-Virtualisierung Performance Virtual Desktop vs Server Based Computing Hardware und Hostsysteme Thin Clients Bladeserver

3 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Hardware Komponenten Angewandte Techonologien Gründe für Bladeservern Konsolidierung Fazit 40 3

4 1 Einleitung Ob kleiner Gärtner oder Großunternehmen, mitlerweile sind Unternehmen ohne Backoffice Anwendungen, Datenbanken, Internetauftritten usw. nichtmehr in der Lage, regional oder international Wirtschaftlich mitzuhalten. Dieser Aufwand an EDV Anlagen, spiegelt sich in den Erfordernissen eines Rechenzentrums nieder. Der steigende Aufwand von Servern und Datenspeichern schlägt sich in TCO (Total cost of ownership) kalkulationen nieder. Jetzt kann man darüber streiten, ob man Stromkosten überhaupt zu berücksichtigen hat, im vergleich der Anschaffungskosten von Hardware und Software. Doch fakt ist, dass die Stromrechnungen mittlerweile der größte Kostenfaktor in einem Rechenzentrum ist. Dabei steht man meist vor dem Problem, des begrenzten Platzes - für diverse Server -, inwiefern die Kühlung der Systeme erfolgen soll und die Entsorgung / Anschaffung von Geräten. Green IT ist hierbei ein Ansatz um Kosten im Laufenden Betrieb zu minimieren. Angefangen bei der Beschaffung von Optimalen Geräten, der neusten Technologie, darüber hinaus zur strukturellen Raumplanung der Server mit berücksichtigung von effizienter Abwärmebehandlung, als auch die verbesserten Nutzungen der bereits gegebennen Hardware durch Softwarelösungen. Der Überlegungsansatz in Green IT berücksichtigt den Lebenszyklus einer Investition. In dem folgendem Dokument werden Verbesserungsvorschläge zur Optimierung von Servern, deren Nutzung und Räumliche Platzierung vorgestellt. 4

5 2 Energieeffiziente Infrastruktur Abschnitt von Pascal Marchand, In diesem Kapitel werden die Möglichkeiten aufgezeigt, wie durch die richtige IT-Infrastruktur Energie eingespart werden kann. 2.1 Rechenzentrum Rechenzentren sind ein zentraler Bestandteil eines jeden modernen Unternehmens. Je mehr Rechenleistung benötigt wird, desto größer ist auch der Energiebedarf. Doch nicht nur der Energiebedarf der Komponenten steigt, die Abwärme erhöht sich ebenso und muss dementsprechend heruntergekühlt werden. Durch den hohen Energieverbrauch entstehen die entsprechenden Stromkosten Stromverbrauch Der Prozess des ansteigenden Stromverbrauchs in Rechenzentren kann in der vom Borderstep- Instituts erstellten Grafik sehr anschaulich in Abbildungen 2.1 und 2.2 betrachtet werden. Zu sehen ist die bisherige Entwicklung des Stromverbrauchs, vom Jahre 2000 bis 2008 und die Prognose des Stromverbrauchs bis 2013 in deutschen Rechenzentren. Hier hat sich der Stromverbrauch innerhalb von 8 Jahren mehr als verdoppelt. Der Trend setzt sich weiter fort, wenn nicht umgedacht wird und energiesparende Komponenten und moderne Kühlarchitekturen zum Einsatz kommen. Abbildung 2.2 zeigt den gleichen Zeitraum, wie die erste Grafik. Hier wird das Augenmerk auf die laufenden Kosten gelegt. Gesehen werden kann eine Aufwärtskurve, dies liegt am stetig steigenden Strompreis. Um diesen Betriebskosten entgegen zu wirken, hat sich der Trend der Green-IT entwickelt. Dabei geht es darum, möglichst umweltfreundlich Hardware im Unternehmen einzusetzen. Die anfallenden Stromkosten können so, bei gleicher Leistung, halbiert werden. Die Beiden Grafiken veranschaulichen sehr deutlich, warum umgedacht werden muss. 5

6 2.1. RECHENZENTRUMKAPITEL 2. ENERGIEEFFIZIENTE INFRASTRUKTUR Abbildung 2.1: Stromverbrauch von Server und Rechenzentren in Deutschland Abbildung 2.2: Stromkosten von Servern und Rechenzentren in Deutschland 6

