Công nghệ ảo hóa và ứng dụng (luận văn ths toán học)

1.2Tổng quan ảo hóa 1.2.1 Khái niệm ảo hóa Ảo hóa là một công nghệ được ra đời nhằm khai thác triệt để khả năng làm việc của các phần cứng trong một hệ thống máy chủ [1,7,8].Nó hoạt độ

Trang 1

Em xin bày tỏ lòng biết ơn đối với lãnh đạo Trường Đại học Kỹ thuật - Hậu Cần CAND đã tạo điều kiện cho em trong suốt thời gian qua

CÔNG NGHỆ ẢO HÓA VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2017

Trang 2

Nguyễn Chí Dũng Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN CHÍ DŨNG

CÔNG NGHỆ ẢO HÓA VÀ ỨNG DỤNG

Chuyên ngành: Cơ sở toán cho tin học

Mã số: 60460110

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯƠI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS LÊ TRỌNG VĨNH

Hà Nội - Năm 2017

Trang 3

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT Viết tắt Thuật ngữ tiếng anh Thuật ngữ tiếng việt

2 CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm

3 RAID Redundant Array of

Inexpensive Disks

Hệ thống đĩadự phòng

4 SAN Storage Area Networks Mạng lưu trữ

5 VMM Virtual Machine Monitor Trình quản lý máy ảo

6 VMFS Virtual Machine File System Hệ thống tệp tin máy ảo

7 VMHA VMware High Availability Tính sẵn sàng cao

8 VSMP Virtual symmetric

multiprocessing

Đa tiến trình ảo hóa đối xứng

9 COS Console Operating System Hệ điều hành điều khiển

10 FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tệp

11 VCB VMware Consolidated Backup Sao lưu máy ảo

12 DRS Distributed resource scheduler Lịch phân phối tài nguyên

phân tán

13 DPM Distributed Power Manager Quản lýhiện năng phân tán

Trang 4

DANH SÁCH CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ

Bảng 1.1:Mô tả cách ghi dữ liệu của RAID 0 22

Bảng 1.3:Mô tả cách ghi dữ liệu của RAID 0+1 25

Hình 1.1: Một server vật lý trong hệ thống ảo hóa 11

Hình 1.2: Các thành phần của một hệ thống ảo hóa 13

Hình 1.3: Kiến trúc Host-Based còn được gọi là kiểu ảo hóa Vmm 15

Hình 1.4: Kiến trúc của kiểu ảo hóa Vmm Hypervisor 16

Hình 1.5: Kiến trúc của kiểu ảo hóa Monolithic Hypervisor 18

Hình 1.6: Kiến trúc Microkernelized Hypervisor 18

Hình 1.7:Kiến trúc ảo hóa Hybrid 19

Hình 1.8: Sơ đồ hoạt động của kỹ thuật Striping 22

Hình 1.9:Sơ đồ hoạt động của kỹ thuật Miroring 23

Hình 1.10: Sơ đồ hoạt động kết hợp kỹ thuật Striping&kỹ thuật Miroring 24

Hình 1.11: Sơ đồ hoạt động của kỹ thuật Parity 25

Hình 1.12:Kiến trúc mạng lưu trữ SAN đơn giản 27

Hình 1.13:Sơ đồ hoạt động của VMware High Availability 30

Hình 2.1:Kiến trúc của VMware ESX Server 31

Hình 2.2:Sơ đồ tương tác trong ESX Server 33

Hình 3.1: mô hình triển khai hệ thống 39

Hình 3.2: Hộp thoại cài đặt ESXi6.0 40

Hình 3.3:Bắt đầu quá trình cài đặt 41

Hình 3.4: Hộp thoại lựu chọn ngôn ngữ bàn phím 41

Hình 3.5:Hộp thoại cảnh báo mất dữ liệu trên ổ cứng 41

