INDICE DEDICATORIA...3

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1 INDICE DEDICATORIA...3 AGRADECIMIENTOS...4 PROLOGO CAPÍTULO MARCO TEÓRICO: Tipos de Virtualización: Virtualización de clientes: Virtualización de aplicaciones o programas Emulación de Hardware Paravirtualización Virtualización de Servidores Qué es la virtualización de servidores? Cuando usar la virtualización? Migración de servidores físicos a virtuales Administración de parches y actualizaciones: Consideraciones de licenciamiento y soporte: Hypervisor CAPÍTULO ANÁLISIS TÉCNICO DE LA SOLUCIÓN Requerimientos de hardware para la virtualización de servidores Procesadores con tecnología de virtualización Intel VT Cómo funciona Intel VT? AMD- V: Características técnicas de AMD- V Tecnología AMD Arquitectura de Conexión Directa Posibilidad de ampliación de núcleo cuádruple Mejor rendimiento por vatio Dimensionamiento de hardware en una estrategia de virtualización CAPÍTULO ANÁLISIS DE LAS HERRAMIENTAS Xen Hypervisor Soporte para clústeres de servidores XenServer Administración de almacenamiento de máquinas virtuales XenMotion Versiones de XenServer Elementos de XenServer Requerimientos de Sistema de XenServer Soporte de máquinas virtuales Microsoft Windows Linux Vmware vsphere Características Claves: Arquitectura Hypervisor de Arquitectura de 64 bits: Archivos de Disco Virtual: VMware vstorage VMFS Arranque desde una SAN (Storage Area Network): Redes Virtuales: Administración Avanzada de los Recursos Administración de Recursos para Máquinas virtuales: Virtualización Inteligente de CPU: Alto Desempeño de la Memoria RAM: Compartición de Archivos Transparentes (Duplicación de Memoria): Globos de Memoria:

2 Configuración de Tráfico de Red: Priorización de Tráfico de Almacenamiento I/O: Mejor Administración de la Energía: Desempeño y Escalabilidad Optimización de Desempeño para cargas de trabajo virtualizadas: Mejoras en el Desempeño para Almacenamiento iscsi: Soporte para Hardware de Servidores Poderosos: Soportes para Máquinas Virtuales más Grandes: Soporte para SMP Virtual de 8 Vías: Mapeamiento de Dispositivos en Bruto: Soporte para Virtualización de Hardware: Soporte para Alto Paginamiento de Memoria: Optimización de Desempeño de Redes: Soporte para Dispositivos y Protocolos de Alto Desempeños: Soporte para Paravirtualización: VMDirectPath I/O para Máquinas Virtuales: Alta Disponibilidad Multimapeo de Almacenamiento interno Emparejamiento de Tarjetas de red Soporte para el servicio de clústeres de Microsoft Interoperabilidad CAPÍTULO ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE XEN Y VSPHERE Ventajas y Desventajas Equipos virtuales previamente ensamblados Herramientas de administración centralizada y fácil de usar Hardware de servidor con Hypervisor previamente instalado Licenciamiento de máquinas virtuales y costo de Hypervisor Cuadro técnico comparativo de las dos soluciones Características del Hypervisor Características de Sistemas Operativos Host Características de Máquinas Virtuales Características de Consolas Administrativas Análisis comparativo de rendimiento Pruebas con servidores físicos Pruebas con servidores virtuales CAPÍTULO CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA

3 DEDICATORIA Este trabajo lo dedico a mi familia, mi esposa Carolina, quien ha sido compañía y apoyo durante este ultimo año, a mi padres Diego y Mónica y mi hermano Diego, quienes me han apoyado durante toda mi vida personal y profesional dándome la oportunidad de estudiar y obtener el titulo de Ingeniero de Sistemas. 3

4 AGRADECIMIENTOS Agradezco a la Pontificia Universidad Católica del Ecuador, su Facultad de Ingeniería y Escuela de Sistemas que conjuntamente con sus docentes han sido la base de todo mi aprendizaje. En especial a Fabio Puente que a mas de ser mi director fue un gran maestro y amigo. Además al Ing. Alfredo Calderón y la Ing. Beatriz Campos por ser mis correctores. Por ultimo a toda mi familia que siempre ha estado para mi. 4

5 PROLOGO En la actualidad, dado al continuo avance de la tecnología, las empresas se han visto en la necesidad de invertir en la actualización de sus centros de datos, lo cual ha conllevado a incrementar los costos tanto de mantenimiento como de renovación de equipos de hardware, mas concretamente los servidores utilizados para el desempeño normal del negocio. Este crecimiento continuo, al cual se han visto obligadas las empresas, no solo que ha producido el crecimiento físico de los centros de datos, sino que incrementa el numero de personas dedicadas al mantenimiento y administración de los servidores. Esto únicamente incrementa los costos de las empresas. Es por esto que la virtualizacion nace como una alternativa real y viable para las empresas ya que este tecnología simula un entorno computacional, a través de maquinas virtuales, que generalmente tienen un sistema operativo completo instalado. Puede existir mas de una maquina virtual simulada sobre un servidor físico lo cual optimiza el uso de los recursos disponibles en el servidor. Dado a la existencia de plataformas de virtualizacion tanto open source como licenciadas es importante analizar cada una de ellas, para este análisis se utilizara cada una de estas, la herramienta open source es Xen y la licenciada es VMWare VSphere. 5