7 2.1. RECHENZENTRUMKAPITEL 2. ENERGIEEFFIZIENTE INFRASTRUKTUR Kühlung Die Kühlung verbraucht 20 % - 60 % Prozent der Gesamtenergie eines Rechenzentrums. Darum sollte der Kühlung bei der Planung des Rechenzentrums besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden, um diese möglichst Effektiv arbeiten zu lassen. Außerdem muss das Konzept auch für zukünftige Hardware ausgelegt sein, da ein Umbau nur mit sehr viel Aufwand möglich ist. Luftstromlösungen Warmgang-Kaltgang-Anordnung Eine Möglichkeit der Konfiguration ist die Warmgang- Kaltgang-Anordnung. Dabei wird Luft als Kühlmedium verwendet. Über den Doppelboden mit entsprechenden Luftgittern wird dem Raum die kalte Luft zugeführt. Die warme Luft kann über die Lüftungsschächte in der Decke entweichen. Die kalte Luft wird von den Racks auf der einen Seite eingezogen und entzieht der Hardware die Wärme. Auf der anderen Seite wird die aufgewärmte Luft ausgestoßen. (siehe Abbildung 2.3) Abbildung 2.3: Warmgang-Kaltgang Anordnung Abbildung 2.4: Abbildung 4 Bypässe und Rezitkulationen Des Weiteren gibt es die Möglichkeit die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen um Kühlkosten zu sparen. Dabei ist Vorsicht geboten, da sich dadurch Bypässe und Rezirkulationen bilden können, die das Warmgang-Kaltgang-Prinzip zunichte machen und erhebliche 7

8 2.1. RECHENZENTRUMKAPITEL 2. ENERGIEEFFIZIENTE INFRASTRUKTUR Mehrkosten verursachen. (siehe Abbildung 2.5) Mittels dieser Methode können im Optimalfall 5kW Kühlleistung pro Rack abgeführt werden. Bei älterer Hardware wird der Wert zwischen 1-2 kw pro Rack möglich. Einhausung von Kalt- oder Warmgang Wie schon erwähnt, kommt es bei Warm- Kaltgang-Architekturen bei hohen Luftgeschwindigkeiten zur Vermischung der warmen und kalten Luft ohne vorher die Racks passiert zu haben. Hier gibt es die Möglichkeit, durch Einhausung der einströmenden Luft diesen Effekt zu verhindern und somit die Installation zu optimieren. Wenn die Luft eingehaust ist, wie in Abbildung 2.5 zu sehen, gibt es keine Luftvermischungen mehr. Die Kaltluft muss an der Hardware vorbei und kann nicht durch Spalten entweichen. Abbildung 2.5: Einhausung der Kaltluftzufuhr Das Borderstep Institut hat in einer Studie herausgefunden, dass die Kühlanlage bis zu 35 Prozent weniger leisten muss als bei einer normalen Warm-Kaltgang-Anordnung. Doppelboden Für eine Luftstromlösung, sind Doppelböden ein zentrales Element. Ein Doppelboden ist ein zweiter Boden über dem eigentlichen Boden. In ihm können leicht Kabel verlegt werden, da jede Stelle unterhalb des Bodes jederzeit durch die herausnehmbaren Bodenplatten zugänglich ist. Beim Verlegen der Kabel ist darauf zu achten, dass die Kabel den Luftstrom nicht blockieren. Verhindert werden kann dies, indem die Doppelbodenhöhe nicht zu gering bemessen wird und die Kabeltrassen nicht quer durch den Luftstrom führen. Der Doppelboden ist auch nicht als Stauraum zu verwenden. Der meiste Platz sollte dem Luftstrom zur Verfügung stehen. Schon in der Planungsphase sollte für den Boden eine ausreichende Höhe gewählt werden. Um zu verhindern, dass es bei späteren Erweiterungen zu Engpässen für die Kabel oder Luftströme kommt. 8

