Netzmanagement Cloud Computing Virtualisierung

Transkript

1 Netzmanagement Cloud Computing Virtualisierung Hochschule Bonn-Rhein-Sieg Sommersemester 2011 Dr. Michael Pauly

2 Organisatorisches Was erwartet Sie: Vorlesung 1: Einführung und Überblick Was ist Cloud Computing Übung 1: Historie; IaaS, PaaS, SaaS Vorlesung 2: Die Basis der Cloud: Virtualisierung Übung 2: Service Level Agreements Vorlesung 3: Kommunikation in der Cloud/Cloud-Desktop Übung 3: Beispiel: Orchestrierung von Cloud Services (Cordys) Vorlesung 4: Cloud & Security, Cloud-Management Übung 4: Bewertung/Erstellung einer Sicherheits-Checkliste Netzmanagement 2

3 Virtualisierung keine neue Idee in der IT CP-67 ("control program") für IBM System/ (1969!); als CP/CMS mit Einplatzsystem CMS für Teilnehmerbetrieb eingesetzt, später VM/370 genannt (S/390, zseries) z/vm Nachfolger von VM/370 für die aktuelle Großrechner-Familie IBM zseries VMware VMware WSX für Intel x86 (1999) Xen realisiert Paravirtualisierung für x86 (2003) und zahlreiche weitere Netzmanagement 3

4 Virtualisierung Was ist das? Die Virtualisierung ist ein Framework und eine Methodik, um Ressourcen in verschiedene ausführende Einheiten aufzuteilen, indem verschiedene Methoden eingesetzt werden, z.b. Hardware und Software Partitionierung (Unterteilung), Timesharing, teilweise oder umfassende Simulation, Emulation oder Quality of Service Netzmanagement 4

5 Gartner Hype Cycle Virtualisierung Netzmanagement 5

6 Virtualisierung Was ist das? Hardwarevirtualisierung: Systemvirtualisierung auf Hardwareebene (Partitionierung, Domaining) Prozessorvirtualisierung Speichervirtualisierung Quelle: Netzmanagement 6

7 Virtualisierung Was ist das? Softwarevirtualisierung: Hardware-Emulation Betriebssystemvirtualisierung mittels OS-Container Systemvirtualisierung mittels Virtual Machine Monitor (VMM) Hardware-Virtualisierung (native Virtualisation, full Virtualisation) Paravirtualisierung Anwendungsvirtualisierung Quelle: Netzmanagement 7

8 Unterstützende Hardwaretechnologien: Blades Blades nutzen also die gleichen Ressourcen, werden zentral verwaltet und haben eine gemeinsame Stromversorgung und Lüftung. So kann beispielsweise ein Standard-42U-19 -Rack bis zu 84 Blades aufnehmen und bis zu 1344 Prozessorkerne enthalten. Server keine Lüfter in den Blades haben, sondern die Lüfter redundant an der Rückseite des Gehäuses eingebaut sind Bladesystem (HP), BladeCenter (IBM) Netzmanagement 8

9 Unterstützende Hardwaretechnologien: Hyperthreading Prozessoren besser auszulasten, indem man die Lücken in der Pipeline mit Befehlen eines anderen Threads auffüllt Softwareseitig verhält sich eine CPU mit Hyper-Threading wie ein Symmetrisches Multiprozessorsystem Hyper-Threading bringt jedoch nur für Anwendungen einen Geschwindigkeitsvorteil, deren Berechnungen parallelisierbar sind, das heißt die Berechnung eines Threads ist nicht abhängig vom Ergebnis eines anderen Netzmanagement 9

10 Unterstützende Hardwaretechnologien: Hyper-Threading-Systeme Durchschnittliche Auslastung einer Execution-Unit: ca. 35 % 1 Hyper-Threading Technologie AS Prozessor Kern Architektur Status (AS): Befehlszähler Interrupt Controller Register AS1 AS2 Prozessor Kern System-Bus Logischer Prozessor #1 Logischer Prozessor #2 Leistungssteigerung durch Hyper-Threading ca. 30 % 1 Grenzen bestehen durch sharing von Prozessor-Ressourcen: z.b. L1-, L2-Cache, Excecution Pipeline 1 Quelle: Intel Netzmanagement 10