6 1. CAPÍTULO Marco Teórico: El término virtualización, se viene usando desde 1960, esta tecnología fue desarrollada por IBM y su primera computadora diseñada fue un mainframe IBM S/ La virtualización tuvo mucha fama durante los años 60s y los 70s, sin embargo a finales de los 80s prácticamente desaparecieron pero a finales de los años 90, esta tecnología resurgió en muchas áreas de la computación. En informática ha sido utilizado en muchos aspectos como en computadores completos, medios de almacenamiento e incluso componentes individuales de un computador. Uno de los rasgos más importantes de la virtualización es la encapsulación, la cual permite ocultar o maquillar los detalles técnicos de la virtualización para su mayor facilidad de uso. La idea de la virtualización es crear una interfaz externa que por detrás cuenta con una implementación de varios recursos y medios físicos diferentes que serán compartidos por parte de todas las máquinas virtuales para su funcionamiento. De cierta forma se parece a los términos abstracción y encapsulación de la programación orientada a objetos. Este concepto que realmente es interesante, el cual se lleva desarrollando por muchos años, pero que parece que finalmente está encontrando sus 1 El IBM S/360 (S/360) es un sistema de computación de la familia mainframe que IBM anunció el 7 de abril de Fue la primera familia de ordenadores diseñados para cubrir las aplicaciones independientemente de su tamaño o ambiente (científico, comercial). 6

7 caminos productivos y de desarrollo para profesionales Tipos de Virtualización: Dado a la cantidad de usos que se le puede dar a la virtualización, existen muchas interpretaciones y clasificaciones de la misma, sin embargo dado al mayor uso actual de la misma, la forma más popular de virtualización es la virtualización de servidores. Además existen diferentes ámbitos de la virtualización que abarcan muchas áreas de la informática como la virtualización de clientes o desktops, la virtualización de dispositivos de almacenamiento, como discos duros, etc. Esto no quiere decir que ésta sea la única clasificación de la virtualización ya existen sub-tipos o especializaciones dentro de cada tipo de virtualización. Por ejemplo se puede clasificar la virtualización según su tecnología o el ámbito mismo de la tecnología que esta virtualizando. Habiendo dicho esto a continuación se detallan los diferentes tipos de virtualización Virtualización de clientes: Antes de hablar de virtualización de clientes, tenemos que definir y aclarar que es un equipo cliente exactamente. En informática, cuando hablamos de equipos clientes, nos referimos a cualquier dispositivo ya sea un computador de escritorio, portátil, terminales tontas 2, e incluso dispositivos móviles que se conectan a uno o más servidores para realizar el trabajo que necesitan. Un claro ejemplo donde podemos encontrar el 2 Una terminal tonta es un tipo de terminal que consiste en un teclado y una pantalla de salida, que puede ser usada para dar entrada y transmitir datos, o desplegar datos desde una computadora remota a la cual se está conectado. 7

8 termino cliente es en la famosa arquitectura cliente-servidor. Una vez que hemos discutido y entendido el termino cliente, podemos decir que la virtualización de clientes es la emula el equipo que se conecta a los servidores para realizar su trabajo. Muchas veces las empresas tienden a virtualizar sus equipos cliente, la razón es muy sencilla. Si una empresa tiene 300 equipos clientes, todas las actualizaciones tanto de sistema operativo como de aplicaciones se deben realizar de uno en uno en estos clientes, mientras que si virtualizan todos estos clientes que tienen, solo tendrán que ir al servidor donde se están almacenando los clientes virtuales y realizar los cambios en el servidor, los cuales se verán reflejados al momentos que los clientes comiencen a funcionar Virtualización de aplicaciones o programas La virtualización de aplicaciones nace como una alternativa para separar las aplicaciones del sistema operativo. Al virtualizar una aplicación, esta se convierte en un servicio virtual, el cual se administra desde un servidor centralizado y esto permite que las aplicaciones se ejecuten en un entorno propio de la aplicación dentro de la máquina cliente. Esto es una gran ventaja ya que cualquier conflicto que pueda existir entre la aplicación y el sistema operativo se elimina casi en un 100%. Dado a que la aplicación se encuentra en un servidor centralizado, este se encarga de proveer a la aplicación de todos los recursos necesarios, así como registros y estructura de datos. De esta forma, esta tecnología permite aislar los programas entre si dándoles mayor seguridad y permitiendo realizar cualquier actualización a los programas únicamente en el servidor y los usuarios en las máquinas 8

9 cliente verán reflejados los cambios automáticamente Emulación de Hardware Este tipo de virtualización se da cuando el software que va a estar encargado de realizar la virtualización, pone una capa entre el sistema operativo anfitrión, y el sistema operativo que va a ejecutar. Esta capa se encarga de emular los recursos que necesitara el sistema operativo que va a ser virtualizado para que este piense que es un solo computador físico. Grafico #1.- Emulación de Hardware. 1 Imagen tomada de: Para lograr este tipo de virtualización se necesita un sistema operativo Host, el cual va a llevar instalado el software de virtualización que permitirá la creación de máquinas virtuales. 9

10 Una vez que el software de virtualización es instalado y configurado, queda listo para instalar otro sistema operativo invitado, el cual se instala normalmente como si lo estuviéramos haciendo en un computador físico. Existe mucha variedad de estos programas de virtualización en el mercado, estos son muy fáciles de instalar e incluso vienen de forma gratuita como Virtual PC de Windows, VMware Server 4, el QEMU 5 o el VirtualBox 6. Algunos no gratis pero sin lugar a duda muy buenos son el VMware Workstation, Microsoft también tiene un Virtual Server. Para Mac existe el Parallels 7 de SWsoft o el VMware Fusion Paravirtualización La paravirtualización es una forma de virtualizar donde no existe emulación de hardware como lo vimos anteriormente, a diferencia de la emulación, en este tipo de virtualización existe un Hypervisor 8, del cual hablaremos en el punto siguiente. El Hypervisor, contrariamente a lo que la emulación hace, se encarga de gestionar los recursos físicos existentes entre todas las máquinas virtuales o Juezas que están siendo virtualizados dentro del servidor físico. Se podría decir que esta forma de virtualización no es enteramente virtual ya que las máquinas virtuales 3 Windows Virtual PC es un programa desarrollado por Connectix y comprado por Microsoft para crear ordenadores virtuales. 4 VMware Server es la versión gratuita de virtualización por software del fabricante VMware. 5 QEMU es un emulador de procesadores basado en la traducción dinámica de binarios (conversión del código binario de la arquitectura fuente en código entendible por la arquitectura huésped). QEMU también tiene capacidades de virtualización dentro de un sistema operativo. 6 VirtualBox es un software de virtualización para arquitecturas x86 que fue desarrollado originalmente por la empresa alemana Innotek GmbH, pero que pasó a ser propiedad de la empresa Sun Microsystems. 7 Es la versión para Mac del famoso virtualizador de VMWare. 8 Hypervisor es una plataforma de virtualización que permite utilizar, al mismo tiempo, diferentes sistemas operativos (sin modificar o modificados en el caso de paravirtualización) en una misma computadora. 10