9 2.1. RECHENZENTRUMKAPITEL 2. ENERGIEEFFIZIENTE INFRASTRUKTUR Leistungsregelung Leistungsregelnde Mechanismen sind in einem energieeffizienten und energieoptimierten Rechenzentrum unbedingt von Nöten, da nicht zu jeder Tageszeit und jedem Wochentag die gleichen Lasten im Rechenzentrum vorherrschen. Ein Ansatzpunkt wäre eine Leistungsregelung die je nach Last die Kühlung einstellen kann. Ein weiterer Mechanismus, der zum Stromsparen eingesetzt werden kann, ist das Umziehen von virtuellen Server auf andere physikalischen Server um komplette Schränke abstellen zu können. Möglich wäre damit auch das Abschalten kompletter Schrankreihen bei geringer Auslastung. Gemessene Temperaturen und der Energieverbrauch der Komponenten sind die Werte, nach denen die Entscheidungen, wo Energie gespart werden kann vorgenommen werden. Der Energieverbrauch ist ein Faktor, da elektrische Energie mit kurzer Verzögerung in Wärme umgewandelt wird. Verlässlich ist diese Zahl nur, wenn der Raum innerhalb des Gebäudes liegt, wo die Sonne keinen Einfluss auf die vorherrschende Wärme hat. Das ASHRAE Technical Comitee 9.9 empfiehlt eine Ansaugtemperatur von 15 bis 32 C. Diese Zahlen sind allerdings von 2004 und werden zurzeit überarbeitet. Letztendlich ist nur darauf zu achten, dass die Austrittstemperatur niemals über die vom Hersteller der Komponente vorgegeben Maximaltemperatur steigt. Wartungen sollten regelmäßig durchgeführt werden. Dabei ist ein besonderes Augenmerk auf eventuell verdreckte Filter zu richten, diese mindern die Leistung der Anlage. In Wasserkreisläufen ist die Wasserpumpenleistung Leistung regenmäßig zu überprüfen. Freie Kühlungen In kälteren und gemäßigten Klimazonen bietet sich die Kühlung mittels Freier Kühlung an. Diese Technologie wird bereits seit 30 Jahren verwendet und ist somit eine sehr ausgereifte Lösungen. Direkte Freie Kühlung Bei dieser Methode wird direkt von außen Luft in den Raum gesogen. Das IT-Equipment gibt die Wärme an die Luft ab. Die aufgeheizte Luft wird über einen Außenluftfilter und einen Ventilator wieder abgeführt. Bei kalten Außentemperaturen kann sehr viel Energie gespart werden. Sobald die Außentemperatur zu hoch wird schaltet die Eingangsklimaanlage in den Mischbetrieb und entzieht der einströmenden Luft Wärme über einen Kältekreislauf. Einsatz findet die direkte Freikühlung bei kleineren Rechenzentren. Beispielsweise in mobilen Containern. Problematisch ist die Luftfeuchtigkeit, die mittels eines Luftentfeuchters niedrig gehalten werden muss, damit es zu keinen Schäden an der Hardware kommt. Daher ist diese Lösung für normale Anwendungsfälle auch nicht zu bevorzugen. Ein weiteres Problem können die schnell verdreckenden Luftfilter in staubbelasteten Gegenden sein. Nicht gereinigte Filter stellen eine starke Einschränkung der Leistungsfähigkeit dar. 9

10 2.1. RECHENZENTRUMKAPITEL 2. ENERGIEEFFIZIENTE INFRASTRUKTUR Abbildung 2.6: mobiler Container mit direkter freier Kühlung Unterbrechungsfreie Stromversorgung In Rechenzentren sorgt die sogenannte unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) für die Energieversorgung der Komponenten. Da diese in der Lage sind, vor Spannungsverlust, Unterspannung, Netzüberspannungen und energiereichen Störimpulsen zu schützen. Unterbrechungsfreie Stromversorgungen können somit Systemabstürze, Datenverluste, Betriebsstillstände, Produktionsausfälle und Hardwareschäden verhindern. Es gibt bei der Stromversorgung immer den Konflikt zwischen Sicherheit und Energieeffizienz. Sobald mehr Sicherheit gewünscht ist, kann der Wirkungsgrad der Anlage nicht mehr mit einer mit weniger Sicherheit mithalten. Abbildung 2.7: Verschiedene Wirkungsgrade bei USV-Anlagen Abbildung 2.7 Vergleich verschiedener Leistungsgrade anhand von Kostenkalkulationen In Abbildung 2.7 kann der vorherige angesprochene Konflikt anhand von Zahlen noch einmal nachvollzogen werden. Hier sind beispielhaft USVs von 96 Prozentigen Wirkungsgrad bis zu einem Wirkungsgrad von 88 Prozent aufgeführt. Die Typ1 USV steht für eine wirkungsvolle aber relativ unsichere USV. Die Typ5 USV steht stellvertretend für eine sehr sichere, allerdings weniger energieeffiziente Alternative. Auf dem Markt sind von mehreren Instituten Maßstäbe eingeführt worden um eine 10

