Архитектура платформы IBM Virtualization Engine

Разделение сервера

Использование разделяемых  систем (partitioning):

• Тестирование и миграция
• Нет выделенных, редко используемых тестовых систем
• Тестирование идет на реальной аппаратуре, совместно с работой основной системы
• Можно внедрять новые ОС и приложения в существующую инфраструктуру
• Динамически изменяющиеся требования к ресурсам
• Возможность изменять объем ресурсов в разделах при динамически изменяющихся потребностях
• Возможность перераспределения ресурсов
• Возможность быстрого размещения новых разделов и приложений
• Снижение стоимости владения
• Совместное использование ресурсов
• Перераспределение ресурсов по требованию
• Консолидация в одном физическом блоке
• Меньшее количество физической аппаратуры

Разделы

Разделы и WLM

Когда использование разделов лучше, чем управление загрузкой в пределах одной ОС?

• Различные требования приложений
• Различные версии операционной системы
• Различные настройки в пределах ОС
• Различные требования к системе безопасности
• Разные администраторы
• Требуется разделение данных
• Распределенные приложения с использованием сетевых экранов
• Различные процедуры восстановления
• Использование HACMP
• Различные процедуры восстановления после катастроф
• Необходимость изоляции при сбоях
• Сбои приложения или ОС не должны влиять на остальных

WLM, WorkLoad Manager – компонент  ОС AIX, позволяет определить классы  приложений (по таким критериям,  как название процесса, PID, PPID, владелец  и т.д.), и ограничить классы  по использованию ресурсов системы  (процессорное время, оперативная  память). Это повышает стабильность систем с ограниченным количеством ресурсов, конкурентно обрабатывающих несколько приложений. Классы приложений и лимиты можно создавать и модифицировать динамически.

• Различные окружения
• основное и тестовое
• Изменяющиеся требования
• Разные временные зоны
• Разные ОС
• Разные настройки ОС
• Единая точка управления
• Гибкость использования аппаратуры
• Процессоры, оперативная память, адаптеры
• Разделяемые ресурсы

WorkLoad Manager может работать  как на отдельном сервере, так  и в логическом разделе.

Физические и логические разделы

Физические разделы (Physical partitioning, PPAR)

• Разделение контролируется интерфейсами между физическими блоками
• Аппаратные домены, каждый со своей ОС
• Жесткая аппаратная и программная изоляция
• Нет единых точек отказа
• Гранулярность на уровне физических блоков
• Ресурсы размещаются в пределах всей физической группы
• Нет ресурсов, используемых разделами совместно

При использовании физических разделов деление контролируется интерфейсами между физическими блоками. Использование отдельных блоков обеспечивает жесткую аппаратную и программную изоляцию - нет единых точек отказа.⁷

Однако, значительно снижается  гибкость решения – в каждый раздел выделяется физический блок (или несколько  блоков) целиком – со всеми установленными на нем процессорами, оперативной памятью и слотами ввода-вывода.

Логические разделы (Logical Partitioning, LPAR)

• Разделение контролируется в основном механизмами преобразования адресов
• Жесткая программная изоляция, средняя аппаратная изоляция
• Зависит от аппаратного дизайна и функций RAS
• Гранулярность размещения на логическом уровне
• Ресурсы выделяются практически в любом количестве единиц
• Некоторые ресурсы могут использоваться совместно

В случае использования  логических разделов деление контролируется в основном механизмами преобразования адресов. Аппаратная изоляция меньше, чем в случае использования физических разделов.

Однако, гранулярность  размещения на логическом уровне позволяет  выделять ресурсы более гибко. Ресурсы  выделяются практически в любом  количестве единиц, а некоторые ресурсы могут использоваться разделами совместно.

Hardware Management Console (HMC) представляет собой единую консоль для всех POWER5-систем.