Hình 3.6:Quá trình tải các file cần thiết cho việc cài đặt 42

Hình 3.7: Hộp thoại thỏa thuận các yêu cầu từ nhà sản xuất 42

Hình 3.8: Hộp thoại nhập password người quản trị 43

Hình 3.9: Quá trình cài hệ điều hành Esx bắt đầu 43

Hình 3.10: Giao diện đăng nhập chính 44

Hình 3.11: Chương trình Vsphere Client 45

Hình 3.12:Giao diện sau khi kết nối Esx Server thành công 45

Hình 3.13:Tạo máy ảo 46

Hình 3.14: Hộp thoại chọn kiểu cấu hình 46

Hình 3.15: Hộp thoại đặt tên server 47

Hình 3.16: Hộp thoại chọn nơi lưu trữ 47

Hình 3.17:Hộp thoại chọn hệ điều hành cho máy ảo 48

Hình 3.18: Hộp thoại chọn dung lượng ổ cứng 48

Hình 3.19: Hộp thoại cấu hình đã chọn 49

Trang 5

Hình 3.20: Máy ảo đã được cấu hình xong 50

Hình 3.21: Khởi động máy ảo 50

Hình 3.22: Kkết nối với image hệ điều hành 51

Hình 3.23:Tổng quan hệ thống 51

Hình 3.24: Hoạt động của máy ảo 52

Hình 3.25: Quá trình phân phối tài nguyên tới các máy ảo 52

Hình 3.26: Sơ đồ quá trình hoạt động của CPU 53

Hình 3.27: Tình trạng phần cứng 53

Trang 6

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay,với sự tiến bộ vượt bậc của nền khoa học công nghệ,đặc biệt là công nghệ thông tin.Máy tính đã giúp con người rất nhiều từ tối ưu hóa công việc,giảm thời gian làm việc,tăng hiệu suất và mang lại hiệu quả cao Vì vậy, bất cứ một cơ quan,tổ chức nào cũng cần hệ thống máy chủ để chạy các ứng dụng, lưu trữ

dữ liệu, cung cấp các dịch vụ như web, email,… Với mỗi một ứng dụng như vậy, theo truyền thống, chúng ta phải trang bị tương ứng một máy chủ vật lý Tuy nhiên, thực tế chỉ ra rằng các máy chủ sử dụng rất ít tài nguyên vật lý của nó,chỉ từ 10% đến 30% cho một loại dịch vụ và phần tài nguyên còn lại thì không dùng đến, điều này gây sự lãng phí rất lớn

Vì vậy làm sao thế nào để tận dụng các phần tài nguyên còn lại đó một cách hiệu quả?Công nghệ ảo hóa ra đời cho phép giải quyết vấn đề này Có rất nhiều công nghệ ảo hóa như: Ảo hóa máy chủ, ảo hóa hạ tầng mạng, ảo hóa Desktop, ảo hóa các ứng dụng, ảo hóa hệ thống lưu trữ.Tuy nhiên trong luận văn này, em chỉ đi sâu vào nghiên cứu công nghệ ảo hóa máy chủ và các công nghệ liên quan cho việc

ảo hóa máy chủ

Mặt khác, có rất nhiều công nghệ giúp việc ảo hóa máy chủ như Vmware hay Windows, tuy nhiên, do hạn chế về mặt thời gian, luận văn này cũng chỉ tập trung nghiên cứu công nghệ trợ giúp ảo hóa Vmware

Luận văn có bố cục như sau:

Chương 1: Trình bày về công nghệ ảo hóa và các công nghệ giúp ảo hóa Trong chương này, cấu trúc, các thành phần trong mô hình ảo hóa sẽ được trình bày chi tiết cũng như các công nghệ quan trọng cho phép xây dựng môi trường ảo hóa hoạt động an toàn và ổn định

Chương 2: Trình bày việc ảo hóa hệ thống với Vmware ESX Server 6.0 Chương này tập trung trình bày các đặc trưng chính của công nghệ ảo hóa Vmware