11 que están siendo administradas por el Hypervisor, tienen contacto directo con los recursos de hardware como lo haría un computador real. Al estar compartiendo los recursos de un servidor físico en varios virtuales, se podría decir que esta forma de virtualización es una forma de compartir los recursos ya que las máquinas virtuales se encargan de solicitar la cantidad de procesador, memoria, tarjeta de red, etc., que requieren para su funcionamiento y por el tiempo que estas la requieran, intercalando el uso de recursos entre las diferentes máquinas virtuales. Entre las varias ventajas que este sistema de virtualización tiene sobre los demás, esta la poca carga que el procesador tiene que soportar ya que al no existir un sistema operativo de base donde deberá estar instalada la solución de virtualización, el requerimiento de procesador será únicamente de parte de la máquina virtual. Otra de las ventajas que se da en este tipo de virtualización es la compatibilidad con los recursos físicos del servidor ya que las máquinas virtuales interactúan directamente con estos recursos y no requieren que el Hypervisor sea compatible con estos. Para lograr lo antes nombrado se requiere hacer modificaciones al sistema operativo base que se instala sobre el hardware y la única forma de lograrlo es modificando el código fuente de dicho sistema operativo por lo que únicamente sistemas operativos de uso libre como lo son Linux 9 o BSD 10 pueden ser utilizados para la paravirtualización, lo cual deja a los sistemas operativos de Microsoft fuera de este grupo. A continuación se muestra una imagen de como funciona la paravirtualización: 9 Linux (Linux) es uno de los términos empleados para referirse al sistema operativo libre similar a Unix que usualmente utiliza herramientas de sistema GNU. 10 BSD es un tipo de licenciamiento de sistemas operativos de código abierto o software libre. 11

12 Grafico #2.- Paravirtualización 2 Imagen tomada de: Virtualización de Servidores Qué es la virtualización de servidores? La virtualización de servidores es un método mediante el cual se puede ejecutar más de un sistema operativo virtual en un servidor físico. Al mismo tiempo es una forma de maximizar la inversión en recursos de hardware. Carved Mead, profesor de la Universidad de Caltech en Estados Unidos, definió la La Ley de Moore, que describe una predicción a largo plazo del crecimiento de los requerimientos de hardware, diciendo que estos aumentaran cada dos años. Esta ley no pudo ser más acertada ya que el crecimiento del poder computacional y requerimientos de hardware sin embargo las tareas que un servidor deberá cumplir no ha cambiado por lo que ahora es posible 12

13 transformar un servidor físico de alta capacidad en 8 o 16 servidores virtuales que ejecuten la misma cantidad de sistemas operativos permitiendo así, gracias a la virtualización, obtener una gran densidad de servidores. Y debido a que un servidor actual es más poderoso que uno de hace 4 años, se puede explotar este nuevo hardware al incrementar el numero de sistemas operativos lógicos de sus anfitriones. Esto reduce la mayor parte de adquisición y mantenimiento de hardware lo cual implica una gran ahorro para las compañías Cuando usar la virtualización? La virtualización es la solución perfecta para aplicaciones que fueron desarrolladas para ser usadas en pequeñas y medianas empresas, no debe ser usada para aplicaciones de alto desempeño donde uno o más servidores necesitan estar dentro de una granja para poder cumplir con los requerimientos de hardware de una sola aplicación ya que su complejidad únicamente reduciría el desempeño. La mayor parte de servidores modernos usados para tareas dentro de la empresa, utilizan de 10 a 15% de su procesador 11, al correr ocho sistemas operativos sobre el mismo hardware aumentaría a un 50% el uso del CPU lo cual permite optimizar el uso del procesador, sin embargo hay que tener mucho cuidado cuando se hace esto ya que los picos de CPU de cada sistema operativo pueden variar y esto se debe tomar en cuenta para que el CPU del servidor físico no se vea sobrecargado y se presente una baja en el rendimiento del resto de servidores Migración de servidores físicos a virtuales. En el mercado, la mayoría de soluciones más usadas ofrecen la tecnología 11 Dato tomado del reporte de IDC

14 P2V(Physical to Virtual) 12, que es una herramienta de migración para servidores físicos. Lo que hace es tomar un servidor físico existente y hacer una imagen virtual del disco duro con las modificaciones que sean necesarias en los controladores para que este sistema operativo pueda arrancar en un ambiente virtual. El beneficio de esta tecnología es que no se requiere volver a armar el servidor que teníamos y reconfigurarlos virtualmente para que funcionen como el físico, simplemente se levanta el servidor como si fuera el físico con todas sus configuraciones intactas. Si es que se cuenta con un centro de datos con servidores muy antiguos que trabajan con procesadores a menos de 1GHz, son los candidatos perfectos para hacer la migración P2V, no hay si quiera que preocuparse por temas de licenciamiento ya que debido que el servidor físico estuvo trabajando con la licencia, esta ya ha sido pagada para el servidor virtual siempre y cuando el físico deje de funcionar cuando el virtual entre a producción. Se está hablando de que literalmente se podría tomar 128 servidores con procesadores menores a 1 GHz y virtualizarlos en 8 servidores con dualsocket y procesadores quad-core con tarjetas de red Gigabit y dos arreglos independientes iscsi 13. El costo anual de mantenimiento de hardware de los 128 servidores seria suficiente para por el nuevo hardware cuyo mantenimiento será mucho menor que el anterior sin hablar del espacio físico que se ganaría ya que la solución virtualizada se podría montar en un rack 14. Además como un agregado, la virtualización entrega una solución de 12 Es una herramienta de la virtualización que permite convertir sistemas operativos físicos en maquinas virtuales. 13 iscsi es un protocolo de transporte de datos a través de TCP/IP. 14 Termino comúnmente usado para referirse a un estante donde se empotran servidores. 14

