Leseprobe. »vsphere-architekturverwaltungsmöglichkeitenkonfiguration von ESXi und vcenter« Inhalt. Index. Die Autoren. Wissen, wie s geht.

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1 Wissen, wie s geht. Leseprobe Dieses Handbuch ist Ihr zuverlässiger Begleiter bei der Arbeit mit VMware vsphere 5.5. In unserer Leseprobe lernen Sie die vsphere- Architektur kennen, und die Autoren zeigen Ihnen die verschiedenen Verwaltungsmöglichkeiten sowie den Umgang mit ESXi und vcenter.»vsphere-architekturverwaltungsmöglichkeitenkonfiguration von ESXi und vcenter«inhalt Index Die Autoren Dennis Zimmer, Bertram Wöhrmann, Carsten Schäfer, Günter Baumgart, Urs Stephan Alder, Marcel Brunner VMware vsphere 5.5 Das umfassende Handbuch EPUB-Format, Seiten*, in Farbe, 3. Auflage ,90 Euro, ISBN *auch erhältlich als gebundenes Buch: 89,90 Euro, ISBN

2 Kapitel 2 vsphere-architektur Das folgende Kapitel beschäftigt sich mit dem strukturellen Aufbau einer virtuellen Infrastruktur. Wir gehen den Fragen nach, welche Elemente dazugehören, wie sie ineinandergreifen und wie sie aufgebaut sind. Autor dieses Kapitels ist Bertram Wöhrmann, Ligarion Mit der Einführung der VMware Virtual Infrastructure in der Version 3.x vollzog VMware einen Strategiewechsel. Zusätzlich zu der eigentlichen Virtualisierungsplattform, dem ESX Server, und dem dazugehörigen Management begann VMware, Produkte rund um die Virtualisierung zu entwickeln. Es fing an mit der Service-Console-losen Version ESXi und dem Update Manager, vsphere HA, VMware DRS und der Plug-in-Schnittstelle. Alles integrierte sich nahtlos in das zentrale Management. Mit vsphere 4.0 wurde dieser Ansatz konsequent weiterverfolgt. Auch der Lizenz-Server ist, nach einer kurzen externen Stippvisite, wieder integraler Bestandteil des vcenter Servers. Mit der neuen Version ESXi 5.0 hat sich dieser Trend weiter fortgesetzt. Die offensichtlichste Änderung ist der Wegfall der Variante ESX mit der Service Console. Aber auch um den Hypervisor herum finden Sie viele neue Produkte, die Ihre Arbeit unterstützen und erleichtern sollen. Mit der Version vsphere 5.5 hat sich dieser Trend weiter manifestiert. Neben einer Optimierung der eigentlichen Virtualisierungskomponenten gibt es weitere Applikationen, die sich rund um vsphere gruppieren. Mit den vorgestellten Erweiterungen zeigt VMware den Weg zu einem Software Defined Datacenter auf. Der Bereich der Abstrahierung von Storage ist weiter ausgebaut worden, und nun gibt es die Option, auch Netzwerkkomponenten (wie Switche, Router und Firewalls) zu virtualisieren. Die Akquise der Software NSX zeigt in diesem Bereich, wie die Vision der Firma VMware ist. Viele Themen reißen wir in diesem Kapitel nur kurz an. Wir sind der Meinung, dass es sinnvoller ist, die ausführlichen Erklärungen direkt in dem entsprechenden Abschnitt zu geben, in dem wir auch die passende Komponente beschreiben. 2.1 Bestandteile der virtuellen Infrastruktur Die vsphere-infrastruktur bietet alle Komponenten zum Virtualisieren von Betriebssystemen. Sie umfasst die Verwaltung sowie das Management der Virtualisierungsserver 55

3 2 vsphere-architektur 2.2 vsphere-host (vsphere-server). Diese Grundfunktionen hat VMware noch weiter optimiert, um eine Ausfallsicherheit der Virtualisierungsserver zu erreichen (HA) und eine bestmögliche Lastverteilung zwischen den Virtualisierungsservern (DRS) zu ermöglichen. Des Weiteren werden die virtualisierten Systeme optimal mit den Server-Ressourcen (CPU, RAM etc.) versorgt. Damit Sie einen grundlegenden Überblick über die Grundbestandteile der Infrastruktur erhalten, erläutern wir diese nachfolgend. 2.2 vsphere-host Der physische Server, der seine Ressourcen wie CPU, Hauptspeicher (RAM), Netzwerkkarten und Festplattenspeicher über eine Virtualisierungsschicht (Hypervisor) den virtuellen Maschinen zur Verfügung stellt, ist der vsphere-host (siehe Abbildung 2.1). Intel VT-x/AMD-RVI Alle Prozessoren, für die VMware Support anbietet, müssen eine Erweiterung zur Unterstützung von Virtualisierungstechnologien aufweisen. Durch diese Technologien wird im Wesentlichen der Virtual Machine Monitor (VMM) in seiner Arbeit unterstützt. Dadurch wird der Overhead reduziert. Auch der Prozess der Migration einer aktiven virtuellen Maschine zwischen verschiedenen Prozessorgenerationen wird erleichtert. Die unterstützten CPUs von Intel und AMD bringen eine solche Technologie mit. Die zum Einsatz kommenden CPUs müssen unterschiedliche Voraussetzungen erfüllen. Dazu gehört die Nutzung des NX/XD-Flags, und es werden nur LAHF- und SAHF-Befehlssätze unterstützt Hardware Compatibility List (HCL) Wie andere Betriebssystemhersteller bzw. Hersteller von Hypervisoren pflegt die Firma VMware eine Hardware Compatibility List (HCL). Vergewissern Sie sich, dass die Komponenten, die Sie einsetzen wollen, in dieser Liste aufgeführt sind. Sie müssen zwar keine Bedenken haben, dass ein nicht gelistetes System nicht funktionieren wird, aber Sie haben nur Support für Ihre Virtualisierungslandschaft, wenn Sie sich aus der Liste der unterstützten Hardware bedienen. Die HCL finden Sie unter: Maximale Ausstattung eines ESXi-Hosts Auch wenn Sie sich an die HCL halten, so müssen Sie doch wissen, welche Ausstattung des Hosts mengenmäßig noch unterstützt wird. Diesen Punkt möchten wir in den folgenden Tabellen näher aufschlüsseln. Abbildung 2.1 vsphere-host Hardware Als Prozessorbasis für den Einsatz von VMware vsphere kommen nur 64-Bit-x86-Prozessoren zum Einsatz. Auf anderen CPUs ist das System nicht lauffähig, da der VMkernel einen 64-Bit-Kernel besitzt. Für die Installation benötigen Sie mindestens eine CPU mit minimal zwei Cores. Der minimale Arbeitsspeicherbedarf hat sich auf 4 GB erhöht, wobei VMware angibt, dass 8 GB Memory benötigt werden, um alle Funktionen nutzen zu können. Des Weiteren ist ein unterstützter Storage-Controller nötig. Möglich sind SCSI, SAS, SATA und Fibre-Channel. Abschließend wird noch mindestens eine Netzwerkkarte benötigt, damit Sie auf das System zugreifen können. Im Normalfall werden aber wohl mehr Netzwerk-Ports zum Einsatz kommen. In Tabelle 2.1 finden Sie die maximalen Werte für die CPUs; Tabelle 2.2 enthält den maximalen Wert für den Arbeitsspeicher. CPUs pro Host Anzahl Bemerkungen Logische Prozessoren 320 Die Anzahl berechnet sich wie folgt: Sockel Cores Threads Virtuelle CPUs (vcpus) Maximale Anzahl von virtuellen CPUs pro Core Tabelle 2.1 Maximale CPU-Werte 32 Die Anzahl ist abhängig von der Last, die die VMs verursachen. (Gilt ebenfalls für vsphere 4.0 Update 1, bei vsphere 4.0 sind es 20 vcpus.) 56 57

4 2 vsphere-architektur 2.2 vsphere-host CPUs pro Host Anzahl Bemerkungen PCI VMDirectPath Anzahl Maximale Anzahl von VMs pro Host Tabelle 2.1 Maximale CPU-Werte (Forts.) 512 Die Anzahl ist abhängig von der Last, die die VMs verursachen. PCI VMDirectPath Devices (pro Host) 8 PCI VMDirectPath Devices (pro VM) 4 vnetzwerk-standard-switch Anzahl Memory pro Host Arbeitsspeicher Menge 4 TB Virtuelle Switch-Ports pro vswitch Portgruppen pro vswitch 512 Portgruppen pro Host Tabelle 2.2 Maximaler Memory-Wert vnetzwerk-distributed-switch Anzahl Angesichts der Menge der Karten geben wir in den Tabellen für die Netzwerkkarten nur den Treiber und den Chiphersteller an. In Tabelle 2.3 finden Sie die Maximale Anzahl von physischen Netzwerkkarten. Virtuelle Switch-Ports gesamt Hosts pro Switch VDS pro vcenter 128 Netzwerkkarte Chiphersteller Speed Anzahl vnetzwerk Anzahl tg3 Broadcom 1 GBit 32 e1000e Intel 1 GBit 24 igb Intel 1 GBit 16 bnx2 Broadcom 1 GBit 16 nx_nic NetXen 10 GBit 8 Maximal aktive Ports pro Host Virtuelle Switch-Ports gesamt Tabelle 2.4 Maximale Anzahl virtueller Karten/Ports In Tabelle 2.5 finden Sie die maximale Anzahl von parallelen vmotion-operationen. be2net Serverengines 10 GBit 8 Parallele vmotion-operationen pro Host Anzahl ixgbe Intel 10 GBit 8 bnx2x Broadcom 10 GBit 8 mlx4_en Mellanox 40 GBit 4 1-GBit-Netzwerk 4 10-GBit-Netzwerk 8 Tabelle 2.5 Maximale Anzahl von parallelen vmotion-operationen Kombination 10 GBit und 1 GBit 1 GBit 10 GBit 4 8 Für den Storage gibt es ebenfalls Einschränkungen. Tabelle 2.6 trennt die verschiedenen Anbindungsmöglichkeiten voneinander und beschreibt außerdem das File-System VMFS. Tabelle 2.3 Maximale Anzahl physischer Netzwerkkarten Tabelle 2.4 listet dagegen die maximale Anzahl der virtuellen Karten bzw. Ports auf. VMFS allgemein Volume-Größe Maximalwert 64 TB vdisk pro Host Tabelle 2.6 Maximalwerte im Storage-Umfeld 58 59