Trang 8

MỤC LỤC

LỜ I CẢ M Ơ N 1

DANH MỤ C CÁC CHỮ VIẾ T TẮ T 3

LỜ I NÓI Đ Ầ U 6

Chƣ ơ ng 1: CÔNG NGHỆ Ả O HÓA VÀ CÔNG NGHỆ GIÚP VIỆ C Ả O HÓA 11

1.1 Giớ i thiệ u 11

1.2 Tổ ng quan ả o hóa 12

1.2.1 Khái niệ m ả o hóa 12

1.2.2 Các thành phầ n củ a mộ t hệ thố ng ả o hóa 13

1.3 Các kiế n trúc ả o hóa 15

1.3.1 Kiế n trúc ả o hóa Host-Based 15

1.3.2 Kiế n trúc ả o hóa Hypervisor-Based 17

1.3.3 Kiế n trúc ả o hóa Hybrid 20

1.4 Các lợ i ích củ a ả o hóa 20

1.5 Mộ t số công nghệ liên quan đế n ả o hóa 22

1.5.1 Công nghệ RAID 22

1.5.2 Công nghệ lƣ u trữ mạ ng SAN 29

Trang 9

1.5.3 Công nghệ High Availability 31

Chƣ ơ ng 2: Ả O HÓA VỚ I VMWARE ESX SERVER 6.0 33

2.1 Tổ ng quan về VMware ESX Server 33

2.2 Hai thành phầ n chính củ a VMware ESX Server 34

2.2.1 Hệ điề u hành điề u khiể n (Console Operating System) 35

2.2.2 VMkernel 36

2.3 Mộ t số tính nă ng củ a VMware ESX Server 36

2.3.1 Khả nă ng quả n lý tài nguyên 36

2.3.2 Hiệ u suấ t và khả nă ng mở rộ ng 37

2.3.3 Tính sẵ n sàng cao 38

Chƣ ơ ng 3: Ứ NG DỤ NG CHO THƢ VIỆ N TRƢ Ờ NG Đ HKT HẬ U CẦ N CAND 40

3.1 Mụ c tiêu củ a giả i pháp 40

3.2 Mô hình 41

3.3 Yêu cầ u 41

3.4 Triể n khai hệ thố ng 42

3.4.1 Cài đặ t VMware ESX Server 42

3.4.2 Giao diệ n đă ng nhậ p chính 45

Trang 10

3.4.3 Quả n lý từ xa bằ ng VM vSphere client 45

5.4.5 Quả n lý và theo dõi các máy ả o 52

Kế t luậ n và hƣ ớ ng phát triể n 56

Kế t quả đạ t đƣ ợ c 56

Nhữ ng hạ n chế 56

Hƣ ớ ng phát triể n 56

Tài liệ u tham khả o 58

Trang 11

Mục đích chính của công nghệ ảo hóalà tận dụng tối đa hiệu suất làm việc của các máy chủ bằng cách cho phép cài đặt nhiều máy chủ ứng dụng trên một máy chủ vật lý duy nhất.Việc quản lý cũng trở nên dễ dàng hơn khi quản lý tập trung nhiều máy trên một máy chủ duy nhất Vấn đề khó khăn của công nghệ ảo hóa là sự an toàn dữ liệu Tuy nhiên điều này sẽ được khắc phục bằng một loạt các công nghệ đảm bảo an toàn dữ liệu và hoạt động ổn định của máy chủ như công nghệ High Availability, RAID (Redundant Array of Independent Disks),công nghệ lưu trữ mạng SAN (Storage Area Network) [2,3]

Hiện nay, nhiều hãng phần mềm máy chủ đều ra sức tập trung để nghiên cứu

và phát triển công nghệ ảo hóa Nổi bật là các sản phầm của VMware [4,5,10], của Citrix như Zen Server,Hyber-V của Microsoft, Solarris Zones của Oracle, [9,11]Đây là các nhà cung cấp đang nắm giữ phần lớn thị trường ảo hóa hiện nay

Tại Việt Nam,ứng dụng công nghệ ảo hóa còn khá hạn chế do chưa có nhiều doanh nghiệp thấy được nhu cầu cần thiết và nắm được công nghệ này Vì vậy, nhiệm vụ chính của luận văn là nghiên cứu về công nghệ ảo hóa nhằm ứng dụng

Trang 12

xây dựng mô hình ứng dụng ảo hóa cho các cơ quan, tổ chức chính phủ hoặc các doanh nghiệp