11 2.1. RECHENZENTRUMKAPITEL 2. ENERGIEEFFIZIENTE INFRASTRUKTUR Klassifizierung der USVs vornehmen zu können. Beispielsweise wurden von dem amerikanischen Uptime-Institute die sogenannte Tier-Klassifizierung erstellt. Ein zweites Beispiel für eine solche Einteilung bietet das IEEE. Hier steht z.b. 99,999 Prozent Verfügbarkeit für Klasse 5. In Abbildung 2.8 ist eine Wirkungsgradkurve einer USV dargestellt. Erkennbar ist, dass der optimale Wirkungsgrad zwischen 50 und 80 Prozent Auslastung erreicht wird. Dieser Bereich ist bei jeder USV der optimale Wirkungsgrad. Abbildung 2.8: Beispielhafte Wirkungsgradkurve einer USV Verschiedene USV-Konzepte Einzelanlage Bei Einzelanlagen ist die Dimensionierung immer ein sehr großes Problem, da zu Beginn eine zu kleine Anlage gekauft wird die auf die momentane Hardwaremenge zugeschnitten ist und keine Erweiterungen mehr möglich macht. Deshalb werden die Anlagen meistens viel zu groß gekauft und das wiederrum führt zu unnötigen Verlusten, da nur eine minimale Auslastung vorherrscht. Zwei USV-Anlagen im Parallelbetrieb (1+1 Redundanz) Ebenso wie eine Einzelanlage wird hier die Dimensionierung bereits bei der Anschaffung festgelegt, hinzu kommt allerdings noch, dass eine Anlage immer nur bis maximal 50 Prozent ausgelastet werden darf, da bei einem Ausfall die jeweils funktionierende USV die Last von beiden übernehmen muss. Das Konzept ist sicherer als eine Einzelanlage. Mehrere USV-Anlagen im Parallelbetrieb (N+1 Redundanz) Dieses Konzept bietet ein hohes Maß an Skalierbarkeit, da bei höheren Leistungsanforderungen weitere Anlagen hinzugefügt werden können. Es sind entsprechend der angestrebten Endleistung genügend externe Servicebypassschalter mit ausreichend vielen USV-Anschlussmöglichkeiten 11

12 2.1. RECHENZENTRUMKAPITEL 2. ENERGIEEFFIZIENTE INFRASTRUKTUR einzuplanen. Auch ist die Ausnutzung der verfügbaren Ressourcen besser als bei zwei USV-Anlagen im Parallelbetrieb. Modulare USV-Anlagen mit Leistungsmodulen im Parallelbetrieb (N+1 Redundanz) Hierbei handelt es sich um einen Aufbau der sehr viel einfacherer skalierbar ist, als die vorherigen Konzepte. Zentrales Element ist ein Anlagenrahmen, der mit Leistungsmodulen bestückt ist. Bei der Planung wird mit der Größe des Anlagenrahmens die Maximalleistung festgelegt. Zwei USV-Anlagen im unabhängigen Betrieb (2N Redundanz) Das Verhalten bei Auslastung ist wie bei dem zwei USV-Anlagen im Parallelbetrieb -Konzept. Die beiden Anlagen sind allerdings total unabhängig voneinander, jedoch mit verschiedenen Versorgungswegen. Bauteile Seit 1980 haben sich die Bauteile in Ihrer Effektivität stark weiterentwickelt. In Abbildung 2.9 können USV betrachtet werden, die mit den verschiedenen Bauteilen gefertigt sind, anhand ihres Wirkungsgrads betrachtet werden. Von Thyristor über Transistoren bis hin zu den IGBT-Transistoren wurde die Technik immer effektiver. Abbildung 2.9: Wirkungsgrad von USV mit unterschiedlichen Elektronikbauteilen USV Fazit USV-Geräte müssen unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Letztendlich ist es immer ein Abwägen zwischen Energieeffizienz, Sicherheit und Qualität. Daher muss zuerst überlegt werden, welche Anforderungen erfüllt werden müssen. Die Bauteile sind ein 12