5 2 vsphere-architektur 2.3 vcenter Server Volumes per Hosts 256 Hardware-iSCSI-Initiator Maximalwert Hosts pro Volume 64 LUNs pro Host 256 VMFS-3 Maximalwert Pfade pro Host Files pro Volume ca File-Größe Blockgröße RDM-Größe (virtuelle Kompatibilität) RDM-Größe (physische Kompatibilität) VMFS MB 2TB ( 512 Bytes) 1 MB / 2 MB / 4 MB / 8 MB 2 TB ( 512 Bytes) 2 TB ( 512 Bytes) Maximalwert Files pro Volume ca File-Größe Blockgröße 62 TB 1 MB; bei einer Migration von VMFS-3 wird die alte Blockgröße übernommen. Pfade pro LUN 8 QLogic dynamische Targets pro Port statische Targets pro Port Broadcom Targets pro Port (1 GBit) Targets pro Port (10 GBit) Software-iSCSI-Initiators Ziele pro Host 256 Tabelle 2.6 Maximalwerte im Storage-Umfeld (Forts.) Maximalwert RDM-Größe (virtuelle Kompatibilität) 62 TB 2.3 vcenter Server RDM-Größe (physische Kompatibilität) 64 TB Fibre-Channel Maximalwert LUNs pro Host 256 Anzahl Pfade pro LUN 32 Maximale Anzahl pro Host HBAs pro Host 8 Maximale Anzahl von HBA-Ports 16 FCoE Maximalwert Maximale Anzahl von SW-Adaptern 4 NFS Maximalwert Maximale Anzahl von NFS-Datastores 256 Tabelle 2.6 Maximalwerte im Storage-Umfeld (Forts.) Der vcenter Server ist der Dreh- und Angelpunkt der VMware-Infrastruktur (siehe Abbildung 2.2). Mit ihm verwalten Sie das komplette VMware-Datacenter von der Konfiguration der ESXi-Server über das Erstellen von virtuellen Maschinen bis zum Einrichten der VMware-Features HA (High Availability) und DRS (Distributed Ressource Scheduling) sowie viele andere Funktionen. Des Weiteren bietet das vcenter eine Zugriffskontrolle auf Basis von Benutzern und Gruppen. Performancedaten der vsphere-server sowie der virtuellen Maschinen werden ebenfalls gesammelt und in der Datenbank abgelegt. Der vcenter Server ist nicht zwingend notwendig zum Betreiben von vsphere-hosts, damit diese die Dienste bereitstellen können, um virtuelle Maschinen zu erstellen. Sie können jeden Host einzeln und unabhängig voneinander verwalten. Einige Dienste aber, wie z. B. DRS, setzen zwingend einen vcenter Server voraus. Die Software bietet eine zentralisierte Verwaltung aller im VMware-Datacenter zusammengefassten Ressourcen, deren virtueller Maschinen sowie der Benutzer. Die zentralen Dienste des vcenters sind: Provisionierung von virtuellen Maschinen Konfiguration von vsphere-servern (Hosts) und virtuellen Maschinen (VMs) Konfiguration von Resource-Pools Inventarisierung von vsphere-ressourcen und virtuellen Maschinen 60 61

6 2 vsphere-architektur 2.3 vcenter Server Konsolenzugang zu den virtuellen Maschinen Statistiken und Protokolle zur Ressourcenauslastung Alarm- und Event-Management, um VI-Administratoren über Events und erhöhte Auslastung zu informieren rollenbasiertes Rechtemodell, um Objektgruppen zu verwalten Task-Scheduler, um bestimmte Aktivitäten zu bestimmten Zeiten automatisiert auszuführen VMware vcenter Server VMware Infrastructure VM VM VM DRS HA vmotion VM VM VM VM VM VM VMware ESX Consoldated Backup Des Weiteren bieten der Management-Server sowie der vsphere-client eine Schnittstelle für Plug-ins zur Erweiterung der Funktionalität. Dazu zählen: vcenter Configuration Manager vcenter Update Manager vcenter Orchestrator vcenter VASA Storage DRS vsphere Replication vsphere Data Protection Tools von Drittanbietern oder auch Freeware-Tools Integrierte Dienste Eine der wichtigsten Neuerungen in der Version 5.1 des vcenter Servers war die Integration einer SSO-Lösung (Single Sign-On). Der Hintergedanke war grundsätzlich gut und sollte dem Anwender helfen, die Anzahl der Anmeldungen im System zu reduzieren. Alle VMwareeigenen Dienste wurden unter dem Mantel des SSO-Dienstes zusammengefasst. Mit einer Anmeldung findet sich der Administrator im gesamten VMware-Framework wieder und kann so die komplette Umgebung administrieren. Dieser Dienst kann nicht umgangen werden und muss mitinstalliert werden. Die Erfahrungen mit dem SSO der Version 5.1 haben aber gezeigt, dass es eine Reihe von Problemen mit dem Tool gab. Die Aktualisierung des Tools im Rahmen eines Updates war sehr häufig eine große Herausforderung. Verzeichnisdienste Enterprise Servers Abbildung 2.2 Struktur des vcenter Servers Login Token Single Sign On DB Diese zentralen Dienste des vcenters können um bestimmte Features erweitert werden. Dabei dient das vcenter als zentrale Schnittstelle, in der Sie die zusätzlichen Dienste verwalten, die Distributed Services genannt werden. Die erweiterten Dienste sind: VMware DRS vsphere HA VMware Fault Tolerance VMware vmotion VMware Storage vmotion Web-Client vcenter Server Abbildung 2.3 Aufbau einer SSO-Struktur VMware Applikationen Der SSO-Dienst (siehe Abbildung 2.3) nutzt seine lokale Datenbank oder verifiziert die User über einen eingebundenen Verzeichnisdienst. Ist die Anmeldung erfolgreich, so kann der Anwender in seinem Web-Client alle VMware-Komponenten sehen und nutzen, ohne sich erneut anmelden zu müssen. Voraussetzung dafür ist natürlich, dass er dafür freigeschaltet ist

7 2 vsphere-architektur 2.3 vcenter Server In vsphere 5.1 hat VMware diese Komponente erstmalig integriert, damit zentral gepflegte Anwender sich an allen VMware-Komponenten anmelden können. Dabei können unterschiedliche Verzeichnisdienste eingebunden werden: Windows Active Directory ab Version 2003 Active Directory über LDAP Open LDAP ab Version 2.4 die lokale SSO-Datenbank vcenter Server Scalability 64-Bit-OS-Server Anzahl Registered VMs Concurrent vsphere-client-verbindungen 100 Concurrent vsphere-web-client-verbindungen 180 Tabelle 2.7 Verwaltbare Infrastruktur für das vcenter mit 64-Bit-OS-Server (Forts.) Die Möglichkeiten der Installation sind dabei vielfältig. Je nach Ausprägung der Landschaften können Sie unterschiedliche Installationsszenarien auswählen. vcenter Server Appliance Anzahl Um Probleme in virtuellen Umgebungen zu verhindern, gibt es die Option, eine SSO-Landschaft so aufzubauen, dass es keinen Single Point of Failure gibt. Dazu wird vor den SSO-Servern ein Loadbalancer installiert. Dabei werden zwei mögliche Produkte unterstützt: ein Apache-Server oder das VMware-Produkt vcloud Networking and Security. In einem solchen Environment wird auf eine gesharte Datenbank zugegriffen. Aber auch Architekturen über mehrere Standorte sind im Rahmen der Möglichkeiten. In diesem Fall wird die Datenbank vom primären System auf die anderen SSO-Server repliziert. Editionen Es gibt zwei Versionen des vcenter Servers von VMware: vcenter Server Foundation (maximal 3 Hosts) vcenter Server Standard Wenn Sie ohne Einschränkungen arbeiten wollen, dann müssen Sie mit der Standard- Version des vcenter Servers arbeiten. Bei kleineren Umgebungen können Sie auf die andere Version zurückgreifen. Ein späteres Upgrade von z. B. der Foundation- auf die Standard- Version ist nur eine Frage des Geldes. Maximale Ausstattung Auch das vcenter kann nicht unendlich viele Ressourcen verwalten; es gilt die eine oder andere Einschränkung. Die Angaben in den folgenden Tabellen beziehen sich auf die Standard- Version des vcenter Servers. vcenter Server Scalability 64-Bit-OS-Server Anzahl Hosts Powered-on VMs Hosts (interne Datenbank) 10 VMs (interne Datenbank) Hosts (externe Datenbank) VMs (externe Datenbank) Tabelle 2.8 Mögliche verwaltbare Infrastruktur für die vcenter Server Appliance vcenter Server Scalability vcenter Linked Mode Anzahl Linked vcenter Server 10 Hosts im Linked Mode Powered-on VMs Registered VMs Tabelle 2.9 Mögliche verwaltbare Infrastruktur für das vcenter im Linked Mode vcenter Server Scalability allgemein Anzahl Hosts pro Datacenter 500 Tabelle 2.10 vcenter allgemeine Einschränkungen Die Zahlen, die VMware hier ansetzt, sind an der einen oder anderen Stelle sicherlich sehr optimistisch gewählt. Sie sollen nur als Richtschnur dienen, damit Sie abschätzen können, wie viele Managementsysteme Sie benötigen. Tabelle 2.7 Verwaltbare Infrastruktur für das vcenter mit 64-Bit-OS-Server 64 65