15 recuperación de desastres ya que las imágenes virtuales de los servidores pueden ser almacenadas en locaciones externas y recuperadas instantáneamente en los servidores físicos recuperando toda la información Administración de parches y actualizaciones: La administración de parches en servidores virtuales no es diferente a la de servidores físico ya que cada servidor virtual posee su propio disco duro virtual. Dado esto, de la misma forma que se parchan y actualizan los servidores físicos, se deberán parchar y actualizar los servidores virtuales, sin embargo en el futuro se desarrollaran sistemas interesantes donde se podrán parchar y actualizar servidores con el mismo sistema operativo aplicaciones similares, idealmente uno podría asignar niveles de actualizaciones a un servidor o grupo de servidores similares. Por ahora se deben parchar los servidores virtuales como si fueran físico, sin embargo las innovaciones que existan para los servidores virtuales, no podrán ser aplicadas en servidores físicos Consideraciones de licenciamiento y soporte: Una de las grandes preocupaciones en cuanto a la virtualización de servidores, es el licenciamiento de software, ninguna empresa quiere pagar múltiples licencias de una aplicación en servidores virtuales por tener varias sesiones ejecutándose al mismo tiempo, en ese caso es mejor tener estas licencias en un solo servidor físico de alto rendimiento para que soporte la carga. En cuanto a sistema operativo, en cuanto a las distribuciones de Microsoft, Windows 2003 Server, si se tiene la versión Standard entonces se deberá pagar una licencia de sistema operativo por cada servidor virtual 15, pero una alternativa para esto seria utilizar la

16 versión Enterprise, la cual permite utilizar 4 copias virtuales en un solo servidor utilizando únicamente una licencia. En el caso de ejecutar software de código abierto, no hay necesidad de preocuparse sobre el tema de licenciamiento ya que esto siempre es gratuito, sin embargo se debe tomar en cuenta los contratos de soporte y tener en cuenta el costo de estos ya que si el costo de soporte por servidor virtual es muy alto, entonces mejor seria tratar de tener un solo servidor físico. Lo importante es tratar de obtener un balance entre costo de hardware y soporte/licenciamiento. Cuando se calculen los costos de hardware, se debe tomar en cuenta el mantenimiento, uso de energía eléctrica, enfriamiento y espacio físico requerido ya que todos estos factores no solo influyen en el costo del hardware sino en el de su mantenimiento. Existen muchas consideraciones que cuando se habla de tecnología de virtualización. En el mercado muchas soluciones gratuitas para implementar una estrategia de virtualización que se pueden usar como primer paso cuando se planea migrar a una infraestructura de virtualización Hypervisor El Hypervisor es el motor de la tecnología de virtualización de servidores, esta parte fundamental, es una tecnología que se compone por una capa de software que tiene la capacidad de ejecutar múltiples sistemas operativos o máquinas virtuales en un mismo servidor central. En otras palabras, se podría decir que el Hypervisor es la parte principal de la una máquina virtual que se encarga de gestionar todos los recursos del servidor central entregándolos a las máquinas virtuales que se encuentren en funcionamiento. 16

17 También conocido como Virtual Machine Monitor (VMM), el Hypervisor crea una capa de abstracción entre las dos partes, la máquina física en si y el sistema operativo virtualizado, de tal manera que se encarga de administrar los recursos de todas las máquinas que se encuentran siendo ejecutadas en el servidor central permitiendo al usuario, la creación de varias máquinas virtuales con hardware especifico y compatible para cada sistema operativo elegido. Esta capa de software (VMM) administra los cuatro recursos principales del el servidor principal (CPU, Memoria, Red, Almacenamiento) y así podrá repartir dinámicamente dichos recursos entre todas las máquinas virtuales creadas dentro del servidor central. En la actualidad todos los fabricantes tanto de Software como de Hardware están trabajando para mejorar el Hypervisor y de esta manera contar con una herramienta más robusta y fiable. Existen varios tipos de Hypervisor en el mercado: Tipo I (HOSTED): Este tipo de Hypervisor necesita un Sistema Operativo completo para poder ejecutarse. Tipo II (NON-HOSTED): Este tipo de Hypervisor opera como una capa intermedia entre el hardware y las máquinas virtuales. Todas las traducciones binarias de CPU, Memoria, Red, y Almacenamiento las hace la capa VMM Tipo III (Paravirtualización): Este tipo de Hypervisor opera como una capa intermedia entre el hardware y las máquinas virtuales. Todas las traducciones binarias de Red y almacenamiento las hace la capa VMM y las traducciones binarias de CPU y memoria la hace mediante el 17

18 hardware. 18

19 2. CAPÍTULO Análisis técnico de la solución Dentro de las recomendaciones antes de pensar en implementar una estrategia de virtualización dentro de un centro de datos, se deben tener en cuenta muchos factores, de los cuales 3 de estos, como los requerimientos de hardware, tecnologías de procesamiento para virtualización y el dimensionamiento de hardware se describirán a continuación Requerimientos de hardware para la virtualización de servidores Al hablar de requerimientos de hardware, uno podría pensar que existe una receta en la cual nos podamos guiar para saber que tipo de hardware comprar, sin embargo esto no existe, la virtualización de servidores depende únicamente de qué tipo de virtualización vayamos a realizar y de que sistemas operativos vayamos a manejar virtualmente. Sin embargo, se puede hablar de tecnologías de hardware requeridas para virtualizar como lo son actualmente los microprocesadores de nueva generación de Intel 16 y AMD 17 que incorporan tecnologías como el tener dos más núcleos y con instrucciones propias y especificas para la virtualización. Estas instrucciones son las que le permite al software de encargado de la virtualización generar el hardware virtual necesario que utilizarán las máquinas virtuales. 16 Intel es el principal fabricante de procesadores en el mercado AMD es el fabricante de procesadores que compite directamente con Intel en el mercado mundial. 19