13 2.2. THIN CLIENTS KAPITEL 2. ENERGIEEFFIZIENTE INFRASTRUKTUR entschiedener Faktor für die Energieeffizienz. Hier sind zurzeit IGBT-Transistoren bei niedrigeren Auslastungen und normale Transistoren bei höheren Auslastungen zu empfehlen. Wenn auf Bypass-Schalter verzichtet wird, verringert sich der Energieverlust. Allerdings bedeutet dies auch einen Verlust der Zuverlässigkeit. 2.2 Thin Clients Der Einsatz von Thin Clients hat ebenfalls ein sehr hohes Energiesparpotenzial. Hier kommen bei den Benutzern Terminal-PCs zum Einsatz. Die Datenspeicherung und Bereitstellung verschiedener Dienste übernimmt der Server. Abbildung 2.10: Beispielaufbau eines Server-Thin Client Netwerks Da die Rechenlast beim Server liegt, müssen die Clients sehr viel weniger leisten und können somit sehr stromsparende Geräte sein. Sie müssen lediglich in der Lage sein, Eingaben des Benutzers entgegen zu nehmen und diese per Netzwerk an den Server zu verschicken. Die vom Server verarbeiteten Daten werden zurück geschickt und von dem Client wieder angenommen und auf dem Bildschirm dargestellt. Als Betriebssystem kommt typischerweise Linux oder eine darauf zugeschnittene Windows Variante, wie z.b. Windows CE zum Einsatz. Das Fraunhofer-Institut hat eine sehr ausführliche Studie mit dem Thema PC vs. Thin Client verfasst, die als Ergebnis hatte, dass sich die anfangs vergleichsweise teure Investition in eine Server-Terminal-Umgebung sich durch die geringen Betriebskosten als lohnend herausstellt. In Abbildung 2.11 ist der Energieverbrauch von PCs gegenüber Thin Client mit Server dargestellt. Es kann eindeutig gesehen werden, dass das Energiesparpotenzial enorm ist. 13

14 2.2. THIN CLIENTS KAPITEL 2. ENERGIEEFFIZIENTE INFRASTRUKTUR Abbildung 2.11: Stromverbrauch von PC und Thin Client im Vergleich 14

15 3 Virtualisierung Kapitel von Karsten Heiken, 3.1 Verfahren Selbstverständlich gibt es nicht nur eine Methode, um auf einem physikalischen Server mehrere Gastsysteme zu nutzen. In den letzten Jahren wurden immer mehr Ansätze entwickelt, um den Ansprüchen an die Virtualisierung gerecht zu werden. Es gibt inzwischen alles von der Trennung auf Containerebene bis hin zu voller Hardwareemulation. Die wichtigsten Vertreter sollen hier vorgestellt werden Betriebssystem-Virtualisierung (OS-Container) Eine einfache, und auch äußerst performante Variante der Virtualisierung von Computersystemen ist die Containerbasierte Virtualisierung. Weit verbreitete Vertreter dieser Virtualisierungsart sind OpenVZ sowie Linux-VServer. Als Beispiel wird hier OpenVZ verwendet. Das Prinzip ist bei allen Systemen quasi identisch. Unterschiede gibt es hauptsächlich bei den Verwaltungstools, die angeboten werden. Der OpenVZ-Kernel ist im wesentlichen ein normaler Linux-Kernel, der jedoch sogenannte Virtual Environments, kurz VEs, einführt. Diese virtuellen Umgebungen dienen dazu, Gastsysteme in vollständig isolierten Umgebungen zu starten. Gastsysteme werden als normales Verzeichnis auf dem Hostsystem angelegt. Über Administrationswerkzeuge - bei OpenVZ vzctl - kann ein solches System auf einfache Art und Weise über sogenannte Templates erzeugt werden. Diese Templates bestehen im Wesentlichen aus der Ordnerstruktur, wie sie nach einer normalen Installation des Betriebssystems angelegt wird. Verbreitete Vertreter OpenVZ 15