8 2 vsphere-architektur 2.3 vcenter Server Zugriff Damit Sie die virtuelle Infrastruktur auch verwalten können, benötigen Sie ein Werkzeug, um auf die einzelnen Komponenten zuzugreifen. Hier haben Sie mehrere Möglichkeiten: Eine der Optionen ist die Nutzung eines Webbrowsers. Nur im Web-Client werden alle neueren Funktionen integriert. Die zweite Möglichkeit ist die Nutzung des vsphere-clients. Seien Sie sich dabei aber bewusst, dass Sie nicht alle Funktionen mit dem Webclient durchführen können. Die Weiterentwicklung des C#-Clients ist mit der Version 5.0 eingestellt worden, alle neuen Funktionen werden nur noch in den Webclient integriert. Mit diesem Client können Sie direkt einen Host administrieren oder sich damit am vcenter-server anmelden. Eine weitere Option ist der Zugriff über das ipad. Auch hier gibt es Einschränkungen in der Funktionalität. Nicht alle Funktionen stehen über diesen Weg zur Verfügung. Lizenzierung Für die Verwaltung der VMware-Lizenzen in einer vsphere-infrastruktur wird der im vcenter integrierte Lizenz-Server eingesetzt. In dieser Verwaltungskonsole tragen Sie alle VMware- Lizenzen ein und weisen sie den zugehörigen Hardwarekomponenten zu. VMware Infrastructure SDK Es gibt die verschiedensten Möglichkeiten, in der virtuellen Infrastruktur Aufgaben zu automatisieren, auch außerhalb des vcenters und seiner Komponenten. Sie haben als Anwender verschiedene Optionen zur Verfügung, um eigene Anforderungen abzubilden. Dabei ist es egal, ob Sie mit der PowerShell skripten oder mit C programmieren möchten. Es gibt noch viele andere Möglichkeiten, das Management der Infrastruktur zu optimieren. Abbildung 2.4 zeigt nur eine Auswahl von Softwarepaketen, die VMware zur Verfügung stellt, damit Anwender das Management an ihre Bedürfnisse anpassen können. Wenn Sie sich für alle Informationen interessieren, finden Sie auf der eigens dafür eingerichteten Webseite Näheres zu dem gewünschten Thema. Die Webseite erreichen Sie unter wo Sie auch die Applikationen herunterladen können. Benötigte Netzwerkports Implementierung Das vcenter kommuniziert über das Netzwerk mit den zu verwaltenden Komponenten. Die Verbindungen werden über einen Windows-Dienst (vpxd.exe, gilt nur für die installierbare Version, nicht für die Appliance) hergestellt. In Tabelle 2.11 sehen Sie, welche Ports für die Kommunikation benötigt werden. Abbildung 2.4 Webseite mit Informationen zu APIs und SDKs 66 67

9 2 vsphere-architektur 2.3 vcenter Server Port Protokoll Kommunikation Beschreibung 25 TCP vcenter SMTP-Server -Benachrichtigungen 53 UDP vcenter DNS-Server DNS-Abfragen 80 HTTP Client-PC vcenter Dieser Port wird für den direkten Webzugriff benötigt. Es erfolgt aber nur eine Umleitung auf Port 443. Es können Konflikte mit einem installierten Microsoft IIS auftreten. 88 UDP vcenter AD-Server Authentifizierung am Active Directory 88 TCP vcenter AD-Server Authentifizierung am Active Directory 161 UDP SNMP-Server vcenter SNMP-Polling 162 UDP vcenter SNMP-Server Senden von SNMP-Traps 389 TCP vcenter Linked vcenter Server Für die Kommunikation mit dem Active Directory wird dieser Port benötigt. 443 TCP vsphere-client vcenter Port für die initiale Anmeldung über den vsphere-client 443 TCP vcenter ESX-Hosts vcenter Agent, DPM-Kommunikation mit HP ILO 623 UDP vcenter ESX-Hosts DPM-Kommunikation via IPMI Port Protokoll Kommunikation Beschreibung 903 TCP ESX-Host vsphere-client Remote-Konsole-Kommunikation 1433 TCP vcenter MS SQL Verbindung zum Datenbank-Server MS SQL 1521 TCP vcenter Oracle Verbindung zum Datenbank-Server Oracle 5988 TCP ESX-Host vcenter CIM-Transaktionen über HTTP 5989 TCP vcenter ESX-Host CIM-XML-Transaktionen über HTTPS 5989 TCP ESX-Host vcenter CIM-XML-Transaktionen über HTTPS 8000 TCP vcenter ESX-Host vmotion-anfragen 8005 TCP vcenter vcenter Interner Kommunikationsport 8006 TCP vcenter vcenter Interner Kommunikationsport 8080 HTTP Client-PC vcenter Web Services über HTTP 8083 TCP vcenter vcenter Interne Dienstediagnose 8085 TCP vcenter vcenter Interne Dienstediagnose 8086 TCP vcenter vcenter Interner Kommunikationsport 8087 TCP vcenter vcenter Interne Dienstediagnose 8443 HTTPS Client-PC vcenter Webservices über HTTPS 636 TCP vcenter Linked vcenter Server SSL-Verbindung zwischen den vcenter-servern beim Linked Mode TCP vcenter vcenter Service Management vom vcenter Inventory Service 902 TCP vcenter ESX-Hosts Kommunikation zwischen vcenter und vsphere-hosts 902 UDP vcenter ESX-Hosts Heartbeat-Kommunikation zwischen Hosts und vcenter 902 TCP/UDP vsphere-client ESX-Hosts Anzeige der Konsole von VMs 902 TCP/UDP ESX-Host ESX-Host Interhost-Kommunikation bei Migration und Provisionierung Tabelle 2.11 vcenter-server-kommunikationsports TCP vcenter vcenter Linked-Mode-Kommunikation des vcenter Inventory Service TCP vcenter vcenter vcenter Inventory Server Service über HTTPS 27000/ TCP vcenter Lizenz-Server Lizenz-Server für VI3.x-Umgebungen TCP vcenter vcenter Webservice Portchange Tabelle 2.11 vcenter-server-kommunikationsports (Forts.) 68 69

10 2 vsphere-architektur 2.3 vcenter Server Mit der Version vsphere 5.1 und dem zugehörigen vcenter Server hat VMware ein Single Sign-On etabliert. Auch diese Funktion muss mit unterschiedlichen Elementen kommunizieren. Sie finden die Liste in Tabelle Port Protokoll Kommunikation Bemerkungen 7005 TCP vcenter Server SSO 7009 TCP vcenter Server SSO HTTP-Zugriff 7044 TCP vcenter Server SSO Web-Client SSO HTTPS-Zugriff SSO-Lockup 7080 TCP vcenter Server SSO AJP-Zugriff Tabelle 2.12 SSO-Kommunikationsports In Tabelle 2.13 sehen Sie, welche Kommunikationsports der Update Manager nutzt. Ports Protokoll Kommunikation Beschreibung 1521 TCP Update Manager Oracle Verbindung zum Datenbank-Server Oracle 8084 TCP Update Manager vcenter SOAP-Server Update Manager 9084 TCP ESX-Host Update Manager Webserver Update Manager 9087 TCP Update Manager vcenter Port für das Uploaden von Host- Update-Files TCP ESX-Host Update Manager Ports für Hostscanning bzw. Bereich für Portalternativen, wenn 80 und 443 schon anderweitig genutzt werden Tabelle 2.13 Update-Manager-Kommunikationsports (Forts.) Ports Protokoll Kommunikation Beschreibung 80 TCP Update Manager Internet Download von Patches aus dem Internet. 80 TCP ESX-Host Update Manager Kommunikation vom Host zum Update Manager 80 TCP Update Manager vcenter Kommunikation zwischen Update Manager und vcenter Server 443 TCP Update Manager Internet Download von Patches aus dem Internet. 443 TCP ESX-Host Update Manager Kommunikation vom Host zum Update Manager, Rückweg über TCP vcenter Update Manager Kommunikation vom vcenter zum Update Manager, Rückweg über TCP Update Manager ESX-Host Übermittlung von Patches vom Update Manager zum ESX-Host 1433 TCP Update Manager MS SQL Verbindung zum Datenbank-Server MS SQL Tabelle 2.13 Update-Manager-Kommunikationsports Beim vcenter Converter werden unterschiedliche Ports genutzt. Dies hängt unter Umständen sogar davon ab, welches Betriebssystem importiert werden soll. In Tabelle 2.14 finden Sie die Ports, die für die Übernahme eines Servers benötigt werden. Ports Protokoll Kommunikation Bemerkungen 22 TCP Helper VM Source-Maschine 22 TCP vcenter Converter Source-Maschine 137 TCP vcenter Converter Source-Maschine 138 TCP vcenter Converter Source-Maschine 139 TCP vcenter Converter Source-Maschine 443 TCP vcenter Converter Client vcenter Converter Server Tabelle 2.14 vcenter-converter-kommunikationsports Für die Konvertierung von Linuxbasierten Systemen Für die Konvertierung von Linuxbasierten Systemen Für die Migration einer aktiven Maschine. Wird nicht benötigt, wenn die Quelle kein NetBIOS nutzt. Wird benötigt, wenn der vcenter Converter Client nicht auf dem vcenter Converter Server installiert ist 70 71