1.2Tổng quan ảo hóa

1.2.1 Khái niệm ảo hóa

Ảo hóa là một công nghệ được ra đời nhằm khai thác triệt để khả năng làm việc của các phần cứng trong một hệ thống máy chủ [1,7,8].Nó hoạt động như một tầng trung gian giữa hệ thống phần cứng máy tính và phần mềm chạy trên nó.Ý tưởng của công nghệ ảo hóa máy chủ là từ một máy vật lý đơn lẻ có thể tạo thành nhiều máy ảo độc lập Ảo hóa phép tạo nhiều máy ảo trên một máy chủ vật lý, mỗi một máy ảo cũng được cấp phát tài nguyên phần cứng như máy thật gồm có Ram, CPU, Card mạng, ổ cứng, các tài nguyên khác và hệ điều hành riêng Khi chạy ứng dụng,người sử dụng không nhận biết được ứng dụng đó chạy trên lớp phần cứng

ảo

Hình 1.1: Một server vật lý trong hệ thống ảo hóa

Các bộ xử lý của hệ thống máy tính lớn được thiết kế hỗ trợ công nghệ ảo hoá và cho phép chuyển các lệnh hoặc tiến trình của các máy ảo cho hệ điều hành chủ vật lý xử lý,sau đó lớp ảo hóa sẽ mô phỏng kết quả để trả về cho máy ảo.Tuy nhiên không phải tất cả bộ xử lý đều hỗ trợ ảo hóa.Các bộ xử lý cũ trên máy để bàn điều không hỗ trợ chức năng này.Ngày nay hai nhà sản xuất bộ xử lý lớn trên thế

Trang 13

giới là Intel và AMD đều tích cố gằn tích hợp công nghệ ảo hóa vào trong các sản phẩm của họ.Các bộ xử lý có ứng dụng ảo hóa thường là Intel Virtual Technology hoặc AMD Pacifica

Công nghệ ảo hóa đem đến cho người dùngnhiều sự tiện ích.Việc có thể chạy nhiều hệ điều hành đồng thời trên cùng một máy tính thuận tiện cho người sử dụng.Điều đó làm cho các nhà cung cấp các sản phẩm máy chủ và phần mềm điều chú tâm đầu tư nghiên cứu và phát triển công nghệ này như: HP,IBM,Microsoft và VMware.Nhiều dạng ảo hóa được đưa ra và có thể chia thành hai dạng chính là ảo hóa cứng và ảo hóa mềm

Ảo hóa cứng: Dạng ảo hóa này cho phép tạo nhiều máy ảo trên môt máy

chủ vật lý Mỗi máy ảo chạy hệ điều hành riêng và được cấp phát các tài nguyên phần cứng như CPU, dung lượng ổ cứng,dung lượng bộ nhớ trong RAM, Các tài nguyên của máy chủ vật lý cấp phát động một cách linh động tùy theo nhu cầu của từng máy ảo Giải pháp này cho phép hợp nhất các hệ thống máy chủ cồng kềnh thành một máy chủ duy nhất và các máy chủ trước đây bây giờ đóng vai trò là máy

ảo ứng dụng chạy trên nó

Ảo hóa mềm: Thực sự là sự bản sao của một hệ điều hành chính làm nhiều

hệ điều hành con và cho phép các máy ảo ứng dụng có thể chạy trên nó Ví dụ, nếuhệđiều hành cảu máy chủ vật lý là Windows thì cách ảo hoá này sẽ cho phép tạo thêm nhiều bản Windows làm việc trên cùng máy.Cách này có ưu điểm là chỉ cần một bản quyền cho một hệ điều hành và có thể sử dụng cho các máy ảo còn lại.Nhược điểm của nó làkhông thể sử dụng nhiều hệ điều hành khác nhau trên cùng một máy chủ

1.2.2 Các thành phần của một hệ thống ảo hóa

Với nhu cầu sử dụng máy chủ ảo ngày càng nhiều của các cơ quan, doanh nghiệp

thì việc ảo hóa máy chủ từ máy chủ vật lý có sẵn là điều mà mọi cơ quan, tổ chức

đều hướng tới để tiết kiệm tài nguyên và tiết kiệm chi phí thay vì thuê máy chủ

Hệ thống ảo hóa giúp doanh nghiệp tạo ra nhiều máy chủ ảo từ máy chủ vật lý

Trang 14

thông thường Một hệ thống ảo hóa gồm có 4 thành phần chính: tài nguyên vật

lý, phần mềm ảo hóa, máy chủ ảo và hệ điều hành khách [5]