Рис. 2.1. Интерфейс HMC

• Прединсталлированная рабочая станция на базе Linux
• Поддержка виртуальных консолей
• Локальное или удаленное управление через Web-based System Manager
• Интерфейс командной строки
• LPAR и CoD настраиваются через HMC
• Нет контролирующего раздела

HMC – рабочая станция  IBM (на базе процессора Intel), под  управлением ОС Linux. ОС и приложение HMC прединсталлируются. Доступ к  администратору ОС (root) закрыт. Это  обеспечивает целостность решения  – пользователю доступен графический  интерфейс и интерфейс командной строки; есть возможность подключения к HMC по сети (WebSM и SSH). В случае необходимости HMC можно переустановить с прилагающегося в комплекте DVD.⁸

Планирование разделов

Необходимо определить количество ресурсов, требуемых приложению

• Количество CPU – минимальное, желательное, максимальное
• Количество оп. памяти – минимальное, желательное, максимальное
• PCI слоты - требуемые и желательные

Возможность альтернативной конфигурации раздела (например, пиковая  нагрузка в конце месяца)

• Дополнительные профайлы с альтернативной стартовой конфигурацией
• Возможность динамического добавления/удаления ресурсов

Отслеживание конфигураций, работающих одновременно (отсутствие конфликтующих требований)

В IBM Virtualization Engine значительно улучшена утилизация физических ресурсов – виртуализация процессоров, оперативной памяти, ресурсов ввода-вывода:

• Распределение процессоров, памяти и ввода-вывода для создания виртуальных серверов
• Минимум 128 МБ памяти, один процессор, один PCI-X слот
• Все ресурсы могут быть распределены независимо
• Ресурсы могут быть перемещены между разделами "на лету"
• Приложения уведомляются об изменении конфигурации
• Перемещение может быть автоматизировано, используя Partition Load Manager
• Работает с AIX 5.2 + или Linux 2.4+

Рассмотрим технологию использования микроразделов, в основе которой лежит технология мэйнфреймов. Ее суть состоит в том, что виртуальные ресурсы совместно используются разделами.

Преимущества этой технологии следующие:

• Точное распределение ресурсов
• Большое количество разделов
• Полное использование ресурсов

IBM Virtualization Engine использует новую модель определения разделов:

• Гипервизор (POWER Hypervisor)
• Виртуальные процессоры
• Выделение дробного количества процессоров
• Виртуальный ввод-вывод

Микроразделы - технология, пришедшая из мэйнфреймов которая основана на двух главных усовершенствованиях в области виртуализации сервера. Физические процессоры и устройства ввода-вывода были виртуализированы, давая возможность разделять эти ресурсы между несколькими виртуальными серверами. Есть несколько преимуществ, связанных с этой технологией, включая более тонкое распределение ресурсов, большее количество разделов, и более полное использование ресурсов.

Виртуализация процессоров требует  новой модели разделения, так как  она существенно отличается от модели разделения, используемой на POWER4 серверах, где целые процессоры выделяются в разделы. Эти процессоры принадлежат одному конкретному разделу. Они могут быть назначены ручными процедурами динамического перераспределения ресурсов. В новой схеме, физические процессоры абстрагируются в виртуальные процессоры, которые выделяются разделам. Эти виртуальные процессоры не могут быть разделены, но основные физические процессоры разделены, так как они используются, чтобы реализовать виртуальные процессоры на уровне платформы. Это совместное использование - первичная особенность этой новой модели разделения, и это происходит автоматически.⁹

Администратор системы определяет количество виртуальных процессоров, которое может использоваться разделом, а также фактическую физическую процессорную емкость, которая должна быть выделена разделу. Администратор системы может выделить разделу часть физического процессора, допуская, таким образом, дробное выделение процессорных ресурсов.

Рис. 2.2. Терминология процессоров

Виртуальные процессоры - это количество одновременных операций, которые операционная система может  выполнять в разделе. Вычислительная мощность распределяется одинаково  между этими виртуальными процессорами. Выбор оптимального количества виртуальных процессоров зависит от рабочей нагрузки в разделе. Некоторые разделы извлекают выгоду из большего параллелизма, тогда как другой раздел требует большей мощности на одном процессоре. Максимальное количество виртуальных процессоров в разделе - 64.¹⁰

Выделенные процессоры – это целые процессоры, которые  связаны с разделом. Разделу выделяется целое число процессоров.