11 2 vsphere-architektur 2.3 vcenter Server Ports Protokoll Kommunikation Bemerkungen Port Protokoll Kommunikation Bemerkungen 443 TCP Source-Maschine ESX-Host Dieser Port wird genutzt, wenn das Ziel ein ESX-Host ist. 443 TCP Source-Maschine vcenter Dieser Port wird genutzt, wenn das Ziel ein vcenter ist. 443 TCP vcenter Converter vcenter Dieser Port wird genutzt, wenn das Ziel ein vcenter ist. 443 TCP Anwender vsphere Data Protection 700 TCP vsphere Data Protection, LDAP Active Directory 902 TCP vsphere Data Protection vsphere Host HTTPS- Zugriff Verzeichnisdienst-Kommunikation Kommunikation zwischen Data Protection und dem vsphere-host 443 TCP vcenter Converter ESX-Host Port für die Systemkonvertierung 7778 TCP vcenter Server vsphere Data Protection Kommunikation zwischen vcenter Server und Data Protection 443 TCP vcenter Converter Helper VM Für die Konvertierung von Linuxbasierten Systemen 7779 TCP vcenter Server vsphere Data Protection Kommunikation zwischen vcenter Server und Data Protection 445 TCP vcenter Converter Source-Maschine Falls die Quelle NetBIOS nutzt, wird dieser Port nicht benötigt TCP vcenter Server vsphere Data Protection Kommunikation zwischen vcenter Server und Data Protection 902 TCP Source-Maschine ESX-Host Datentransportport für das Cloning zum ESX-Host 8543 TCP User vsphere Data Protection Management Datenverkehr 9089/ 9090 TCP vcenter Converter Source-Maschine Verteilung des Remote Agents 8580 TCP vcenter Server vsphere Data Protection Kommunikation zwischen vcenter Server und Data Protection Tabelle 2.14 vcenter-converter-kommunikationsports (Forts.) Kommt bei Ihnen das Data Protection Tool von VMware zum Einsatz, dann müssen Sie die folgenden Ports in der Firewall freischalten (siehe Tabelle 2.15) TCP vcenter Server vsphere Data Protection TCP vsphere Data Protection vcenter Server Kommunikation zwischen vcenter Server und Data Protection Lizenzkommunikation Port Protokoll Kommunikation Bemerkungen 22 TCP Anwender vsphere Data Protection SSH-Zugriff 28001/ TCP MS App-Client vsphere Data Protection Advanced Tabelle 2.15 Data-Protection-Kommunikationsports (Forts.) Agentenkommunikation (Exchange/SQL) 53 UDP vsphere Data Protection DNS 80 TCP Anwender vsphere Data Protection 111 TCP, UDP vsphere Data Protection vsphere Hosts Tabelle 2.15 Data-Protection-Kommunikationsports DNS HTTP-Zugriff Kommunikation zwischen Data Protection und dem vsphere-host Der Orchestrator nutzt sehr viele Ports (siehe Tabelle 2.16). Zur Gewährleistung einer einwandfreien Funktion sind diese Ports freizuschalten. Port Protokoll Kommunikation Bemerkungen 25 TCP VCO-Server SMTP-Server -Benachrichtigungen 389 TCP VCO-Server LDAP-Server LDAP-Authentifizierung Tabelle 2.16 Orchestrator-Kommunikationsports 72 73

12 VMware, Inc. 2 vsphere-architektur 2.4 Architektur eines vsphere-hosts Port Protokoll Kommunikation Bemerkungen 443 TCP VCO-Server vcenter Informationsaustausch über die virtuelle Infrastruktur 636 TCP VCO-Server LDAP-Server SSL-LDAP-Kommunikation zur Abfrage von Gruppenmitgliedschaften 1433 TCP VCO-Server MS SQL Kommunikation mit MS SQL 1521 TCP VCO-Server Oracle Kommunikation mit Oracle-Datenbanken 3306 TCP VCO-Server MySQL Kommunikation mit MySQL-Datenbanken 5432 TCP VCO-Server PostgreSQL Kommunikation mit PostgresSQL- Datenbanken 8230 TCP VCO-Client VCO-Server Lookup-Port Kommunikation mit dem Konfigurationsserver 8240 TCP VCO-Client VCO-Server Kommando-Port Kommunikation für Remote-Aufrufe 8244 TCP VCO-Client VCO-Server Daten-Port Port Protokoll Kommunikation Bemerkungen 443 TCP vma vma SDK-Traffic Tabelle 2.17 vma-kommunikationsports Weitere Informationen zu den Ports, die von VMware-Komponenten genutzt werden, finden Sie in einem recht übersichtlichen Dokument, das bei VMware auf der Webseite zu finden ist: languageid=&externalid= Architektur eines vsphere-hosts Die Architektur eines vsphere-hosts definiert sich aus verschiedenen Kernkomponenten (siehe Abbildung 2.5). Auf diese wollen wir im Folgenden eingehen. CLI Commands for Configuration and Support VMware/ESXi/Architecture 8250 TCP VCO-Client VCO-Server Messaging-Port Weitergabe von Nachrichten im Java-Umfeld Agentless Systems Management Agentless Hardware Monitoring VM VM VM VM 8280 TCP VCO-Server VCO-Server Kommunikation zwischen VCO-Server und Web-Frontend über HTTP 8281 TCP VCO-Server VCO-Server Kommunikation zwischen VCO-Server und Web-Frontend über HTTPS VMware Management Framework VMkernel Common Information Modell Local Support Concole Infrastructure Agents (NTP, Syslog) Virtual Machine Support and Resource Management 8281 TCP vcenter VCO-Server Kommunikation zwischen VCO- Server und vcenter API 8282 TCP VCO-Client-PC VCO-Server HTTP-Server-Port VMware, Inc TCP VCO-Client-PC VCO-Server HTTPS-Server-Port VMware, Inc. VMware, Inc. Hardware Tabelle 2.16 Orchestrator-Kommunikationsports (Forts.) Bei der Nutzung der vsphere Management Assistant (vma) wird über das Netzwerk nur ein Port verwendet (siehe Tabelle 2.17). Abbildung 2.5 Struktur von VMware vsphere ESXi 74 75