16 3.1. VERFAHREN KAPITEL 3. VIRTUALISIERUNG Linux-VServer BSD Jails Solaris Zones Systemvirtualisierung durch Virtual Machine Monitor VMware Workstation Microsoft Virtual PC VirtualBox KVM Hardware-Emulation Frühe Vertreter der Virtualisierungssoftware VMware nutzen eine vollständige Emulation der Hardware, um es mehreren Gastsystemen zu erlauben, auf der selben Hardware zu laufen. Genau genommen ist dies keine Form der Virtualisierung, sondern eine vollständige Emulation eines Computers. Die Virtualisierungssoftware stellt einen kompletten Computer in Software dar, auf welchem dann Gastsysteme installiert werden können. Die virtuelle Maschine hat keinen Zugriff auf die Hardware - davon weiß die Maschine jedoch nichts. Also wird trotzdem ein Systemcall ausgeführt, der beispielsweise Daten über die Netzwerkkarte senden soll. Diese Aktion muss vom Hypervisor abgefangen werden, was im Allgemeinen über einen sogenannten Trap Handler 1 erfolgt. Dies ist keine sehr performante Variante zur Virtualisierung von Computern. Die Emulation hat jedoch einen nennenswerten Vorteil: Da die Emulation des Computers in Software geschieht, kann man mit Emulationssoftware jede beliebige Hardwarearchitektur emulieren. Es ist hiermit also kein Problem, AmigaOS auf einem modernen x86- kompatiblen Prozessor auszuführen. Verbreitete Vertreter Bochs QEMU 1 Ein Trap Handler wird aufgerufen, sobald ein Systemaufruf nicht erfolgreich durchgeführt werden kann. 16

17 3.1. VERFAHREN KAPITEL 3. VIRTUALISIERUNG Hardware-Virtualisierung Xen mit Intel VT-x und AMD Pacifica KVM Paravirtualisierung Paravirtualisierung ist eine relativ performante Art der Virtualisierung. Im Gegensatz zur vollständigen Emulation der Hardware wird bei der Paravirtualisierung der Kernel des Gastsystems modifiziert. Die Veränderung hat zur Folge, dass das Gastsystem "weiß", dass es in einer virtualisierten Umgebung läuft. Dies hat zur Folge, dass Zugriffe beispielsweise auf die Netzwerkkarte nicht mehr direkt an die Hardware geschickt, und anschließend vom Hypervisor abgefangen werden müssen. Statt dessen werden Systemabfragen, die bisher Zugriff auf die Hardware erforderten, direkt an den Hypervisor geschickt. Der Vorteil liegt also darin, dass das Gastsystem direkt mit dem Hostsystem kommuniziert - ohne den Umweg über Exceptions und Traps, die bei bisherigen Implementierungen der vollen Systemvirtualisierung nötig waren. Verbreitete Vertreter Xen KVM Citrix XenServer Anwendungsvirtualisierung Microsoft Application Virtualization Citrix Application Streaming VMware ThinApp Fazit Welche Virtualisierungstechnik ist nun die beste? Nun, diese Frage ist nicht leicht zu beantworten. Offensichtlich ist nicht jede Virtualisierungstechnik für jeden Anwendungsfall geeignet. 17

18 3.1. VERFAHREN KAPITEL 3. VIRTUALISIERUNG Heterogene Umgebungen Möchte man beispielsweise eine Umgebung virtualisieren, die sowohl aus Windowswie auch aus Linux-Servern besteht, so kann man die reine Virtualisierung über OS- Container leider vergessen. Sollen sowohl Windows- als auch Linux-Server auf der selben Maschine laufen, benötigt man eine Paravirtualisierungssoftware, oder eine Software zur vollen Hardware-Virtualisierung. Eine neue Software, namens Proxmox VE 2 bietet eine komfortable Möglichkeit, Vorteile aus beiden Welten zu nutzen: Für Linux-Gäste wird die OS-Containerbasierte Virtualisierung über OpenVZ genutzt. Gastsysteme, die nicht auf Linux basieren, werden mit KVM virtualisiert, wenn möglich auch mit der relativ performanten Paravirtualisierung. Administriert werden alle virtuellen Systeme dann über ein übersichtliches Webinterface. Homogene Umgebungen Homogene Linux-Umgebungen kann man auf einfache Weise mit OpenVZ, Linux VServer, oder anderen vergleichsweise leichtgewichtigen Lösungen virtualisieren. OpenVZ bietet zum Beispiel den Vorteil eines sehr geringen Overheads an. Die Virtualisierung mittels OS-Container beeinträchtigt die Performance der Gäste nur minimal im Vergleich zur vollen Hardware-Emulation oder zur Paravirtualisierung. Der Nachteil liegt jedoch in der eingeschränkten Auswahl, was die Gäste angeht. Alle Gäste nutzen den selben Kernel - aus diesem Grund ist diese Lösung nur für Linux-Systeme geeignet. Sandkasten-Umgebungen Möchte man keine produktive Serverumgebung virtualisieren, sondern "nurßu Test- oder Demonstrationszwecken eine virtuelle Maschine aufsetzen, so empfiehlt sich die vollständige Hardware-Emulation zum Beispiel durch VMware Workstation oder dem kostenlosen Oracle VirtualBox. Wenn man eine Demonstration einer Software für einen Kunden plant, so ist die Installation bzw. das einfache Erstellen eines virtuellen Systems beispielsweise in VirtualBox schnell erledigt und auch sehr portabel. Images eines Gastsystems, welche mit Virtual- Box betrieben werden, können einfach von PC zu PC kopiert werden, selbst wenn die Hardware-Architektur eine komplett andere ist. Der Nachteil, der durch die verringerte Performance entsteht, ist in den meisten Fällen kein Problem. Erst, wenn viele Gastsysteme auf einem System gleichzeitig große Datenmengen verarbeiten müssen, entstehen Engpässe. Aus diesem Grund sollte man bei Server-Systemen niemals eine volle Hardware-Emulation durchführen