Hình 1.2: Các thành phần của một hệ thống ảo hóa

i) Tài nguyên vật lý hay phần cứng (lớp 0): Phần cứng hay tài nguyên vật lý

chính là CPU, ổ đĩa cứng HDD, RAM,… trên máy chủ vật lý có vai trò cung cấp tài nguyên hoạt động cho các máy ảo mới Các tài nguyên của máy chủ vật lý sẽ được chia ra để cung cấp cho các máy ảo

ii) Các phần mềm ảo hóa (lớp 1): Phần mềm ảo hóa là yếu tố không thể thiếu

trong hệ thống ảo hóa Các phần mềm này có vai trò cung cấp truy cập cho mỗi máy chủ ảo đến tài nguyên của máy chủ vật lý.Nền tảng của môi trường ảo hóa chính là các phần mềm ảo hóa Mọi hoạt động cấp phát, quản lý tài nguyên máy chủ ảo đều do phần mềm ảo hóa thực hiện

iii) Máy chủ ảo (lớp 2): Máy chủ ảo chính là sản phẩm của công nghệ ảo hóa Nhờ

vào phần mềm ảo hóa mà tạo ra các máy chủ ảo từ máy chủ vật lý.Máy chủ ảo hoạt động như một máy chủ vật lý bình thường với tài nguyên, hệ điều hành, giao diện riêng

Trang 15

iv) Hệ điều hành khách (lớp 3): Hệ điều hành khách là một phần mềm được cài

đặt trên một máy chủ ảo Hệ điều hành khách giúp cho người dùng dễ dàng sử dụng

và xử lý các sự cố trên máy chủ ảo.Các thao tác trên hệ điều hành khách tương tự như các thao tác trên hệ điều hành thông thường

1.3 Các kiến trúc ảo hóa

Xét về kiến trúc hệ thống, các kiến trúc ảo hóa hệ thống máy chủ có thể chia thành các dạng dạng chính sau:

1.3.1 Kiến trúc ảo hóa Host-Based

Còn gọi là kiến trúc hosted hypervisor, kiến trúc này sử dụng một lớp hypervisor chạy trên nền tảng hệ điều hành của máy chủ vật lý (gọi tắt là hệ điều hành máy chủ), sử dụng các dịch vụ được hệ điều hành máy chủ cung cấp để phân chia tài nguyên tới các máy ảo Nếu ta xem hypervisor này là một lớp phần mềm riêng biệt, thì các hệ điều hành khách của máy ảo sẽ nằm trên lớp thứ 3 so với phần cứng máy chủ

Một hệ thống ảo hóa sử dụng mô hình Hosted-based được chia làm 4 lớp hoạt động như sau:

- Nền tảng phần cứng: Bao gồm các thiết bị nhập xuất, thiết bị lưu trữ (HDD, RAM), bộ vi xử lý CPU, và các thiết bị khác (các thiết bị mạng,

vi xử lý đồ họa, âm thanh…)

- Hệ điều hành máy chủ: Hệ điều hành này thực hiện việc liên lạc trực tiếp với phần cứng để cung cấp các dịch vụ và chức năng truy nhập đến nền tảng phần cũng Cùng với lớp nền tảng phần cứng, lớp này đảm bảo chức năng của lớp 0 như trong hình 1.2 ở trên

Trang 16

- Hệ thống virtual machine monitor (hypervisor): Chạy trên nền tảng hệ điều hành máy chủ, các hệ thống này lấy tài nguyên và dịch vụ do hệ điều hành máy chủ cung cấp, thực hiện việc quản lý, phân chia trên các tài nguyên này Lớp này tương đương với lớp 1 như trong hình 1.2 ở trên

- Các ứng dụng máy ảo: Sử dụng tài nguyên do hypervisor quản lý Lớp này bao gồm lớp 2 và 3 như trong hình 1.2 ở trên

Hình 1.3: Kiến trúc Host-Based còn đƣợc gọi là kiểu ảo hóa Vmm

Mối liên lạc giữa phần cứng và trình điều khiển thiết bị trên hệ điều hành máy chủ trong kiểu ảo hóa này được mô tả như sau:

- Bước đầu tiên mô phỏng phần cứng: Lớp ảo hóa hypervisor sẽ tạo ra một phân vùng trên ổ đĩa cho các máy ảo Phân vùng này bao gồm các phần cứng ảo như ổ đĩa, bộ nhớ…

- Hypervisor xây dựng mối liên lạc giữa lớp ảo hóa với hệ điều hành máy chủ: Khi một máy ảo truy xuất tài nguyên thì lớp hypervisor sẽ thay thế máy ảo đó gởi các yêu cầu tới hệ điều hành máy chủ để yêu cầu thực hiện Khi hệ điều hành máy chủ nhận được các yêu cầu này Nó liên lạc với trình điều khiển thiết bị phần cứng

- Các trình điều khiển thiết bị phần cứng liên lạc đến các phần cứng trên máy thực

Trang 17

Quá trình này sẽ xảy ra ngược lại khi có các trả lời từ các phần cứng đến hệ điều hành khách.Một số hệ thống hypervisor dạng Host-based có thể kể đến như Vmware Server, Microsoft Virtual PC

1.3.2 Kiến trúc ảo hóa Hypervisor-Based

Còn gọi là kiến trúc bare-metal hypervisor Trong mô hình này, lớp phần mềm hypervisor chạy trực tiếp trên nền tảng phần cứng của máy chủ, không thông qua bất kì một hệ điều hành hay một nền tảng nào khác Qua đó, các hypervisor này có khả năng điều khiển, kiểm soát phần cứng của máy chủ.Đồng thời, nó cũng có khả năng quản lý các hệ điều hành chạy trên nó.Nói cách khác, các hệ điều hành sẽ chạy trên một lớp nằm phía trên các hypervisor dạng bare-metal.Hình 1.3 dưới đây minh họa cho kiến trúc dựa trên hypervisor

Hình 1.4: Kiến trúc của kiểu ảo hóa Vmm Hypervisor

Một hệ thống ảo hóa máy chủ sử dụng nền tảng Bare-metal hypervisor bao gồm 3 lớp chính:

- Nền tảng phần cứng: Bao gồm các thiết bị nhập xuất, thiết bị lưu trữ (Hdd, Ram), bộ vi xử lý CPU, và các thiết bị khác (các thiết bị mạng, vi

xử lý đồ họa, âm thanh…) Tương ứng với lớp 0 như trong hình 1.2

- Lớp nền tảng ảo hóa Virtual Machine Monitor (còn gọi là hypervisor), thực hiện việc liên lạc trực tiếp với nền tảng phần cứng phía dưới, quản

lý và phân phối tài nguyên cho các hệ điều hành khác nằm trên nó Tương ứng với lớp 1 như trong hình 1.2

Trang 18

- Hypervisor liên lạc với các trình điều khiển thiết bị

- Các trình điều khiển thiết bị phần cứng liên lạc trực tiếp đến phần cứng vật lý

Mô hình Hypervisor - Base có 2 dạng là Monothic Hypervisor và Microkernel Hypervisor

i) Kiến trúc Monolithic Hypervisor

Monolithic Hypervisor cũng là một hệ điều hành máy chủ.Nó chứa những trình điều khiển (Driver) thiết bị rong lớp Hypervisor để truy cập tài nguyên phần cứng bên dưới.Khi các hệ điều hành chạy trên các máy ảo truy cập phần cứng thì sẽ thông qua lớp trình điều khiển thiết bị của lớp hypervisor

Mô hình này mang lại hiệu quả cao, nhưng cũng giống như bất kì các giải pháp khác, bên cạnh mặt ưu điểm thì nó cũng còn có những nhược điểm.Vì trong quá trình hoạt động, nếu lớp trình điều khiển thiết bị phần cứng của nó bị hư hỏng hay xuất hiện lỗi thì các máy ảo cài trên nó đều bị ảnh hưởng và nguy hại Thêm vào đó

là thị trường phần cứng ngày nay rất đa dạng, nhiều chủng loại và do nhiều nhà cung cấp khác nhau, nên trình điều khiển thiết bị của Hypervisor trong loại ảo hóa này có thể sẽ không thể hỗ trợ điều khiển hoạt động của phần cứng mới một cách đúng đắn và hiệu suất chắc chắn cũng sẽ không được như mong đợi Một trình điều khiển không thể nào điều khiển tốt hoạt động của tất cả các thiết bị nên nó cũng có những thiết bị phần cứng không hỗ trợ.Những điều này cho thấy rằng việc phụ thuộc quá nhiều vào các loại thiết bị dẫn tới sự hạn chế việc phát triển công nghệ này