13 2 vsphere-architektur 2.5 Grundlagen der CPU-Virtualisierung VMkernel Der VMkernel ist eine sehr schlanke Implementierung des Hypervisors. Er kontrolliert und verwaltet die meisten Ressourcen eines vsphere-esxi-servers. Die Regelung des Zugriffs auf die Ressourcen CPU, Memory und Disk wird mithilfe eines Schedulers erreicht. Der Kernel hat neben einem TCP/IP-Stack zur Netzwerkkommunikation auch einen Storage-Stack für die Kommunikation mit Speichermedien. Der VMkernel ist eine Eigenentwicklung von VMware und nicht, wie viele meinen, ein Linux-Derivat. Reliable Memory Mit der Vorstellung von VMware vsphere 5.5 hat eine neue Funktion den Weg in die Software gefunden. Zum genauen Verständnis ist es wichtig zu wissen, dass der Hypervisor von VMware nach dem Booten für seine Funktion keine Festplatte mehr benötigt, weil der gesamte Hypervisor in den Arbeitsspeicher geladen wird. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass der Bereich im Arbeitsspeicher, in dem die Software abgelegt wird, keine»probleme«bereitet. Mit der Funktion Reliable Memory hat VMware eine Engine implementiert, die den Arbeitsspeicher scannt, um mögliche problematische Bereiche zu erkennen und den Hypervisor dort nicht abzulegen. VMware Management Framework Sie können das System ohne zusätzlich zu installierende Agents verwalten. Ob Sie direkt auf den Host zugreifen oder den Host über einen vcenter Server managen, ist Ihnen dabei vollkommen freigestellt. Common Information Model (CIM) Mit dem Common Information Model gibt es eine offene Schnittstelle zum Management von Hardwareressourcen. Damit Ihre zum Einsatz kommende Hardware komplett unterstützt wird, müssen die passenden Treiber in dem ESXi-Image enthalten sein. Das Standard-Image von VMware bietet lediglich eine allgemeine Unterstützung. Arbeitet Ihr Hardwareanbieter nicht mit dieser freien Implementierung, müssen Sie bei ihm nach einem herstellerspezifischen Image fragen. Infrastructure Agents Die implementierten Infrastruktur-Agenten sind für das Syslogging, das SNMP-Handling und die Zeitsynchronisation zuständig. Zusätzlich werden hier die lokalen User verwaltet. Resource Management Der Resource Manager partitioniert die Hardware, um den virtuellen Maschinen mithilfe eines Share-Mechanismus die Ressourcen zur Verfügung zu stellen. Dabei werden die Ein- stellungen zur Reservierung und zur Limitierung der Ressourcen CPU und Memory beachtet sowie die Shares aller Core Four (CPU, Memory, Network und Disk) berücksichtigt. Der Resource Manager wird als Teilprozess des VMkernels gestartet. Virtual Machine Support Der Virtual Machine Support ist für die Virtualisierung der CPU zuständig. Er gibt die CPU- Befehle der virtuellen Maschine an die physische Hardware weiter. Außerdem kümmert er sich um die Verwaltung der virtuellen Maschine nach deren Start. Hardware Interface Layer Der Hardware Interface Layer setzt die Hardwareanfragen der VM in die physische Adressierung um und ermöglicht so eine Adressierung der Ressourcen. Außerdem koordiniert er die Bereitstellung des VMFS und der spezifischen Gerätetreiber. Er dient als Bindeglied zwischen dem VMkernel und der eigentlichen Server-Hardware. 2.5 Grundlagen der CPU-Virtualisierung Bevor wir näher auf die CPU-Virtualisierung eingehen, möchten wir Ihnen zeigen, wie der logische Aufbau eines Prozessors aussieht. Als Beispiel haben wir das Schema einer Hexa- Core-CPU (6 Kerne) von AMD ausgewählt (siehe Abbildung 2.6). Unterhalb eines jeden Prozessor-Cores liegt der zugehörige Cache. Der Cache bildet das Bindeglied zwischen der CPU und dem Arbeitsspeicher. Der Arbeitsspeicher kann nicht so schnell getaktet werden wie der Cache. Damit aber der Zugriff auf den Speicher nicht das System ausbremst, werden im Cache Daten abgelegt, auf die das System öfter zugreifen muss. Spezielle Mechanismen sorgen dafür, dass die Daten im Cache getauscht werden, wenn das System andere Informationen häufiger benötigt als die derzeit gespeicherten. Der Cache gliedert sich in drei unterschiedliche Ebenen: Der Level-1-Cache ist direkt im Core integriert. Der Level-2-Cache ist ebenfalls dem einzelnen Core direkt zugeordnet. Erst der Level-3-Cache ist übergreifend allen Cores einer CPU zugänglich. Über das System Request Interface (SRI) und den Crossbar Switch kommunizieren die einzelnen Cores untereinander und mit den weiteren Komponenten der CPU, wobei das SRI die CPU-Anfragen priorisiert. Der Speicher-Controller ist direkt auf dem Prozessor integriert; somit kann die CPU direkt mit dem Speicher Daten austauschen, ohne über einen zusätzlichen externen Speicher-Controller die Informationen verschicken zu müssen. Das erhöht zum einen die Performance, zum anderen findet kein konkurrierender Zugriff der CPUs auf den Arbeitsspeicher statt

14 2 vsphere-architektur 2.5 Grundlagen der CPU-Virtualisierung Eine Emulation bildet Prozessoranfragen des Gasts über Software ab. Der Gast hat in diesem Fall keinen direkten Zugriff auf die CPU. Ein Virtualisierer leitet die Prozessoranfragen des Gasts direkt an die Hardware weiter. Core 1 Level 1 Cache Level 2 Cache 72 Bit Busbreite RAM Core 2 Level 1 Cache Level 2 Cache Core 3 Level 1 Cache Level 2 Cache Core 4 Level 1 Cache Level 2 Cache Level 3 Cache System Request Interface Crossbar Switch 72 Bit Busbreite Link 1 Core 5 Level 2 Cache HyperTransport Technology Link 2 Level 1 Cache TM Link 3 Core 6 Level 1 Cache Level 2 Cache VMware vsphere ist ein Virtualisierer. Unter vsphere wird die CPU einer virtuellen Maschine direkt vom Host-System abgeleitet und auch für bestimmte Arten von CPU-Instruktionen teilweise physisch verwendet. Aus diesem Grunde sieht eine VM dieselbe CPU, wie sie im Host vorhanden ist (siehe Abbildung 2.7). Die virtuelle CPU einer VM kann CPU-Instruktionen in zwei verschiedenen Modi abarbeiten: im Direct Execution Mode und im Virtualization Mode. In den meisten Fällen werden die CPU-Instruktionen im Direct Execution Mode ausgeführt, der nahe an der Geschwindigkeit der realen CPU liegt. Sollte der Befehl nicht in diesem Modus ausführbar sein, wird der Virtualization Mode verwendet. Eine virtualisierte CPU bedient sich so oft wie möglich der realen physischen CPU-Ressource, und die Virtualisierungsschicht greift nur bei der Ausführung von bestimmten CPU-Instruktionen ein. Durch diese Umsetzung entsteht der oft erwähnte Virtualisierungs-Overhead. Den Virtualisierungs-Overhead beschreiben wir näher in Abschnitt 2.6.2,»Memory-Overhead«, in Zusammenhang mit dem Arbeitsspeicher. virtuelle CPU Abbildung 2.6 Logischer Aufbau einer AMD-CPU CPU- Core Die HyperTransport Technology (HT) bildet das Bindeglied zwischen dem Prozessor und der Peripherie im Server. Sie hat aber auch die Aufgabe, sich um die Kommunikation der einzelnen Prozessoren untereinander zu kümmern. Soll ein Befehl ausgeführt werden, wird eine Broadcast-Meldung an alle Prozessoren geschickt, damit gewährleistet ist, dass wirklich die aktuellsten Daten verarbeitet werden. Pro Core wurden früher mindestens zehn Nachrichten für den Abgleich benötigt. In einem Vier-Sockel-System (das heißt 48 Cores bei Hexa-Core-Systemen) bremsen die Nachrichten unter Umständen das System aus. An dieser Stelle greift die HT ein, koordiniert den Abgleich innerhalb der CPU und reduziert so die Anzahl der Nachrichten auf zwei bis drei für die Verbindung der CPUs untereinander. Nach diesem kurzen, aber wichtigen Ausflug in die Hardware eines Systems kommen wir nun zu dem Unterschied zwischen einer Virtualisierung und einer Emulation. CPU- Sockel Abbildung 2.7 Zusammenhang zwischen physischen, logischen und virtuellen CPUs Dazu sei als Hintergrund erwähnt, dass eine CPU grundsätzlich vier Privilegierungsstufen hat, sogenannte Ringe oder auch Domains (siehe Abbildung 2.8). Die höchste Priorität hat Ring 0. Hier liegt der sogenannte Supervisor Mode, der manipulativ auf Hauptspeicher und Interrupts zugreifen darf. In dieser Stufe läuft normalerweise der Kernel des Betriebssystems, im Falle von VMware vsphere also der Hypervisor-VMkernel. In den Ringen 1 bis 3 liegt der User-Mode, wobei normalerweise nur Ring 3 genutzt wird; es gibt nur wenige Applikationen, die direkt auf Ring 1 oder Ring 2 zugreifen