20 Además del procesador, se debe tomar en cuenta la cantidad requerida de memoria, almacenamiento y velocidad de transferencia de las tarjetas de red que deberán ser, sin duda alguna, enfocadas para tecnología de servidor, es decir la tarjeta madre deberá soportar hasta 32GB de memoria, tener conexiones ISCSI de alta velocidad y tener capacidad de expansión, tanto para nuevas tarjetas como para memoria y procesadores. En cuanto a almacenamiento, la tecnología de virtualización, al ser requerida como una tecnología de alta disponibilidad, se deberán usar arreglos de discos NAS o SAN que permitan generar grandes capacidades de almacenamiento y velocidad. así mismo, las tarjetas de red deberán ser del tipo Gigabyte, ya que permiten grandes velocidades de transferencia lo cual es bueno ya que si más de una máquina virtual utiliza la red, esta no se verá congestionada. Es importante contra con más de una tarjeta de red ya que en caso de falla de una de estas la otra podrá continuar funcionando. Al decir que la virtualización de servidores deberá ser una tecnología de alta disponibilidad, se habla de que en caso de que cualquier componente de hardware que se vaya a usar, llegue a fallar, entonces deberá haber alguna alternativa que permita levantar los servicios de las máquinas virtuales inmediatamente para que estos sigan funcionando. Dicho esto, se recomienda tener arreglos de servidores físicos conectados a los dispositivos de almacenamiento NAS 18 o SAN 19 y de estos realizar 18 NAS (del inglés Network Attached Storage) es el nombre dado a una tecnología de almacenamiento dedicada a compartir la capacidad de almacenamiento de un computador (Servidor) con ordenadores personales o servidores clientes a través de una red 19 Una red de área de almacenamiento, en inglés SAN (Storage Area Network), es una red concebida para conectar servidores, matrices (arrays) de discos y librerías de soporte. 20

21 respaldos continuos, ya que solo así se podrá garantizar el funcionamiento estable y continuo de los servidores virtuales Procesadores con tecnología de virtualización Como se analizó anteriormente, para lograr una virtualización sobre hardware, sin tener que modificar el código fuente de los sistemas operativos, es necesario contar con los recursos de hardware que soporten estas necesidades, es por eso que es importante resaltar esta tecnología que actualmente tienen los dos fabricantes más importantes de procesadores en el mercado. Por un lado Intel con su tecnología Intel VT 20, AMD con su tecnología AMD-V Intel VT Desde su lanzamiento de los procesadores P4, versiones 672 y 662, Intel incorporo en sus procesadores la tecnología de virtualización Intel VT, antes conocida como Vanderpool. Esta tecnología permite a los procesadores actuar como si fueran varios trabajando en paralelo lo que permite ejecutar múltiples sistemas operativos en el mismo equipo y ejecutarlos al mismo tiempo. Se podría llegar a confundir la tecnología VT de Intel con su tecnología previa llamada Hyper-Threading 22, que no era más que instrucciones en el procesador que permitían al procesador realizar múltiples tareas al mismo tiempo, lo que no es lo mismo que la virtualización, que permite tener varios sistemas operativos ejecutándose paralelamente y cada 20 Tecnología de virtualización desarrollada por el fabricante de procesadores Intel Tecnología de virtualización desarrollada por el fabricante de procesadores Amd HyperThreading es una marca registrada de la empresa Intel para nombrar su implementación de la tecnología Multithreading Simultáneo también conocido como SMT. Permite a los programas preparados para ejecutar múltiples hilos (multi- threaded) procesarlos en paralelo dentro de un único procesador, incrementando el uso de las unidades de ejecución del procesador. 21

22 ejecutando múltiples aplicaciones. Cada sistema operativo, se ejecuta con un Procesador Virtual, mientras que Hyper-Threading simula dos procesadores donde realmente solo hay un procesador usando multiprocesamiento simétrico y estos dos procesadores no se pueden utilizar por separado. Sin embargo, si un procesador tiene Hyper-Threading y virtualización entonces en el sistema operativo instalado se verán 2 procesadores con multiprocesamiento simétrico. La virtualización de cierta forma usa la misma idea que Virtual 8086(V86), que era un modo de procesamiento existente desde los procesadores 386, que permitía crear varias máquinas virtuales 8086 que ejecutaban programas DOS en paralelo. Con Intel VT se puede crear múltiples máquinas virtuales con un sistema operativo individual completo. La ventaja de la tecnología VT es que posee más instrucciones en el procesador que controlan la virtualización, lo que permite que el VMM sea más simple y mejore el rendimiento a comparación de las soluciones do software como Vmware Cómo funciona Intel VT? Los procesadores con tecnología VT tienen una instrucción extra en el procesador, llamada Virtual Machine Extension o VMX, la cual adhiere 10 nuevas instrucciones especificas para la virtualización en el procesador, las cuales son: - VMPTRLD 23 - VMPRTRST arcos.inf.uc3m.es/~jdaniel/seminarios/ssooa06/maquinas- virtuales.ppt 24 arcos.inf.uc3m.es/~jdaniel/seminarios/ssooa06/maquinas- virtuales.ppt 22

