Virtualizacion

UNIVERSIDAD NACIONALMAYOR DE SAN MARCOS

Decana de AmericaFACULTAD DE INGENIERÍA DE SISTEMAS E INFORMATICA

ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS2014 - 0

Mg. JUAN CARLOS GONZALES SUAREZ

Agenda

¿Que es la virtualización?Necesidades y EscenariosTipos de virtualizaciónCaracterísticas de la VirtualizaciónAlcances de la Virtualización

Arquitectura de ComputadorasMg. Juan Carlos Gonzales Suárez

Virtualización


Idea muy novedosa…

IBM M44/44XIBM CP-40IBM CP/CMS…………

¡¡En 1960!!



Escenarios de Virtualización

Pruebas y desarrollo

Consolidación de Servidores

Continuidad del negocio

Delegaciones Remotas


Tipos de VirtualizaciónEmulación

Se emula un tipo de arquitectura en otra (PearPC, PPC, SmartPhone)

Nativa (o total)La máquina virtual emula una cantidad suficiente de hardware como para que muchas instancias de un SO no modificado funcionen concurrentemente

Para-virtualizaciónLa maquina virtual (hypervisor) no necesariamente se emula el hardware, sino que en su lugar (o además) ofrece una serie de APIs a un SO conveniente modificado para utilizarlas (hypercalls)

Virtualización a nivel de Sistema OperativoLos SO “guests” comparten el mismo kernel que el SO “host” creándose diferentes instancias del mismo SO independientes entre si.

Virtualización de aplicacionesLas aplicaciones poseen su propio entorno virtualizado con todo lo necesario para ejecutarse sobre un servidor o un cliente (registro, sistema de archivos, librerías etc.)


Tipos de Virtual Machine Monitors (VMMs)

Tipo 1 (Hypervisors): Corren directamente sobre el hardware

Tipo 2: Corren en el SO “host” que ofrece servicios de virtualización, como gestion de memoria o operaciones de E/S en dispositivos


Diseño del Hypervisor

AislamientoSeguridadRendimientoVirtualización asistida por hardwareSimplicidad

Más sencillo y mucho mas pequeño que el driver de un ratón de dos botones


Ejemplos de Hypervisor

IBM pSeries Servers


Ejemplos de Hypervisor

Hardware

Windows hypervisor

Parent Partition

ServerCore

AppsApps Apps

Child Partition

Child Partition

OS 1 OS 2


Diseño basado en Host

VMware Workstation


Hypervisor Monolítico vs. MicrokernelHypervisor Monolítico

Más simple que un Kernel moderno, pero todavía bastante complicadoTiene su propio modelo de drivers

Hypervisor en microkernelFuncionalidad de particionado más simpleMayor fiabilidad y menor TBCSin código de tercerosLos drivers se ejecutan en el guest

Hypervisor

VM 1(“Admin”)

VM 2 VM 3

Hardware Hardware

Hypervisor

VM 2(“Child”)

VM 3(“Child”)

Virtual-ization Stack

VM 1(“Parent”)

DriversDriversDrivers

DriversDriversDrivers DriversDriversDrivers DriversDriversDrivers


Arquitectura

Aplicaciones Aplicaciones Aplicaciones

Non-Hypervisor Aware OS

Windows Server 2003,

“Longhorn”

Windows Kernel VSC

VMBus VMBus Emulación VMBus

“Designed for Windows” Server Hardware

Windows hypervisor

“Longhorn” Server

VSPWindows Kernel

Xen-Enabled Linux Kernel

Linux VSC

Hypercall Adapter

Partición Padre Particiones “hijas”

VM Service

WMI Provider

VM Worker

Processes

User Mode

KernelMode


Características de la Virtualizacion

Pocas o ninguna limitación a la hora de virtualizar workloads.

Particiones hijas tanto de 32-bit (x86) como de 64-bit (x64)

>32GB de memoria en máquinas virtuales

Maquinas Virtuales SMP con 2/4/8 cores

Acceso a disco Pass-through para VMs

Nueva arquitectura para compartición de hardware (VSP/VSC)Disco, red, entrada, video.

Networking robustoSoporte de VLAN, NAT, Quarantine

Agregar NICs a las VM en caliente

Soporte de Server Core” como partición “padre”Menor superficie de ataque

Menores recursos consumidos


Características (2)

Integración con políticas de grupo

Interfaz de Scripting

Monitorización de estado de salud

Contadores de utilización (Uso de recursos €€€)

Soporte a SO “guests” de otros fabricantes

Conexión en caliente de casi cualquier tipo de almacenamiento a las VM

Posibilidad de sacar Snapshots de las máquinas virtuales

Control flexible de recursosPosibilidad de establecer niveles mínimos y máximos de los recursos de CPU y red.