15 2 vsphere-architektur 2.5 Grundlagen der CPU-Virtualisierung Die reale CPU wird an das Betriebssystem der VM durchgereicht. Aus diesem Grund sind dem Betriebssystem auch die Besonderheiten der eingesetzten CPU bekannt. Verschiedene Betriebssysteme nutzen diese CPU-spezifischen Befehle. Es kann auch sein, dass der Gast während der Installation auf diese Besonderheiten hin optimiert wurde. Ein Verschieben einer solchen speziellen VM auf andere vsphere-server mit unterschiedlichen CPUs insbesondere beim Wechsel zwischen Intel- und AMD-Prozessoren beeinträchtigt unter Umständen die Funktionalität des Betriebssystems beziehungsweise der Applikation CPU-Affinity Abbildung 2.8 Ringstruktur der CPU Die CPU-Affinität bezeichnet eine Konfigurationsoption der virtuellen Maschine, und zwar die direkte Zuweisung einer physischen CPU bzw. eines Kerns. Diese Technik sollten Sie nur in Ausnahmefällen (z. B. zum Troubleshooting) verwenden, weil sie etliche Auswirkungen auf andere Bereiche der virtuellen Infrastruktur hat. Zum einen wird dadurch die CPU-Lastverteilung des ESXi-Servers außer Kraft gesetzt. Zum anderen kollidiert diese CPU-Zuordnung mit eventuell vorgenommenen Einstellungen von CPU-Shares und CPU-Reservierung. Durch das Umgehen der CPU-Lastverteilung kann der Hypervisor den Forderungen seitens der VM eventuell nicht mehr nachkommen. Die mögliche Virtualisierungsquote und die Flexibilität reduzieren sich. Die Nutzung von vmotion ist durch die CPU-Affinität eingeschränkt, und DRS verhindert diese sogar. Bei einer virtuellen Maschine verhält sich das etwas anders: Die eigentlich an Ring 0 gestellten Anfragen des Betriebssystems werden an Ring 3 umgeleitet. Damit die Daten in Ring 1 bis 3 verarbeitet werden können, wird der physische Speicher in virtuelle Speicherseiten aufgeteilt. Der Memory-Controller (Memory Management Unit, MMU) übernimmt an dieser Stelle die Umsetzung von physischen Speicherinhalten in virtuelle. Damit der Programmcode auch richtig ausgeführt werden kann, enthält jede Speicherseite die Information, auf welchem Ring der Code ausgeführt werden muss. Um zu verhindern, dass ein solch komplexes System beeinflusst wird z. B. durch Schadcode, wurde das sogenannte NX-Flag kreiert (No Execution Flag). Diese Information hilft dem System, Daten von Programmcode zu unterscheiden. Dieser Mechanismus verhindert, dass Programmcode im Bereich der Daten ausgeführt werden kann. Applikationen verwenden in der Regel den unprivilegierten Ring einer CPU, daher laufen diese Befehle im Direct Execution Mode. Wird hingegen eine Instruktion vom Betriebssystem ausgeführt, geschieht dies in der Regel modifizierend auf dem privilegierten Ring der CPU. Diese Anfragen werden von der Virtualisierungsschicht, dem VMM, abgefangen. Dieser Managementaufwand wird als der Virtualisierungs-Overhead bezeichnet. Er hängt von der Arbeitslast der virtuellen CPU und der Menge der Aufrufe an den privilegierten Ring ab. Die Auswirkungen zeigen sich in verlängerten Laufzeiten der einzelnen Befehle und durch eine erhöhte CPU-Last Hyperthreading Der vsphere-server unterstützt die Hyperthreading-Technologie von Intel. Diese bietet bei Nutzung von Ein-Sockel-Prozessoren der Pentium 4- und der Xeon-Reihe ein auf Hardwareebene realisiertes Multithreading zur Verbesserung der CPU-Performance. Lange Zeit gab es keine neuen hyperthreading-fähigen CPUs, bis Intel dieses Feature in den neuen 5500-Xeon- Prozessoren wieder integrierte. Dabei kann eine physische CPU im Intel-Wortgebrauch wird sie als»hyperthread«bezeichnet gleichzeitig zwei Threads ausführen. Sie verhält sich mit aktiviertem Hyperthreading ähnlich wie zwei logische CPUs. Sofern ein Betriebssystem und die darauf laufenden Applikationen zwei CPUs nutzen können, sind hierdurch Geschwindigkeitsvorteile möglich. Dabei reicht die Performance nicht an eine Verdoppelung heran, wie sie durch einen Dual-Core-Prozessor erreicht würde. Die Leistung einer CPU verbessert sich aber je nach Anwendung auf dem Betriebssystem signifikant. Ungeeignete Applikationen werden durch die Hyperthreading-Technologie unter Umständen auch verlangsamt, wenn sie zu viel der gemeinsam genutzten Ressourcen eines Cores verwenden. Auf der Hardwareebene muss das Hyperthreading im BIOS aktiviert sein. Im Host ist Hyperthreading per Default aktiv; bei Bedarf deaktivieren Sie es über den vsphere-client im Tab Configuration eines vsphere-hosts unter den Eigenschaften der CPU. Bedenken Sie bitte beim Einsatz von Hyperthreading, dass ein vsphere-host nur eine bestimmte Anzahl von CPUs unterstützt

16 2 vsphere-architektur 2.5 Grundlagen der CPU-Virtualisierung Der vsphere-server verteilt die Last zwischen den Cores, um eine ausgewogene Auslastung zu erreichen. Wenn für eine logische CPU keine Last gefordert wird, wird sie in einen speziellen Halt State geschaltet. Dabei kann eine andere VM auf dem Core von den zusätzlichen freien Ressourcen dieser CPU profitieren. Um virtuelle Maschinen mit für Hyperthreading problematischen Anwendungen ohne dieses Feature zu betreiben, bietet vsphere auf Ebene der VM drei verschiedene Verhaltensmodi an (siehe Tabelle 2.18). Parameter any none internal Funktion Tabelle 2.18 Hyperthreading-Parameter Diese Einstellungen haben keinen Einfluss auf die Verteilung und Priorisierung von CPU- Ressourcen an die virtuelle Maschine Virtual SMP (vsmp) Dies ist die Standardeinstellung. Sie ermöglicht das Teilen der logischen CPUs eines Cores mit entweder einer weiteren virtuellen CPU derselben VM oder einer virtuellen CPU einer anderen VM. Diese Einstellung bietet, sofern die Anwendungen dafür ausgelegt sind, die optimale Performance. Diese Einstellung schaltet das Hyperthreading pro virtueller Maschine aus. Eine virtuelle CPU wird einer logischen CPU eines Cores zugeordnet, und die zweite logische CPU wird in den Halted State geschaltet. Da diese Einstellung eine virtuelle CPU vom restlichen System isoliert, wird diese Konfiguration für hyperthreading-problematische Applikationen verwendet und sollte nur nach Aufforderung durch den VMware-Support oder den Support des Anwendungsherstellers implementiert werden. Diese Einstellung beschränkt die Nutzung der zwei logischen CPUs auf eine VM und gilt daher nur für VMs mit aktiviertem vsmp. Eine VM teilt sich den Core nicht mit anderen VMs, sondern der Core wird nur für die virtuellen CPUs einer VM verwendet. Haben Sie diese Einstellung für eine Uniprozessor-VM ausgewählt, schaltet vsphere diese Einstellung automatisch auf None. Auch in virtuellen Umgebungen ist es möglich, virtuelle Maschinen mit mehr als einer vcpu zu erstellen. Die aktuelle Version von VMware vsphere unterstützt bis zu 32 virtuelle CPUs pro VM. VMware nennt diese Funktion Virtual SMP (Symmetric Multi Processing) oder auch vsmp. Dabei ist einiges zu beachten: Grundsätzlich und das unterscheidet eine virtuelle Maschine nicht von einem physischen Server ist nicht jede Applikation multi- prozessorfähig. Vor der Erzeugung einer vsmp-maschine sollten Sie dies abklären und dabei nicht nur das Betriebssystem (achten Sie auf die HAL bzw. den Kernel), sondern auch die Anwendung beachten. Schauen wir noch einmal zurück auf den Beginn von Abschnitt 2.5,»Grundlagen der CPU- Virtualisierung«, wo wir den logischen Aufbau einer CPU erklärt haben. Da es allen CPUs einer VM möglich sein muss, auf identische Speicheradressen zuzugreifen auch beim Cache, wird sofort klar, dass eine virtuelle Maschine mit mehreren CPUs am leistungsfähigsten arbeiten kann, wenn alle virtuellen Prozessoren auf einer logischen oder physischen CPU liegen. Liegen die Prozessoren auf unterschiedlichen Sockeln, dann können die virtuellen CPUs nicht in optimaler Geschwindigkeit miteinander kommunizieren. Die Ursache dafür ist, dass der Informationsaustausch der CPUs untereinander über den Frontside-Bus erfolgen muss. Auch beim Betriebssystem müssen Sie auf einiges achten. Denken Sie bitte daran, dass Sie bei mehreren CPUs in einer VM einen Multiprozessor-Kernel installieren müssen. Einen Weg zurück zumindest bei Windows-VMs unterstützt Microsoft nicht. Lassen Sie uns nun betrachten, wie VMware mit dem Thema vsmp und der Tatsache, dass freie Ressourcen anderen VMs zur Verfügung gestellt werden, umgeht. Während eine CPU im physischen Umfeld exklusiv einem Betriebssystem zur Verfügung steht, teilen sich die virtuellen Maschinen die CPU-Zyklen. Zur optimalen Abarbeitung der Prozesse werden diese in einem SMP- bzw. vsmp-system parallelisiert. Steht eine teilprozessabarbeitende Instanz nicht zur Verfügung, müssen alle anderen Teilprozesse so lange warten, bis auch dieser Prozess parallel zu den anderen abgearbeitet wurde. Diese Art der parallelen Abarbeitung wird auch Co-Scheduling genannt und dient grundsätzlich dazu, die Performance eines Systems zu erhöhen. Es könnte vorkommen, dass ein Watchdog-Timer auf einen Schwesterprozess warten muss. Reagiert dieser Prozess aber nicht in einem passenden Zeitfenster, stirbt er. Zur Messung dieser Varianzen wird der sogenannte Skew herangezogen. Dieser Wert repräsentiert den zeitlichen Unterschied zwischen den Prozessteilen. Überschreitet der Skew einen definierten Schwellenwert, dann wird die CPU der VM mit angehalten (co-stopped). Sie wird erst wieder mitgenutzt (co-started), wenn genügend Ressourcen für die Abarbeitung auf der physischen CPU vorhanden sind. Der Co-Stop verhindert, dass der Skew-Wert sich erhöht; dieser kann nur sinken. Mit dem Relaxed Co-Scheduling wurde mit ESXi 3 nämlich eine Funktion eingeführt, dass angehaltene vcpus keine Skew-Wert-Erhöhung mehr erfahren. Somit wird ein zu häufiges Co-Scheduling verhindert (siehe Abbildung 2.9). Der Skew-Wert hat aber noch eine weitere Funktion: Der VMkernel nutzt diesen Wert, um die Arbeitslast auf die physischen CPUs zu verteilen. Eine geskewte CPU hat Rechenzeit übrig, die andere VMs nutzen können