11 Amdahls Gesetz t s t p v Speedup = 1 1 A + A/v t s t p /v v: Verbesserungsfaktor (Speedup) des Teils p A: Anteil des Teils p am gesamten (vor der Verbesserung) Netzmanagement 11

12 Virtualisierungstechnik: Emulation Guest App Guest App Guest OS VM Host App Idee Architektur wird unabhängig von tatsächlicher Hardware vollständig in Software abgebildet Vorteil Unabhängigkeit Host OS CPU Memory I/O Nachteile aufwändige Entwicklung Performanceverluste Lizenzrechte Netzmanagement 12

13 Beispiel: QEMU/KVM QEMU emuliert derzeit Systeme mit den folgenden Prozessorarchitekturen: x86, AMD64 und x86-64, PowerPC, ARM, Alpha, m68k (Coldfire), MicroBlaze, MIPS und Sparc32/64. GNU/Linux, Windows, FreeBSD, NetBSD, OpenBSD, OpenSolaris, OS/2/eComStation, DOS, Mac OS X und Haiku kann den gesamten Status einer virtuellen Maschine speichern und auch ohne die Maschine anzuhalten auf ein anderes Host-System übertragen und dort weiterlaufen lassen (Live-Migration) Netzmanagement 13

14 Beispiel: QEMU/KVM Netzmanagement 14

15 Ansätze der Servervirtualisierung Partitionierung (1) OS OS Partition I Partition II Hardware (CPU, Memory, I/O) In jeder Partition kann eine eigene Betriebssysteminstanz betrieben werden Aufteilung kann nur entlang von Modulgrenzen durchgeführt werden eine VM enthält mindestens eine CPU und ein Memory-Modul gute physikalische Trennung der einzelnen Systeme untereinander keine Performanceverluste z.b. durch Hypervisor keine Anpassung des Betriebssystems notwendig Netzmanagement 15

16 Ansätze der Servervirtualisierung Partitionierung (2) Bull NovaScale: FAME Fujitsu-Siemens Primepower: PPAR HP 9000/Integrity Server:nPAR Sun Fire Server: System Domains Sun Dynamic System Domains Unisys Cellular Multiprocessing Netzmanagement 16

17 Betriebssystem-Virtualisierung Container Es können nur gleiche Betriebssysteme virtualisiert werden Anwendung Anwendung Anwendung einige Teile des Betriebssystems werden gemeinsam genutzt Treiber werden vom Host-Kernel verwaltet OS (Gast) OS (Gast) OS (Gast) Systemaufrufe werden abgefangen und vom Host ausgeführt. OS (Host) geringer Overhead (Virtualisierungsaufwand 1-3%) Hardware (CPU, Memory, I/O) Einsatz: z.t. Internet-Hosting Netzmanagement 17

18 Betriebssystem-Virtualisierung Container Implementierungen OpenVZ Parallels Virtuozzo Containers FreeBSD jails Linux-VServer Solaris 10 Containers/Zones IBM AIX6 WPARs (Workload Partitions) Netzmanagement 18

19 Herr der Ringe x86-architektur (1) Hierarchisches Privilegiensystem Regelung des Zugriffs auf Speicher und Befehlssatz des Prozessors Ring 0: direkter Zugriff auf Hardware und Speicherbereiche; Kernel des Betriebssystem Ring 1 und 2: diese werden normalerweise nicht genutzt Ring 3: Benutzerapplikation Netzmanagement 19

20 Herr der Ringe x86-architektur (2) x86 Betriebssysteme sind gebaut um direkt auf der Hardware zu laufen, daher gehen sie davon aus die Hardware vollständig und exklusiv zu besitzen. Hypervisor soll die Kontrolle über die Hardware übernehmen. Betriebssystem wird in einen äußeren Ring verschoben Hypervisor OS Netzmanagement 20

21 Ansätze der Servervirtualisierung Hosted Hypervisor Virtuelle Maschine simuliert realen Rechner mit allen Komponenten Basiert auf herkömmlichen Betriebssystems Anwendung OS Hypervisor Anwendung Vorteile Keine Änderung am Betriebssystemen notwendig Flexibilität OS (Host) Nachteile Schlechtere Performance Hardware (CPU, Memory, I/O) Netzmanagement 21