Manipulación Offline del virtual hard disk (.vhd)


Escalabilidad y Alta Disponibilidad

Alta disponibilidad de la pila de virtualización vía clustering

Alta disponibilidad de las máquinas virtuales vía clustering

Backup en caliente sin tiempo de parada vía VSS

Posibilidad de agregar recursos virtuales en caliente para permitir que una aplicación escale (memoria, procesadores, dispositivos…)

Migración en vivo de máquinas virtuales entre servidores


Alcances de la VirtualizaciónAproximación por múltiples capas

AgilidadMejor utilización de recursosColaboracion con IHVs para mejor rendimiento

Licenciar serà mas flexible, barato y simplificado


Facilitar la consolidaciónMejor utilización de los recusrsos de gestiónLiberar de costes a los departamentos de TI

Acelerar los desplieguesReducir los costes de soporteHacer de las aplicaciones servicios dinámicos

Soporte de escenarios heterogéneosFormato vhd abiertoColaboración con ISVs

Administración Licencias Aplicaciones Interoperabilidad Infraestructura

Otras Aplicaciones de la Virtualización


Aplicaciones de la Virtualización. Estrategia Global

• Virtualización de Redes• Virtualización de Almacenamiento• Virtualización de Escritorios• Virtualización de Infraestructuras



• Virtualización de Redes (Network Virtualization)

– CONCEPTO: Segmentación o partición lógica de una única red física, para usar los recursos de la red. La virtualización de red trata a todos los servidores y servicios en la red como un único grupo de recursos que puede ser accedidos sin considerar sus componentes físicos.– Beneficios:‐ Reducción en el tráfico de la red (transmisión solo a los dispositivos incluidos en el dominio de cada LAN)‐ Mejor uso del ancho de banda‐ Confidencialidad respecto a personas ajenas a la VLAN



• Virtualización de Almacenamiento (Storage Virtualization)

– CONCEPTO: Ofrece la posibilidad de representar datos independientemente de dónde y cómo estén almacenados físicamente.– Beneficios:‐ Contribuye a hacer menos complejo el entorno de almacenamiento ofreciendo un sistema de gestión centralizado (en un único panel)‐ Aumenta el valor de las inversiones en almacenamiento promoviendo la consolidación y unos mayores índices de utilización de activos‐ Recuperación de las aplicaciones más rápida‐ Mayor y mejor protección de la información


Aplicaciones de la Virtualización. Estrategia Global • Virtualización de Almacenamiento (Storage Virtualization)



• Virtualización de Escritorios (VDI)

• CONCEPTO: Solución que aplica la virtualización al entornode escritorio (Portátil y sobremesa). Los PC virtuales residen en un Data Center corporativo y los usuarios se conectan a un PC virtual desde cualquier dispositivo que pueda ejecutar un protocolo de escritorio remoto (RDP, VNC o ICA).– Beneficios:‐ Homogeneización: Los PC’s dejan de ser diferentes‐ Gestión Mejorada: una única herramienta para todos los PC’s‐ Flexibilidad y Alta Disponibilidad: permite asignar varios PC’s a un mismo usuario y la creación de nuevos PC’s rápida y automáticamente.‐ Seguridad: Mayor control mediante accesos asignados



• Virtualización de Infraestructuras (Scalent)

– CONCEPTO: Se trata de proporcionar reutilización de servidores en tiempo real.Permite cambiar lo que los servidores están ejecutando y cómo están conectados a las redes y almacenamiento en tiempo real, sin intervención física, en 5 minutos o menos.– Beneficios:‐ Agilidad para el negocio‐ Retorno rápido de la inversión realizada‐ Asignación dinámica de recursos‐ Adaptación a las cargas de trabajo en tiempo real‐ Re‐asignación de servidores infrautilizados‐ Fail over automático Arquitectura de Computadoras

Mg. Juan Carlos Gonzales Suárez

SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO

DEINFORMACION


Agenda

Discos DurosSATA, SAS, FC, Solidstate

RAIDDASSAN


Selección del Disco Duro

(SATA, FC, SAS, SCSI, Solidstate)


Discos DurosUnidad Basica de almacenamiento físico (Physical block device)Variables a considerar cuando selecciona a disco:

Tipo (SAS, SATA, FC)Velocidad en RPMCapacidadMTBF (Mean Time between Failures)Tiempo de Vida


Tipos de disco duro

Capacidad Typico - 250 GB, 500 GB, 750 GB, 1TB

Typico – 73 GB, 146 GB, 300 GB, 400 GB

Typico – 73 GB, 146 GB, 300 GB, 400 GB


SATA(Serial ATA)

SAS(Serial Attached SCSI)

FC(Fibre Channel)

Typical Use Bajo-costo, alto-volumen, baja-velocidad, large-storage environments

CDP / Backups

Remplaza los discos SCSI

Alta performance en aplicaciones con gran nivel de IOPs

Alta performance en aplicaciones con gran nivel de IOPs

Performance

Tipica Promedio de

7200 RPM

Buena (Similar a FC)

10k / 15k RPM

Buena (Similar a SAS)

10k / 15k RPM

Tipos de disco duro

SATA(Serial ATA)

SAS(Serial Attached SCSI)

FC(Fibre Channel)

Precio por GB

$ 0.33 $2 $3

Misc - Compatible con SATA

Permite mezcla con discos SATA en mismo backplane

-


Tipos de disco duroPara aplicaciones de alto IO, base de datos, bajo espacio requerido – elehir entre FC y SASSAS tiene mejores caracteristicasLos standards SAS plantean ser mas rapido que los FCPara gran espacio (video, archivos, fotos, archives, correo, respaldos) es razonable los discos SATA Se puede combinar SAS and SATA para reducir costos usando backplanes que son cross-compatible


Dispositivos de Estado Solido

Usado para datos persistentesElimina partes mecanicasUtil para caches eficientes o almacenamiento intermedio de base de datos de alta performance


Revisarhttp://www.storagesearch.com/ssd-ram-v-flash.htmlhttp://www.superssd.com/

Dispositivos de Estado SolidoVentajas Inicio rapido

Muy rapido en I/O random (de 250x to 1000x+) Extremada baja latencia (en 25x to 200x) No noise Bajo consumo de energia Muy baja generacion de calor.

Desventajas

Altamente costosa ($10-30/GB - Flash based, $100-200/GB - DDR RAM based) Un poco lenta en grandes lecturas secuenciales Mas lenta en escritura para caso de basadas en Flash


Tipos de RAID(0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, TP,

0+1, 10, 50, 60)


Introducciòn al RAIDPermite multiples discos aparecer como un solo dispositivo de bloques fisicos contiguosProvee redundancia y alta disponibilidadUn grupo del RAID aparece como un solo dispositivo de bloques fisicos

HD1 HD2 RAID

HD1 HD2


RAID 0

Esquema

Description

Striping

Discos minimos

2

Maximum Disks

Depende de Controlador

Capacidad del arreglo

No. de discos x

Capacidad Disco

RAID 1

Mirroring

2

2

Capacidad Disco

RAID 5

Striping con Parity

3

Depende de

Controlador(No. de

discos - 1) x

Capacidad Disco

RAID de un solo nivelRAID 6

Striping con Dual

Parity4

Depende de

Controlador(No. de

discos - 2) x

Capacidad DiscoArquitectura de Computadoras


RAID 0 RAID 1 RAID 5 RAID 6

Eficiencia de espacio

100% 50% (Num of discos– 1) / Num of discos

(Num of discos – 2) / Num of discos

Tolerancia a Fallas

None Falla de 1 disco

Falla de 1 disco

Falla de 2 disco

High Availability

None Bueno Bueno Muy bueno

Degradacion durante reparacion

NA Ligera degradacion

Reparacion muy rapida

Alta degradacion

Lenta reparacion(due to write penalty of parity)

Muy alta degradacion

Muy lenta reparacion(due to write penalty of dual parity)

RAID de un solo nivel



Random Read

Performance

Muy bueno

Bueno Muy bueno

Muy bueno

Random Write

Performance

Muy bueno

Bueno (ligeramentepeor que

un solo drive)

Adecuado (Parity

overhead)

Pobre (Dual Parity

Overhead)

Sequential Read

Performance

Muy bueno

Adecuado Bueno Bueno

Sequential Write

Performance

Muy bueno

Bueno Adecuado Adecuado

Cost Mas bajo Alto Moderado Moderado+




Use Case No para data critica

Requerimientos de alta velocidad

Respaldo de Data en otro lado

Tipico usado en RAID 10 en aplicaciones OLTP / OLAP

Aplicaciones OLTP, file servers, etc no intensiva en escribir

Aplicaciones OLTP, file servers, etc no intensiva en escribir

Misc - - Parity puede hacer

considerable lento el sistema

No soportado en todas

las tarjetas RAID



Entendiendo la ParidadRAID 5 yRAID6 guardan paridad para reconstruir.Single Parity se puede calcular con XOR. “abcdefghijkl” en 4 discos en RAID 5