17 2 vsphere-architektur 2.5 Grundlagen der CPU-Virtualisierung L2 L2 L2 L2 Hauptspeicher Abbildung 2.9 SMP-Handling unter ESXi 3 vsphere bringt wesentliche Änderungen gegenüber ESXi 3 mit, da neben der deutlichen Minderung des Co-Stoppings nun auch die Nutzung aller Prozessorkerne ermöglicht wird (Abbildung 2.10). Mit vsphere 5.x hat sich eine weitere Änderung an der Stelle ergeben, die die Performance noch einmal erheblich steigert: VMware bringt die NUMA-Architektur (Non-Uniform Memory Access) in die VM (siehe Abbildung 2.11). Unterstützt wird diese Funktion sowohl von Intel- als auch von AMD-CPUs. Lassen Sie uns zuerst darauf eingehen, was NUMA genau ist. NUMA ist interessant für Multiprozessorsysteme. Hier hat jede CPU ihren lokalen Arbeitsspeicher, den sie aber auch anderen CPUs zur Verfügung stellen kann. Auf physischer Ebene erkennen Sie das daran, dass jede CPU ihre eigenen Speicherbänke besitzt. Im Sinne einer guten Performance sollten diese Bänke auch symmetrisch mit Memory bestückt werden. Eine solche Kombination von CPU plus zugehörigem Speicher nennt man NUMA-Knoten. In Abbildung 2.11 sehen Sie eine CPU mit zwei NUMA-Knoten, die wie empfohlen symmetrisch mit 16 GB Arbeitsspeicher ausgestattet sind. L2 L2 L2 L2 Hauptspeicher Abbildung 2.10 SMP-Handling seit ESXi 4 Dadurch wurde ein wesentliches Problem der ESXi-3-Welt gelöst, da CPU-Anfragen der VMs teilweise unnötig warten mussten, weil nicht genügend Kerne einer physischen CPU verfügbar waren. Somit hat der CPU-Scheduler ab ESXi 4 wesentlich mehr Möglichkeiten, CPU-Anfragen zu verteilen (siehe Tabelle 2.19). ESXi 3.x ESXi 4 V0, V1, V2, V3 V0, V1, V2, V3 V0, V1, V2 V0, V1, V2 V0, V1, V3 V0, V1, V3 V0, V1 V0, V1 V0, V2 V1, V2 V0 V1 V2 Tabelle 2.19 SMP-Vergleich zwischen ESXi 3 und ESXi 4 Memory (Node0) RAM 1 (4 GB) RAM 2 (4 GB) RAM 3 (4 GB) RAM 4 (4 GB) Local NUMA Access CPU NUMA Node 0 Remote NUMA Access NUMA Node 1 Abbildung 2.11 Die NUMA-Architektur Node Interleaving Connection So wird gewährleistet, dass überwiegend auf schnellen lokalen Speicher zugegriffen werden kann. Das macht sich positiv bei der Gesamtperformance bemerkbar, denn mehrere Prozessoren können nicht konkurrierend auf Speicherbereiche zugreifen. Mit der extremen Steigerung der Cores pro Prozessor ist das ein immer größer werdendes Problem. Gerade bei hochlastigen Anwendungen könnten sich die CPUs bzw. Cores untereinander ausbremsen. Benötigt ein Kern nun mehr Arbeitsspeicher, als die eigene CPU direkt adressieren kann, so kann er diesen anfordern. Über einen Remote-NUMA-Zugriff kann der Speicher einer anderen CPU angefordert und für die eigenen Belange genutzt werden. Dass dieser Zugriff langsamer ist als das Nutzen des eigenen Speichers, müssen wir wohl nicht extra erwähnen. Welche Vorteile oder Nachteile hat das für eine virtuelle Maschine? Lassen Sie uns tiefer einsteigen und die möglichen Szenarien betrachten. Eine NUMA-VM bekommt einen so genannten Home-Node. Das bedeutet, sie bekommt damit einen Prozessor und Speicher CPU local Memory (Node1) RAM 1 (4 GB) RAM 2 (4 GB) RAM 3 (4 GB) RAM 4 (4 GB) 84 85

18 2 vsphere-architektur 2.5 Grundlagen der CPU-Virtualisierung zugewiesen. Braucht eine VM Speicher, so wird er optimalerweise vom Home-Node zugewiesen. Dadurch sind schnelle Zugriffszeiten garantiert. Ist der Workload in einem Home-Node zu hoch, kann bzw. wird die VM auf einen anderen Home-Node verschoben. Gewährleistet werden kann das aber nur, wenn die ESX-Optimierung aktiv ist. Ist das nicht der Fall, tritt nicht selten ein Fall auf, wie er in Abbildung 2.12 dargestellt ist. Bei den zuletzt genannten Werten handelt es sich um die Standardeinstellungen des ESXi- Hosts. Diese können Sie in den Advanced Settings unter dem Punkt NUMA an Ihre Bedürfnisse anpassen. Die Werte Numa.RebalanceCoresTotal und Numa.Rebalance- CoresNode sind für diese Einstellungen verantwortlich. Es handelt sich also um eine Funktion, die speziell auf die Performanceoptimierung von Mehrprozessor-VMs abzielt. Virtual Machine vcpu0 vcpu1 Virtual Machine vcpu0 vcpu1 Memory (Node0) RAM 1 (4 GB) RAM 2 (4 GB) RAM 3 (4 GB) CPU Node Interleaving Connection CPU local Memory (Node1) RAM 1 (4 GB) RAM 2 (4 GB) RAM 3 (4 GB) Memory (Node0) RAM 1 (4 GB) RAM 2 (4 GB) CPU0 1 2 Node Interleaving Connection CPU1 1 2 local Memory (Node1) RAM 1 (4 GB) RAM 2 (4 GB) RAM 4 (4 GB) Local NUMA Access RAM 4 (4 GB) RAM 3 (4 GB) RAM 4 (4 GB) RAM 3 (4 GB) RAM 4 (4 GB) NUMA Node 0 Remote NUMA Access NUMA Node 1 Local NUMA Access Abbildung 2.12 Verteilung der vcpus bei deaktivierter ESX-Optimierung Aufgrund der inaktiven Optimierung kann es bei Mehrprozessor-VMs passieren, dass die vcpus sich auf mehrere Prozessoren verteilen, was zur Folge hat, dass die virtuelle Maschine nicht optimal arbeiten kann. In der Grundkonfiguration aktiviert sich NUMA automatisch in der virtuellen Maschine mit der virtuellen Hardwareversion 8. Da stellt sich sofort die Frage, wie Sie die ESX-Optimierung aktivieren können (Abbildung 2.13). Lassen Sie uns das Pferd an dieser Stelle von hinten aufzäumen, denn es ist einfacher, die Konfigurationen aufzulisten, die eine NUMA-Optimierung verhindern: NUMA ist in der BIOS-Konfiguration des Servers deaktiviert. CPU-Affinitätsregeln binden die virtuelle Maschine an Cores, die auf unterschiedlichen NUMA-Knoten liegen. Die VM nutzt mehr Arbeitsspeicher, als ein NUMA-Knoten direkt adressieren kann. Es werden in der VM mehr CPU-Kerne genutzt, als ein NUMA-Knoten bereitstellen kann. Es sind weniger als vier Cores insgesamt oder 2 Cores pro NUMA-Knoten nutzbar. NUMA Node 0 NUMA Node 1 Abbildung 2.13 Aktivierte ESX-Optimierung VM liegt auf einem NUMA-Knoten. Es gilt zwar auch weiterhin unter vsphere vsmp, dass weniger mehr ist, allerdings ist es wesentlich entspannter geworden, Mehrprozessor-VMs zu verwenden. Das Hauptkriterium sollten immer noch die Anforderungen der Anwendung und des Systems sein und nicht der Gedanke, dass mehr CPUs auch automatisch mehr Leistung bedeuten. Bedenken Sie aber bitte auch hier, dass es zwar möglich ist, VMs anzulegen, deren Anzahl von vcpus der Anzahl der gesamten Cores der unterliegenden Hardware entspricht, aber in diesem Fall ist es nicht unwahrscheinlich, dass viele Remote-NUMA-Zugriffe stattfinden. Das bedeutet, dass die Prozessoren untereinander auf ihre Speicherbereiche zugreifen. Für eine optimale Performance sollte somit eine virtuelle Maschine maximal so viele vcpus besitzen, wie physische Cores auf einer CPU vorhanden sind. Diese Performance-Einschränkung greift auch, wenn Sie einer VM mehr Arbeitsspeicher zuweisen, als ein NUMA-Knoten sprich eine physische CPU direkt adressieren kann, ohne remote auf den Bereich einer anderen CPU zugreifen zu müssen