Гипервизор планирует  работу разделов из набора физических процессоров, который называют общим  процессорным пулом (shared processor pool). По определению, эти процессоры не связаны с выделенными разделами. Микроразделы позволяют нескольким разделам совместно использовать один физический процессор. Раздел минимально может использовать 1/10 физического процессора. Каждый процессор может быть разделен на 10 общих разделов. Микроразделы поддерживаются всеми системами на базе POWER5.

Разделы в общем пуле требуют выделенной памяти, слоты  ввода- вывода могут использоваться как выделенные, так и виртуальные. Виртуальная абстракция процессора реализована в аппаратных средствах и гипервизоре (компоненте встроенного программного обеспечения – firmware). C перспективы операционной системы, виртуальный процессор неотличим от физического процессора, если операционная система не имеет специальных расширений, чтобы знать о различии. Ключевая выгода от осуществления разделения аппаратными средствами состоит в том, чтобы позволить любой операционной системе работать на POWER5 технологии с небольшими изменениями или даже без них. Дополнительно, для оптимальной производительности, операционная система может быть расширена, чтобы эксплуатировать микроразделение более глубоко, например, добровольно отдавая неиспользуемые такты центрального процессора гипервизору. AIX 5L V5.3 - первая версия AIX 5L, которая включает такие расширения.

Если ресурсов достаточно – выделяется желательное количество. При нехватке – выдается меньше. Если ресурсов меньше минимума – раздел не стартует.

Рассмотрим компонент Hypervisor (гипервизор), который был упомянут ранее.

Рис. 2.3. Диаграмма, показывающая источник различных элементов в гипервизоре

Синие поля показывают функции, которые пришли непосредственно  от существующего гипервизора pSeries POWER4 или от архитектуры pSeries. Фиолетовые поля (более светлые) показывают поля, пришедшие от от iSeries SLIC (System Licensed Internal Code) - который является частью OS/400.

Некоторые поля - смешанные, и они представляют функции, которые  объединяют элементы pSeries и iSeries.

Рис. 2.4. Функции гипервизора

• Динамические разделы (DLPAR)
• Capacity Upgrade on Demand
• Микроразделы
• Общий пул процессоров
• Virtual I/O
• Virtual LAN

Гипервизор POWER предоставляет  те же самые основные функции как  гипервизор POWER4, плюс некоторые новые  функции, разработанные для разделов, работающих в общем процессорном пуле и виртуального ввода - вывода.

Объединенный с особенностями, имеющимися в процессоре POWER5, гипервизор POWER предоставляет дополнительные функции, включая микроразделы, виртуальные  процессоры, IEEE VLAN совместимый виртуальный  коммутатор, виртуальные SCSI адаптеры и виртуальные консоли.

Гипервизор POWER - компонент  встроенного программного обеспечения (firmware) системы, которое всегда устанавливается, независимо от системной конфигурации. Он работает как скрытый раздел, без выделенной процессорной емкости.

Специально разработанные запросы к гипервизору (hcalls) обеспечивают для операционной системы способ связи с гипервизором, позволяя более эффективно использовать физическую емкость процессора.

Управление набором  процессоров в системе (shared processor pool) имеет следующие характеристики:

• Квант времени в POWER5 - 10 мс
• Квант времени в POWER5 - 10 мс
• Минимальное выделение - 1 мс на физический процессор
• Каждый виртуальный процессор гарантированно получает свое количество процессорных тактов (capacity entitlement) в пределах окна (10 мс)
• ms/VP = CE * 10 / VPs

Общая емкость разделов равномерно распределяется между виртуальными процессорами. Логические разделы, работающие в общем процессорном пуле, требуют надежного механизма гарантирования правильного распределения свободных процессорных тактов. Каждый микрораздел конфигурируется с конкретной процессорной емкостью, базирующейся на количестве processing units - entitled capacity или capacity entitlement (CE). Выделенная емкость, вместе с определенным количеством виртуальных процессоров, определяет физические процессорные ресурсы, которые будут выданы разделу.