23 - VMCLEAR 25 - VMREAD 26 - VMWRITE 27 - VMCALL 28 - VMLAUNCH 29 - VMRESUME 30 - VMXOFF 31 - VMXON 32 Existen dos modos de ejecución en virtualización, root operation y non-root operation. Usualmente solo el software del VMM 33 se ejecuta en root-operation, mientras que los sistemas operativos que funcionan sobre las máquinas virtuales se ejecutan en non-root operation, el software que se ejecuta sobre la máquina virtual es conocido como guest software. Para entrar en modo de virtualización el software debe ejecutar la instrucción VMLAUNCH y para salir de este modo deberá usar la instrucción VMRESUME. La instrucción VMXOFF permite al software salir del modo de virtualización y apagarse. Una vez vista la tecnología de virtualización de unos de los más grandes fabricantes de procesadores, ahora pasemos a ver la de AMD, que también ocupan un gran espacio en el mercado. 25 arcos.inf.uc3m.es/~jdaniel/seminarios/ssooa06/maquinas- virtuales.ppt 26 arcos.inf.uc3m.es/~jdaniel/seminarios/ssooa06/maquinas- virtuales.ppt 27 arcos.inf.uc3m.es/~jdaniel/seminarios/ssooa06/maquinas- virtuales.ppt 28 arcos.inf.uc3m.es/~jdaniel/seminarios/ssooa06/maquinas- virtuales.ppt 29 arcos.inf.uc3m.es/~jdaniel/seminarios/ssooa06/maquinas- virtuales.ppt 30 arcos.inf.uc3m.es/~jdaniel/seminarios/ssooa06/maquinas- virtuales.ppt 31 arcos.inf.uc3m.es/~jdaniel/seminarios/ssooa06/maquinas- virtuales.ppt 32 arcos.inf.uc3m.es/~jdaniel/seminarios/ssooa06/maquinas- virtuales.ppt 33 VMM, Virtual Machine Monitor, es un demonio que se encarga de monitorear las maquinas virtuales. 23

24 AMD-V: Con el lanzamiento de sus procesadores Opteron, AMD, se introdujo en el mundo de la virtualización ya que desarrollaron estos nuevos procesadores y características para acabar con el problema de un servidor, una aplicación, que se ve normalmente en muchas empresas. La mayor parte de empresas, ha visto que la utilización de la capacidad de los procesadores de sus servidores críticos es solo del 15 por ciento a pesar de que consumen la misma cantidad de energía que si estuvieran funcionando a toda su capacidad. Por esta razón, AMD incluye en sus procesadores soporte nativo para virtualización en su tecnología AMD Virtualization, la cual es asistida por hardware lo que permite que se aproveche de mejor manera el uso de los procesadores y con mayor eficiencia. Entre otras cosas, esta tecnología posee un controlador de memoria integrado, el cual contribuye a la mejora de la virtualización ya que provee un eficaz aislamiento de la memoria de máquinas virtuales, lo cual permite obtener mayor seguridad y una mayor cantidad de creación de usuarios o máquinas virtuales. Dentro de las bondades que ofrece AMD-V tenemos: - Consolidar cargas de trabajo: Dentro de un solo servidor físico, se pueden crear dos o más servidores virtuales con su respectiva sistema operativo y software instalado. De esta manera cada servicio que proveía un servidor físico ahora estará virtualizado pero funcionado de la misma manera que lo hacia antes. Esto permite aprovechar de mejor manera los recursos del equipo físico y el consumo de energía será el mismo que el de un solo servidor físico. 24

25 Fácil implementación de aplicaciones: Muchas veces las empresas al desarrollar una aplicación deben incurrir en el gasto de adquirir nuevos servidor para desarrollo, pruebas, etc. Con la tecnología de virtualización se pueden crear el numero necesario de servidores virtuales lo cual a más de reducir costos, puede significar un gran aliado para las pruebas ya que se pueden simular cualquier falla de hardware o software e incluso planear fallas de electricidad. Simplificar el desarrollo de software: Debido a la amplia variedad de sistemas operativos existentes en el mercado, y la nueva tendencia a creación de aplicaciones Web, es fundamental para el desarrollo de software, poder contar con la posibilidad de tener diferentes entornos para poder realizar las pruebas necesarias tanto en hardware como software, por lo que la virtualización es una herramienta que permite realizar múltiples máquinas virtuales con diferente sistema operativo y diferentes características de hardware Características técnicas de AMD-V. Como dijimos al principio, los procesadores Opteron de AMD fueron los precursores en tecnología de virtualización por lo que es importante hablar sobre las características de estos procesadores Tecnología AMD64 Soporte para sistemas operativos y aplicaciones de 64 bits, además de seguir funcionando con 32 bits lo cual permite virtualizar cualquier de estas dos arquitecturas Arquitectura de Conexión Directa Ayuda a eliminar los cuellos de botella inherentes a las arquitecturas tradicionales de bus frontal. 25

26 Conecta directamente a la CPU los procesadores, el controlador de memoria integrado y los dispositivos de E/S y se comunica a la velocidad de la CPU. La tecnología HyperTransport ofrece una interconexión de ancho de banda adaptable entre procesadores, subsistemas de entrada y salida y otros chipsets, con hasta tres enlaces de tecnología HyperTransport coherentes que proporcionan un ancho de banda máximo de 24,0 GB/s. Controlador de memoria integrado: El controlador de memoria DRAM DDR2 integrado en el procesador ofrece un ancho de banda disponible de hasta 10,7 GB/s por procesador Posibilidad de ampliación de núcleo cuádruple Ofrece una ruta de ampliación sin fisuras del doble núcleo al núcleo cuádruple con las mismas capacidades térmicas que permitan aprovechar inversiones existentes. Mantienen la misma plataforma con la misma eficacia desde el punto de vista energético Mejor rendimiento por vatio La memoria DDR2 de gran eficacia energética emplea hasta un 30% menos de energía que la DDR1 y hasta un 58% menos que FBDIMM. Tecnología AMD PowerNow! 34 con gestión de energía optimizada puede proporcionar un rendimiento según se necesite al tiempo que reduce al mínimo el consumo de energía. 34 La tecnología AMD PowerNow! es una innovadora solución integrada en todos los ordenadores portátiles basados en el procesador AMD Mobile, que permite incrementar de forma efectiva la vida útil de la batería del portátil, proporcionando al mismo tiempo el rendimiento necesario en el momento preciso. 26