Si Disco 2 falla entonces la data “B” puede ser reconstruida (01000001 XOR 01000011 XOR 01000000) => 01000010 => B

+12124286429

Disk 1 Disk 2 Disk 3 Disk 4

A (01000001) B (01000010) C (01000011) {P – 01000000}

Parity {P} D E FG Parity {P} H IJ K Parity {P} L


Pasos para cambiar “B” a “X” on Disk 2

Leer A, C y {P}Recalcular {P} como ‘A’ XOR ‘X’ XOR ‘C’Escribir ‘X’ y {P}Un solo update requiere 3 reads y 2 writesEscritura Random en RAID 5 y RAID 6 son muy muy caras

Disk 1 Disk 2 Disk 3 Disk 4

A (01000001)

B->X (01000010) -

> (01011000)

C (01000011)

{P – 01000000}

Entendiendo la Paridad


Reconstruir en RAID 5 y RAID 6 es caro,El costo se incrementa con el incremento del numero de discos,Existe mayor riesgo con mas discos,Todas las escrituras despues de los calculos (es decir, la paridad y los bloques cambiados) debe ser simultaneo (desarrollado en una operación de actualización de dos fases)

El impacto puede ser drásticamente reducido a traves del uso de cache write-back.

Entendiendo la Paridad


RAID 10 RAID 50

Diagrama

Descripción Mirroring después Striping

Striping con Parity después de Striping sin

parityMínimo de

DiscosNúmero impar > 4 > 6

Máximo de Discos



Capacidad del arreglo

(Tamaño de Discos) * (Número de Discos ) / 2

(Tamaño de Disco) * (No. de Discos en cada grupo

de RAID 5 - 1) * (No. grupos de RAID 5 )

RAID de nivel anidado


RAID 10 RAID 50

Storage Efficiency 50% ((No. de discos en c/grupo de RAID 5 - 1) / No. de discos en c/grupo de RAID 5)

Tolerancia a fallas Multiple drive failure as long as 2 drives from same RAID 1 set do not fail

Multiple drive failure as long as 2 drives from same RAID 5 set do not fail

Alta disponibilidad Excelente Excelente

Degradacion durante

reconstrucción

Menor Moderada degradación Lenta reparación (debido a

la penalidad de escritura de paridad)

Read Performance Muy buena Muy buena

Write Performance Muy buena Buena

Use Case OLTP / OLAP applications

Medium-write intensive OLTP / OLAP applications

RAID de nivel anidado


Notas sobre RAID anidados

RAID 10 es mas rápido y mejor que RAID 0+1 para el mismo costo.RAID 60 es similar al RAID 50 excepto cuando los conjuntos de striped con paridad contiene paridad doble.Idealmente RAID 10 y RAID 50 seran los únicos niveles de RAID que se utilizarán.


Gabinete de Discos Pasivos(Passive Disk

Enclosure,PDE) basado en

Almacenamiento conectado directamente

(PDE basado en DAS)


DAS – Direct Attached storage, Almacenamiento conectado directamenteControlador RAID dentro de la máquina hostChasis externo es simplemente un JBOD (Just a Bunch Of Disks, conjunto de discos)Gabinete de discos pasivos (Passive Disk Enclosure or PDE)PDE permite asociar gran numero de discos en comparación con arreglo de discos internos.

Gabinete de Discos Pasivos DAS


El Gabinete de discos pasivos puede contener discos SAS, SATA or FCLa conectividad del Gabinete de discos pasivos al controlador RAID puede ser SAS, FC, SCSI (diferentemente posible desde el backplane)Multiples Gabinete de discos pasivos pueden comunmente ser enlazados (daisy chained)La tarjeta RAID card es un punto único de fallaSolo es soportado por una máquina hostUn arreglo de discos puede ser dividido en multiples grupos de RAID

Gabinete de Discos Pasivo DAS



El arreglo de discos puede ser dividido en multiples grupos de RAID El tamaño y tipo de grupo de RAID depende de tarjeta RAIDPDE puede tener multiples paths (caminos) al sistema con posibilidad de multiplexación para aumentar velocidadReservas globales pueden ser definidas en tarjeta RAIDTamaño Maximo storage = Numero maximo number de PDEs enlazados x tamaño de discosArquitectura de Computadoras