19 2 vsphere-architektur 2.6 Grundlagen der Memory-Virtualisierung Best Practices Nachfolgend finden Sie einige Empfehlungen zum Umgang mit CPU-Reservation, -Limits und -Shares: Erfahrungsgemäß werden Prozessoren nicht zurückgerüstet, auch wenn sie eigentlich nicht benötigt werden. Bei Mehrprozessor-VMs fangen Sie einfach mit einer Zweiprozessor-Maschine an. Weitere Prozessoren lassen sich immer noch später hinzukonfigurieren. Vergeben Sie niemals mehr Prozessoren, als sich Cores auf der CPU befinden. Einer virtuellen Maschine sollten Sie zu Beginn grundsätzlich niedrige CPU-Ressourcen zuweisen, um im laufenden Betrieb die Ressourcenauslastung anhand der vcenter-performance-messung zu analysieren. Es ist besser, mit CPU-Shares anstelle von CPU-Reservierungen zu arbeiten. Beim Einsatz von CPU-Reservierungen sollten Sie das aktuelle Minimum definieren, das eine VM benötigt, nicht aber die gewünschte absolute Menge an CPU in MHz. Wenn eine VM mehr Ressourcen benötigt, so weist der vsphere-server diese, je nach definierten Shares, bis zu einem eventuell definierten CPU-Limit dynamisch zu. Des Weiteren ist zu beachten, dass der Einsatz von CPU-Reservierungen die auf einem Host zur Verfügung stehenden CPU-Ressourcen limitieren kann und dadurch weniger VMs gestartet werden können. Zu hohe Reservierungen behindern möglicherweise auch Funktionen wie DRS oder HA. Das Verschieben von virtuellen Maschinen kann durch die Ressourcenauslastung der vsphere verhindert werden. 2.6 Grundlagen der Memory-Virtualisierung Der physische Speicher eines Hosts wird in zwei Segmente unterteilt: System und Virtual Machines. Der Speicherbereich für das System wird vom VMkernel und von den Gerätetreibern verwendet und ist nicht konfigurierbar. Er wird mit einer Größe von mindestens 50 MByte beim Starten des vsphere-hosts angelegt und variiert je nach Anzahl und Art der verwendeten PCI-Geräte und deren Treibern. Der Speicherbereich für Virtual Machines ist der Rest des physischen Speichers und wird komplett für die VMs genutzt. Zur Verdeutlichung hier zuerst eine Erklärung zur generellen Nutzung von Speicher innerhalb eines Betriebssystems. Speicher wird in einem Betriebssystem über virtuelle Speicheradressen erreicht, die auf physische Adressen verweisen (siehe Abbildung 2.14). Ein Zugriff von einer virtuellen Maschine auf den physischen Speicher eines vsphere-hosts ist nicht erlaubt. Um den virtuellen Maschinen Speicher zur Verfügung zu stellen, bietet vsphere eine weitere, virtuelle Schicht. Diese gaukelt der VM die physischen Speicheradressen vor. Im VMware-Wortgebrauch heißt der physische Speicher im Host Machine Memory Pages, und die der VM virtualisiert vorgegaukelten physischen Speicherseiten nennen sich Physical Memory Pages. Die Physical Memory Pages für eine VM sind, so wie es ein Betriebssystem erwartet, durchgängig mit Nullen gefüllt. Sie sind durch die Virtualisierungsschicht aus verschiedenen Bereichen, aber nicht zusammenhängend, zusammengefasst. Diese Bereiche sind z. B. normale, physische Speicherbereiche (Machine Memory Pages) von vsphere Shared Pages oder auch Swapped Pages. Das virtuelle Speichermanagement erfolgt durch den Host, unabhängig vom in der VM laufenden Betriebssystem, über den VMkernel. Dieser greift von der VM alle Befehle ab, die auf den Speicherbereich schreibend zugreifen möchten, und leitet diese auf die der VM vorgegaukelten Physical Memory Pages um. A A A B B Der Speicher wird normalerweise in 4-KB-Blöcke eingeteilt. Es werden aber auch Memory-Blöcke von 2 MB unterstützt. Diese Funktion können Sie nur pro VM konfigurieren. Dazu aktivieren Sie in dem Konfigurations-File die Funktion Mem.AllocGuestLarge- Page=1. Dies ist empfehlenswert, wenn die VM große Speicherseiten benötigt, wie z. B. ein Datenbank-Server. BB Abbildung 2.14 Speicheradressierung zwischen VM und Host Virtual Machine Memory (VMM) Der Speicherbereich, der für die VMs zur Verfügung steht, wird Virtual Machine Memory genannt und bietet allen VMs die Speicherressourcen des vsphere-servers abzüglich eines Virtualisierungs-Overheads. Dem Betriebssystem wird vorgegaukelt, dass der Speicher, der in der Konfiguration festgelegt wurde, auch vorhanden ist. Der physisch zugewiesene Speicher kann aber variieren bis zum konfigurierten Maximum. Auch hier setzen Sie über die Einstellung der Shares-Werte eine Priorität gegenüber den anderen VMs, die auf demselben Host arbeiten. Eine Reservierung weist den Speicher der virtuellen Maschine fest zu Memory-Overhead C B B C Der Memory-Overhead hängt von der Anzahl der CPUs und natürlich von dem der VM zugewiesenen Speicher ab. Dieser Memory-Overhead stellt einen Speicherbereich zur Verfü- C virtuelle Speicheradressierung im Gast physikalische Speicheradressierung im Gast physikalischer Hauptspeicher im Host 88 89

20 2 vsphere-architektur 2.6 Grundlagen der Memory-Virtualisierung gung, um VM-Frame-Buffer sowie verschiedene Virtualisierungsdatenstrukturen abzulegen. Die Nutznießer dieses Speichers sind zum einen der VMkernel und zum anderen der VMM, die beide für die korrekte Arbeit der virtuellen Maschinen benötigt werden. Der einzukalkulierende Overhead lässt sich nicht mehr in einer Tabelle zusammenfassen. Es bestehen verschiedene Abhängigkeiten, die einen Einfluss auf den Memory-Overhead haben. Das sind die Anzahl der vcpus und die Größe des vrams. Wir haben uns einmal die Mühe gemacht, eine Formel zu aufzustellen, mit der Sie sehr genau die Größe des Overheads berechnen können. Es war leider nicht ganz so einfach, weil sich die Werte an einigen Stellen sprunghaft erhöhen. Wir benötigen dazu eine kleine Hilfstabelle, in der die Anzahl der CPUs mit einem Faktor verbunden wird (siehe Tabelle 2.20). Anzahl der CPUs Wert für Faktor 1 0 2, 3, 4 1 5, 6, 7, 8, , 11, 12, 13, 14, 15,16, 17, 18, 19, , 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, Tabelle 2.20 Faktorberechnung für die Kalkulation des Overheads Die Formel lautet: Overhead = [48 + (Speicher in GB 19)] + [[23 + (Speicher in GB 3)] (Anzahl CPU 1)] + [(Speicher in GB 8) Faktor] Sie ist verifiziert für virtuelle Maschinen bis 24 CPUs. Uns stand leider keine passende Hardware zur Verfügung, um VMs anzulegen, die mehr CPUs haben. Mit der Formel können Sie schon im Voraus genau berechnen, wie viel Arbeitsspeicher Sie zusätzlich benötigen abhängig von den virtuellen Systemen, die in der virtuellen Infrastruktur aufgebaut werden sollen. niken versucht man, ungenutzte Speicherbereiche von einer VM auf andere Maschinen zu verteilen, die aktuell mehr Speicher benötigen. Die Priorisierung erfolgt auch in diesem Fall über die eingestellten Share-Werte Memory-Compression Ist das Memory-Overcommitment aktiviert, wird auch automatisch die Memory-Compression eingeschaltet. Die Speicherseiten werden automatisch komprimiert und im Arbeitsspeicher vorgehalten. Die Performance ist dabei nur geringfügig eingeschränkt, denn der Zugriff auf den Arbeitsspeicher ist allemal schneller, als wenn das System auf geswappte Daten zugreifen muss. Zwei Einstellungen beeinflussen dabei das Verhalten der Funktion. In den Advanced Settings lässt sich die Funktion ganz deaktivieren, indem Sie den Parameter Mem.MemZipEnable auf 0 setzen. Der Parameter Mem.MemZipMaxPct gibt prozentual an, wie viel Speicher der VM maximal als Kompressions-Cache genutzt werden soll. Der Standardwert dieses Parameters liegt bei 10 % Content-based Page-Sharing Die Page-Sharing-Technik wird beim Betrieb von mehreren VMs auf einem Host verwendet. Es wird versucht, identische Memory-Pages der VMs zusammenzufassen. Die dabei beobachtete Speicher-Blockgröße ist so klein, dass es vollkommen unerheblich ist, ob auf den virtuellen Servern identische Software installiert ist oder nicht. Trotzdem gelingt dies umso besser, je homogener die verschiedenen Gastbetriebssysteme sind, also wenn mehr identische Server-Applikationen darauf laufen. Ein gutes Beispiel ist eine Server-Farm mit identischen Webservern, die aber alle unterschiedlichen Webcontent hosten. Es ist zu erwarten, dass diese Systeme eine große Anzahl von identischen Speicherblöcken haben, die von der VMM zusammengefasst werden können. So werden redundante Speicherinhalte eliminiert. Will nun eine der virtuellen Maschinen einen solchen Speicherbereich beschreiben, dann wird für diesen Server eine Kopie des Speicherblocks exklusiv angelegt, sodass er ihn frei nutzen kann. Bei dieser Technik sind bis zu 30 % Speicherersparnis erreichbar. Bei weniger homogenen Memory-Inhalten reduziert sich die Ersparnis auf circa 5 % Memory-Overcommitment vsphere bietet die Möglichkeit, mehr RAM an virtuelle Maschinen zu vergeben, als physisch im Host selbst vorhanden ist. Dieses Feature nennt sich Memory-Overcommitment und setzt sich zusammen aus mehreren verschiedenen Techniken: der Memory-Compression, dem Page-Sharing, dem Memory-Ballooning und dem Memory-Swapping. Mit all diesen Tech Memory-Ballooning Das in Abschnitt beschriebene Memory-Overcommitment kann nur dann einwandfrei funktionieren, wenn dem Host ein Mechanismus zur Verfügung steht, der das Management des Arbeitsspeichers im virtuellen System übernimmt, und das natürlich im laufenden Betrieb. Dafür ist das sogenannte Memory-Ballooning zuständig (siehe Abbildung 2.15)

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