19 3.2. VIRTUALISIERUNG IN DER PRAXIS KAPITEL 3. VIRTUALISIERUNG 3.2 Virtualisierung in der Praxis Anhand der Virtualisierungssoftware OpenVZ soll hier deutlich gemacht werden, welche Vorteile eine Servervirtualisierung bieten kann. Als Fallbeispiel könnte man eine kleine Firma wählen, die ein paar wenige Server nutzt, um Unternehmensdaten zu speichern, -dienste anzubieten, und den Internetzugang zur Verfügung zu stellen. Aus Sicherheitsgründen sollten Dienste wie zum Beispiel SAMBA zur Dateifreigabe nicht auf dem gleichen Server untergebracht werden, wie der öffentliche Webserver. Sollte ein Script auf dem Webserver eine Sicherheitslücke enthalten, und jemand Zugriff auf den Webserver erlangen, so wären auch die Firmendaten in Gefahr, da beide Dienste auf dem gleichen System vorgehalten werden. Achtet man also auf die Sicherheit, so benötigt man viele Server; da die Verfügbarkeit auch hoch sein soll, wird jeder Server häufig auch redundant gehalten. Was man hier nun vorfindet, ist eine Energieverschwendung erster Güte: viele Server, die allesamt nur zu einem sehr kleinen Teil ausgelastet sind. Der Webserver, der die Unternehmenswebseite bereitstellt, dürfte in der Nacht nur wenige Zugriffszahlen verbuchen können. Das gleiche gilt für die Dateifreigabe der Unternehmensdaten. Um hier die Energiebilanz zu verbessern, sollten Server zusammengefasst werden. Ohne Virtualisierungssoftware würde man sich jedoch große Sicherheitsprobleme einfangen, da eine Trennung von Diensten nicht ohne weiteres möglich ist. Vorüberlegungen Bevor man eine Serverlandschaft virtualisiert, muss man sich klar machen, welche Art von Servern genutzt werden. In diesem Beispiel gehen wir einmal von Linux-Servern aus - die Distribution spielt hier keine große Rolle. Sollen auch Windows-Server zur neuen virtuellen Serverlandschaft hinzugefügt werden, so wird eine andere Software benötigt, beispielsweise von VMware. Die freie Software Proxmox VE würde sich auch anbieten, da auch hier Windows-Unterstützung angeboten wird. Host-Nodes Als Host-Node bezeichnet man bei OpenVZ den Host-Rechner, auf dem die diversen virtuellen Maschinen untergebracht werden. Als Host-Node benötigt man selbstverständlich einen relativ leistungsstarken Server, der auch ausreichend Hauptspeicher sowie Festplattenkapazität bereitstellen kann. Sollen nur verhältnismäßig ßimple"Maschinen virtualisiert werden, wie zum Beispiel Webserver, Mailserver, DNS-Server, usw., so kann man auf einer HN (Host-Node) schnell 19