27 Plan de actuación energético que se rige a los estándares y con opciones de bajo consumo Dimensionamiento de hardware en una estrategia de virtualización Uno de los principales problemas encontrados cuando se habla de virtualización, es el de dimensionar adecuadamente la infraestructura de hardware necesaria para poder soportar la plataforma de virtualización que una empresa desee emplear. Una opción es realizar un análisis de rendimiento a la infraestructura física actual que posee la empresa, esto es realizado por una persona o empresa especialista en el tema que además posee las herramientas profesionales existentes en el mercado para hacerlo, obteniendo como resultado la infraestructura necesaria para soportar la carga de trabajo que tendrá nuestra plataforma de virtualización. Esta es la mejor alternativa si se desea obtener un enfoque profesional y un resultado que beneficie realmente y ayude a la empresa a realizar el levantamiento de hardware necesario. Sin embargo, este método puede traer algunos inconvenientes: Lleva mucho tiempo realizarlo, sin importar que tan grande sea la infraestructura física que se posea, tomara tiempo realizar, aunque las herramientas disponibles en el mercado pueden ayudar a reducir este tiempo. Es muy costoso. Al tratarse de un enfoque profesional y usando las mejores herramientas disponibles en el mercado, esto sin dudas tendrá un alto costo. 27

28 Por otro lado, en cuanto a dimensionamiento el costo nunca será bajo ya que mientras más profesional sea el análisis más costo tendrá. Además existe un método más rápido y menos complicado que se puede utilizar, el cual permite realizar un calculo más rápido y menos costoso. Antes de empezar a realizar el dimensionamiento es importante tomar en cuenta los siguientes conceptos: El tratar de obtener un idea clara de la situación, en ese momento, de un servidor físico, toma mucho tiempo y es muy complicado de realizar ya que por definición, las granjas de servidores X86 son muy dinámicas, especialmente en grandes implementaciones, por lo que al momento de terminar de evaluar el último servidor de la granja, es muy probable que los anteriores ya hayan cambiado de cuando se comenzó a realizar el análisis. Al migrar a una plataforma de virtualización, no se puede predecir los efectos que esta podría traer a nuestros servidores. Se pueden dar fenómenos como que en un servidor físico, una aplicación funciona con bajo consumo de CPU y cuando es llevada a un servidor virtual, esta comienza a consumir alta cantidad sin razón aparente. Y no existe un método para predecir este cambio ya que depende mucho de la aplicación en particular. Otra cosa que se puede tomar en cuenta es que si contratar un profesional o comprar herramientas para dimensionamiento de hardware resulta muy costoso, talvez el sobre aprovisionar los recursos de hardware pueda ser más económico. La idea es tener un estimado de la cantidad de hardware que se vaya a necesitar y hacer un calculo del costo y comprar con el costo de una consultaría profesional. En este sentido, un poco de hardware extra en nuestra plataforma no causara ningún daño. 28

29 También es importante tomar en cuenta que tanto se desea cargar los procesadores, si bien es cierto que lo ideal es aprovechar al máximo la capacidad de procesamiento, un aspecto que se debe tomar en cuenta son los efectos que podría tener sobre los tiempos de respuesta de las aplicaciones que se están ejecutando en el servidor cuando este alcance un 90% o 95% de carga física. Además que para lograr altos rendimientos de procesamiento es necesario tener un balance entre memoria y CPU, por ejemplo si tenemos un servidor con 4 sockets para procesamiento, y únicamente 4GB en memoria RAM, nunca podríamos alcanzar más del 65% de capacidad de procesamiento. Estos son factores que se tienen que tener muy en cuenta el momento de planificar una migración P2V, es decir de servidores físicos a virtuales. A parte de tomar en cuenta la cantidad de memoria y procesamiento que se requiere para una estrategia de virtualización, es importante también tomar en cuenta la capacidad de almacenamiento. En cuanto a la cantidad de espacio requerido, no hay mucho que decir, es más simple de dimensionar que en el caso de la memoria y el CPU, ya que únicamente tendremos que calcular los requerimientos tanto de sistema operativo como de las aplicaciones que vayamos a ejecutar en los servidores virtuales, y si estamos hablando de un servidor de base de datos, se deberá calcular la cantidad de transacciones que esta base podría tener a largo plazo para dimensionar el almacenamiento que esta va a requerir. Sin embargo la cantidad de espacio no es lo único importante, ya que existe en el mercado una gran variedad de opciones de almacenamiento. Se deberá tomar en cuenta niveles de RAID requeridos, cuantas unidades lógicas se deben utilizar, y el tamaño que deben soportar estas unidades lógicas. En la mayor parte de servidores actuales se puede encontrar con tecnologías de almacenamiento muy modernas, con conectores HBA por 29

30 parte del servidor que permitirán conectarse a una red de almacenamiento (SAN), que permiten altas velocidades de transferencia. Otro factor importante es un estrategia de recuperación de desastres en caso de que se tenga una falla en cualquier componente del servidor. En cuanto a redes se refiere, en la actualidad las tarjetas de red soportan hasta transferencias de 1Gbps, lo cual es más que suficiente para soportar la transferencia de información de cualquier servidor físico, y en caso de virtualizar una gran cantidad de servidores, siempre se puede aumentar la cantidad de tarjetas de red. Básicamente, esta forma de hacer el dimensionamiento sin usar un método profesional, no es nada más que hacer un tipo de ingeniería reversa, donde se deben aplicar dos reglas que existen a nivel mundial que han sido desarrolladas en base a la experiencia: Regla 1: Todo procesador físico actual con tecnología de virtualización puede soportar entre 3 y 5 procesadores virtuales. Regla 2: Por cada procesador físico que se tenga en la infraestructura se deberá tener entre 2 y 4 GB de memoria RAM para obtener un sistema balanceado. Hay que tomar en cuenta que estas reglas no son del todo estrictas, ya que en algunos casos se podría usar más de 5 procesadores virtuales y en otros únicamente 2 dependiendo de la carga que vaya a tener cada máquina virtual. Sin embargo si se basan en estas reglas, es muy simple hacer el cálculo de cantidad de procesamiento y memoria requerido para una estrategia de virtualización. Por ejemplo si deseamos virtualizar una infraestructura física de 30 servidores, de los cuales 20 usaran dos procesadores virtuales y 10 únicamente un procesador virtual, necesitamos 50 procesadores 30