Consideraciones para la PerformanceDiscosConfiguracion del RAIDInterconexión del PDEConexión de PDE a la tarjeta RAIDConfiguración de tarjeta RAID (cache etc)Bus PCI



Caja de Discos Activos (Active Disk Enclosure,

ADE) basado en Almacenamiento unido

directamente (ADE basado en DAS)


ADE Difference -> RAID Card is not in the host machine but in the enclosureHost machine has a SAS/FC Host Bus Adaptor (HBA) depending on ADE to Host connectivity support

Some ADEs may support multiple connection protocols

ADE may support SAS/FC/SATA drivesADE can support daisy-chaining PDEsEg of ADE – Dell MD 3000, Infortrend eonstor devices, Nexsan Satabeast and Sataboy etc

Gabinete de Discos Activo DAS


ADE puede soportar controladores RAID doblesLos controladores RAID pueden ser usados como Active-Active (en caso de multiples Grupos RAID) – o de otra manera como Active PassiveLa conectividad controlador RAID a HBA puede ser multiplexada – si se soporta – para gran throughputADEs son erronea pero comunmente referidos como SAN (dispositivo SAN podria ser lo correcto)

Gabinete de Discos Activo DAS


Particionamiento y Montaje


Volumenes LogicosUn Grupo de RAID es una unidad de almacenamientoEn Sist. Opert. Un Grupo logico puede ser creado en base a multiples Grupos RAID Grupo Logico =>Volumenes LogicosVolumenes Logicos => Disp.bloques mountable En Linux es hecho usando LVM En LVM, los Volumes Lógicos LVM son tamaño ajustable


SAN (Storage Area

Network)


SANMultiples máquinas hosts se conectan a un ADE a través de un switch SAN SAN se refieres a la interconexión + Switch + ADE + PDESwitch y HBA pueden ser SAS/FC dependiendo de tipo de interconexión soportada por ADEADE podría soportar la creación of VolúmenesLos volúmenes pueden ser montados en el cliente y subdivididos Arquitectura de Computadoras


SAN

Tomar cuidado al montar cada Volumen Logico en un cliente (a menos que consideres Sistemas de Archivos en Cluster)Esto puede ser logrado por el enmascaramiento soportado por ADE y/o el SwitchSin el cuidado de enmascarar el host y montar los datos puede originar corrupción


SAN

Las configuraciones de SAN Complejas incluyen multiples hosts y multiples ADEs conectados a switches activo-activo con conexiones multiplexadasLos hosts clientes pueden ser de sistemas operativos heterogéneosLos caminos (paths) ADE to PDE no siempre son multiplexados. Arquitectura de Computadoras


SAN

Consideraciones para la mejor PerformanceTodas las variables deben ser cubiertas antesConfiguraciones del SwitchAsegurar que el switch / HBA / interconexión no llegue a ser un cuello de botella y que un completo throughput de disco pueda ser utilizado.


Cálculos del Throughput

Performance de Disco duro – Tipo, RPM etcDistribución de datos y Tipo de acceso a los DatosPerformance de RAID, numero de discos, tipo de RAIDPerformance de tarjeta RAID – cache, config. active-active, etc.Velocidad de conexión ADE al switchVelocidad de conexión Switch al HBAVelocidad de bus HBA to PCI Arquitectura de Computadoras


DS8300

Entry

DS300

AX100AX100i

DS6800DS4100

CX300CX300i

CX500CX500i

CX700CX700i

TagmaStoreWMS100

TagmaStoreAMS500

TagmaStoreAMS200

Thunder9585V

TagmaStore USP100/600/1100

TagmaStore NSC55

EMC

HDS

HP

Midrange

EVA4000 EVA6000 EVA8000MSA500 MSA100 MSA1500

DS400 DS4300& Turbo

DS8100DS480088,84,82

DS4500

IBM

High-End

XP128 XP1024 XP12000

DMX800

DMX1000

DMX2000

DMX3000 DMX-3

No Entry Offerings

4Gb

2Gb

4Gb

4Gb

4Gb

2Gb

4Gb

2Gb

4Gb

2Gb

4Gb

2Gb

4Gb

2Gb

DS480080

DS470072, 70

4Gb

4Gb

4Gb

4Gb



Gracias

Juan Carlos Gonzales [email protected]

Virtualizacion

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