20 3.2. VIRTUALISIERUNG IN DER PRAXIS KAPITEL 3. VIRTUALISIERUNG mal ein dutzend virtuelle Maschinen in Betrieb nehmen, die dann auch alle noch mit einer absolut zufriedenstellenden Performance arbeiten. Für Maschinen, die viel I/O erzeugen, wie zum Beispiel Server zur Dateifreigabe empfiehlt es sich, eine HN mit weniger Maschinen zu belasten. Die Festplatte ist in jedem Server ein Flaschenhals, da hier mechanische Teile zum Einsatz kommen, und die Geschwindigkeit selbst von aktuellsten Festplatten im Vergleich zum restlichen System nahezu erbärmlich ist Installation von OpenVZ Als Beispiel für eine Containerbasierte Virtualisierungssoftware wird hier nun OpenVZ verwendet. OpenVZ benötigt einen modifizierten Kernel, der in allen gängigen Linuxdistributionen mitgeliefert wird. Zusätzlich benötigt man die Administrationswerkzeuge namens vzctl, um die virtuellen Maschinen erzeugen und verwalten zu können. Nutzt man ein Debianbasiertes x86_64 System, so kann man die Pakete direkt aus den Debian-Repositories installieren: # apt-get install linux-image-2.6-openvz-amd64 vzctl Erzeugung einer neuen VE Eine neue virtuelle Maschine (kurz VE, Virtual Environment) zu erstellen, ist mit nur einem Befehl erledigt: # vzctl create ostemplate debian-5.0-amd64-minimal \ --ipadd hostname ve1 OpenVZ basiert auf sogenannten Templates, welche im Prinzip ein einfaches.tar-archiv einer vollständigen Installation des Betriebssystems enthalten. Dieses Template wird in das normale Dateisystem des Servers entpackt und entsprechend der Parameter konfiguriert. Bei der Erzeugung einer VE können folgende Parameter verwendet werden: ostemplate <name> config <name> private <path>, root <path> ipadd <addr> hostname <name> 20

21 3.2. VIRTUALISIERUNG IN DER PRAXIS KAPITEL 3. VIRTUALISIERUNG Der wohl wichtigste Parameter ist ostemplate. Hier kann man definieren, welches Template man verwenden möchte. Es gibt von allen großen Distributionen bereits vorgefertigte Templates, welche von der OpenVZ-Seite 3 heruntergeladen werden können. Diese Templates können auch selbst noch verändert werden, in dem zum Beispiel häufig genutzte Software gleich mit integriert wird, oder unternehmensspezifische Dinge vorkonfiguriert werden. Über den Parameter config kann man eine im Voraus erzeugte Konfiguration für die neue VE verwenden. Diese Konfiguration kann zum Beispiel den verfügbaren Festplattenspeicherplatz, den maximal nutzbaren Hauptspeicher, usw. enthalten. Über die Parameter private und root kann man definieren, wo das Template entpackt werden soll. Auf diese Weise kann man virtuelle Maschinen zum Beispiel auch auf LVM-Partitionen installieren, oder verschiedenen VEs unterschiedliche Festplatten zuweisen. ipadd weist der virtuellen Maschine eine IP-Adresse zu und hostname einen Hostnamen. All diese Optionen werden in der Konfigurationsdatei der VE gespeichert, welche in /etc/vz/conf zu finden ist. Obwohl Änderungen an dieser Konfigurationsdatei auch manuell möglich sind, empfiehlt sich immer der Weg über das Tool vzctl, da dieses auch eine Prüfung der Optionen vornimmt Konfiguration von existierenden VEs Bereits existierende Virtual Environments werden ebenfalls über vzctl gesteuert. OpenVZ bietet eine Fülle an Optionen an, mit denen man die Leistung der VE ganz genau an seine Vorgaben anpassen kann. Dies betrifft nicht nur einfache Dinge, wie zum Beispiel die Festplatten-Quota, oder den maximal nutzbaren Arbeitsspeicher. Es können außerdem Netzwerkinterfaces hinzugefügt werden, Devicenodes können angelegt werden, sogar der Buffer für Netzwerkverbindungen kann definiert werden. Dies erlaubt eine tiefgehende Verteilung der Serverleistung auf die verschiedenen virtuellen Umgebungen. Eine komplette Auflistung aller Parameter würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen, daher hier nur eine kleine Liste: vzctl set <veid> [--save] [--setmode restart ignore] [--ipadd <addr>] [--ipdel <addr> all] [--hostname <name>] [--nameserver <addr>] [--searchdomain <name>] [--onboot yes no] [--userpasswd <user>:<passwd>] [--cpuunits <N>] [--cpulimit <N>] [--cpus <N>] [--diskspace <soft>[:<hard>]] [--diskinodes <soft>[:<hard>]] [--quotatime <N>] [--quotaugidlimit <N>] 3 21

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