31 virtuales, entonces estaríamos hablando de que se necesitan 17 núcleos, para poder soportar esta carga, y esto se traduce en 5 procesadores de cuatro núcleos y si vemos la regla 2, entonces estaríamos hablando de 68 GB de memoria RAM. Esto en la actualidad se puede solucionar con las nuevas tecnologías de servidores rack e incluso los Blade que soportan toda esta carga. Sin embargo, es importante tomar en cuenta los costos de hardware en la actualidad ya que se debe siempre tomar en cuenta cuando se va a tomar una decisión como esta, en el negocio, ya que puede resultar más barato adquirir una mayor cantidad de servidores de menor capacidad que adquirir servidores muy robustos a un precio mucho más alto, pero una vez más esto se da de acuerdo a la necesidad del negocio. Como medida de precaución, si tomamos este acercamiento menos profesional, se recomienda tener un servidor físico como respaldo en caso de que el dimensionamiento de alguno de los servidores falle. Otra cosa que vale la pena mencionar, es que si se da el caso de que el numero de servidores virtuales tiene que aumentar, esto significa que la cantidad de procesadores y memoria va a aumentar a la par. No seria raro ver que se necesiten cientos de procesadores y muchos terabytes de memoria para un proyecto a gran escala por lo que se debe tomar en cuenta mucho la escalabilidad del centro de datos para ver que estrategia es más conveniente. Como se puede ver, los dos tipos de dimensionamiento son validos, sin embargo como todos sabemos, toda empresa debe dar mayor impulso al negocio que esta desarrollando y en base a esto se deberán tomar las decisiones en cuanto a la infraestructura de tecnología del centro de datos. 31

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33 3. CAPÍTULO Análisis de las herramientas. A continuación, se revisará detenidamente los detalles, características, opciones y requerimientos de dos herramientas de virtualización. Por una parte Xen, que es una herramienta de virtualización de código libre, y por otra vsphere, que es una herramienta licenciada de Vmware. Es de mucha importancia tomar en cuenta cada una de estas herramientas ya que abarcan las dos opciones de licenciamiento que existen actualmente, por el lado de Xen, el licenciamiento XSOL, lo que permite descargar, instalar, modificar y redistribuir esta herramienta libremente, contrario al licenciamiento de vsphere, el cual requiere un pago para el uso de la herramienta y no permite editarlo o distribuirlo. Actualmente en el mercado existe una gran competencia entre estos dos tipos de licenciamiento por lo que me parece importante evaluar herramientas de virtualización de los dos tipos de licenciamiento Xen Hypervisor. El Xen Hypervisor es una capa del software que se ejecuta directamente en el hardware de la computadora reemplazando el sistema operativo permitiendo que el hardware de la computadora ejecute múltiples sistemas operativos huéspedes al mismo tiempo. Con soporte para procesadores x86, x86-64, Itanium 35, Power PC 36 y 35 El Itanium, también conocido por su nombre en código Merced, fue el primer microprocesador de la arquitectura Intel Itanium (antes llamada IA64, creada por Hewlett- Packard y desarrollada conjuntamente por HP e Intel) que Intel lanzó al mercado. 36 PowerPC (usualmente abreviada PPC) es el nombre original de la arquitectura de computadoras de tipo RISC, fue desarrollada por IBM, Motorola y Apple. Los procesadores de esta familia son producidos por IBM y Freescale Semiconductor que era la división de semiconductores y microprocesadores de Motorola, siendo utilizados 33

34 ARM 37 permite que el Hypervisor Xen ejecute una gran variedad de dispositivos de computación, actualmente soporta Linux, NetBSD 38, FreeBSD 39, Solaris, Windows, y otros sistemas operativos comunes como huéspedes en el Hypervisor. La comunidad Xen.org desarrolla y mantiene el Xen Hypervisor como una solución gratis con licencia bajo la GNU 40 General Public License. Una computadora que ejecuta el Xen Hypervisor contiene tres componentes, los cuales son: 1- Xen Hypervisor 2- Dominio 0 Guest (Dom), huésped privilegiado que se ejecuta en el Hypervisor con acceso directo al hardware y las responsabilidades de gestión de resultados. 3- Múltiples dominios Guest (Domu), Huéspedes desprivilegiados que ejecutan el Hypervisor. El Xen Hypervisor se ejecuta directamente en el hardware y se convierte en la interfase para todos las solicitudes de hardware como CPU, I/O, y el disco para todos los sistemas operativos huéspedes. Al separar los huéspedes del hardware el Xen Hypervisor es capaz de ejecutar múltiples sistemas operativos de forma segura e independiente. principalmente en ordenadores o computadores Macintosh de Apple Computer hasta el año Se denomina ARM (Advanced RISC Machines) a una familia de microprocesadores RISC diseñados por la empresa Acorn Computers y desarrollados por Advanced RISC Machines Ltd., una empresa derivada de la anterior. 38 NetBSD es un sistema operativo de la familia Unix 39 FreeBSD es un sistema operativo de la familia Unix 40 Licencia Pública General de GNU o más conocida por su nombre en inglés GNU General Public License o simplemente su acrónimo del inglés GNU GPL, es una licencia creada por la Free Software Foundation en 1989 (la primera versión), y está orientada principalmente a proteger la libre distribución, modificación y uso desoftware. 34