22 Ansätze der Servervirtualisierung Vollständige Virtualisierung/ Bare-Metal Hypervisor (I) Virtuelle Maschine simuliert realen Rechner mit allen Komponenten Virtueller Maschinenmonitor (VMM) koordiniert virtuelle Maschinen und Ressourcen Anwendung Anwendung OS OS Hypervisor Hardware (CPU, Memory, I/O) Vorteile Kaum Änderungen an Betriebssystemen Flexibilität Nachteile Hypervisor/VMM teuer Schlechtere Performance Netzmanagement 22

23 Ansätze der Servervirtualisierung Bare-Metal Hypervisor (II) Anwendung OS Anwendung OS Hypervisor Hardware (CPU, Memory, I/O) Netzmanagement 23

24 Ansätze der Servervirtualisierung Paravirtualisierung Anwendungsschnittstelle (keine komplette Hardware oder Virtuelle Maschine) Hypervisor (~VMM) Meta-Betriebssystem Unabhängiger Betrieb von mehreren Anwendungen und Betriebssystem auf einem Prozessor Gastsysteme kommunizieren selbstständig mit dem Hypervisor Netzmanagement 24

25 Ansätze der Servervirtualisierung Paravirtualisierung Prinzip Erweiterter Befehlssatz Hypercalls statt Systemaufrufen Ring 3 Ring 2 Ring 1 Vorteil sehr gute Performance Nachteil Ring 0 Ring 1 Xen Host- und Gast- Betriebssystem Gastbetriebssysteme müssen verändert werden Anwendungen Netzmanagement 25

26 Paravirtualisierung Domain 0 Domain 1 Domain n Anwendung/ Mgt.-Tools Anwendung Anwendung OS/Treiber OS OS Hypervisor Hardware (CPU, Memory, I/O) Netzmanagement 26

27 Virtualization Matrix Lifecycle Netzmanagement 27

28 Produktübersicht VMware Quelle: VMware Netzmanagement 28

29 VMware vmotion vmotion erlaubt den schnellen Umzug auf ein anderes System keine Downtime Kapselung der Virtuelle Maschine im VMFS Filesystem Zentraler Storage notwendig Netzmanagement 29

30 VMware Datensicherung in virtuellen Umgebungen Netzmanagement 30

31 VMware vcenter zentrale Administration der ESX Server und aller virtuellen Maschinen Performance-Messungen der ESX Server und der VMs Voraussetzung für den Einsatz von VMotion, DRS und HA. Überwachung der Server und Alarmierung Netzmanagement 31

32 VMware IT-Service Life Cycle Netzmanagement 32

33 Konvertierung zwischen verschiedenen Hostsystemen: P2V, V2V und V2P P2V Physical to Virtual PlateSpin VMware Leostream HelperApps Xen Enterpise MS Virtual Server Migration Toolkit - MS Virtual Server P2V Migration Toolkit V2P Virtual to Physical PlateSpin VMware Netzmanagement 33

34 VMware vcenter Converter Netzmanagement 34

35 Speichervirtualisierung Virtualisierung des physischen Speichers in einem SAN (Storage Area Network) oder einem NAS (Network Atteched Storage) Wichtigstes Technologie: Zuordnung des physikalischen Speichers zum virtuellen (Mapping) Migration von Speichersubsystemen zur Laufzeit Kombination mit Servervirtualisierung Netzmanagement 35

36 Cloud Management Analystensicht Netzmanagement 36

37 Geek and Poke und Cloud Quelle: geek and poke, Netzmanagement 37

38 Literatur & weiterführende Dokumente Bitkom: Leitfaden Server-Virtualisierung ( A. S. Tanenbaum: Computerarchitektur. Strukturen - Konzepte Grundlagen, Pearson Studium Verlag, 5. Auflage, M. Rosenblum, T. Garfinkel: Virtual Machine Monitors: current technology and future trends, IEEE Computer, Mai Netzmanagement 38