Trang 19

Hình 1.5: Kiến trúc của kiểu ảo hóa Monolithic Hypervisor

ii) Kiến trúc Microkernelized Hypervisor

Microkernelized Hypervisor là một kiểu ảo hóa giống như Monolithic Hypervisor.Điểm khác biệt giữa hai loại này là trong Microkernelized trình điều khiển thiết bị phần cứng vật lý được cài trên một máy ảo và được gọi là trình điều khiển chính, trình điều khiển chính này tạo và quản lý các trình điều khiển con cho các máy ảo khác Khi một máy ảo có nhu cầu liên lạc với phần cứng thì trình điều khiển con sẽ liên lạc với trình điều khiển chính và trình điều khiển chính này sẽ chuyển yêu cầu xuống lớp Hypervisor để liên lạc với phần cứng

Hình 1.6: Kiến trúc Microkernelized Hypervisor

Trang 20

Một số ví dụ về các hệ thống Bare-metal hypervisor như là: Oracle VM, Vmware ESX Server, IBM's POWER Hypervisor (PowerVM), Microsoft's Hyper-V, Citrix XenServer…

1.3.3 Kiến trúc ảo hóa Hybrid

Kiến trúc Hybrid là một kiểu ảo hóa mới hơn và có nhiều ưu điểm hơn.Trong đó lớp ảo hóa hypervisor chạy song song với hệ điều hành máy chủ.Tuy nhiên trong cấu trúc ảo hóa này, các máy chủ ảo vẫn phải đi qua hệ điều hành máy chủ để truy cập phần cứng nhưng khác biệt ở chỗ cả hệ điều hành máy chủ và các máy chủ ảo đều chạy trong chế độ hạt nhân.Khi một trong hệ điều hành máy chủ hoặc một máy chủ ảo cần xử lý tác vụ thì CPU sẽ phục vụ nhu cầu cho hệ điều hành máy chủ hoặc máy chủ ảo tương ứng.Lý do khiến Hyrbird nhanh hơn là lớp ảo hóa chạy trong chế

độ hạt nhân (chạy song song với hệ điều hành), trái với Virtual Machine Monitor lớp ảo hóa chạy trong trong chế độ người dùng (chạy như một ứng dụng cài trên hệ điều hành)

Hình 1.7:Kiến trúc ảo hóa Hybrid 1.4 Các lợi ích của ảo hóa

Việc áo hóa máy chủ chắc chắn không phải là mới hay mang tính cách mạng Trên thực tế, những bước đi đầu tiên hướng tới công nghệ này đã xảy ra hơn hai thập kỷ

Trang 21

trước, mặc dù nhiều người vẫn đang hoài nghi về giá trị của nó, sau đây chỉ là một

số ít các lợi ích có thể của công nghệ này

i) Tiết kiệm chi phí và điện năng: Dường như là sự thật hiển nhiên, nhưng có thể

một số người vẫn không hiểu làm thế nào sự ảo hóa máy chủ sẽ tiết kiệm cho cơ quan, tổ chức hay các doanh nghiệpmột số tiền đáng kể Nói một cách đơn giản,

sự ảo hóa máy chủ sẽ cắt giảm các phần cứng vật lý cần thiết để lưu trữ dữ liệu, cũng như năng lượng cần thiết để chạy tất cả các máy móc đó Hãy tưởng tượng tiền và năng lượng cần thiết để cung cấp điện cho trung tâm dữ liệu chứa 500 máy chủ vật lý.Sau khi sử dụng công nghệ ảo hóa máy chủ, số lượng các máy chủ thực

sự được giảm đến con số 10.Không cần phải có một bằng cấp kinh tế để tính toán

ra rằng số tiền cần thiết để cung cấp năng lượng cho 10 máy chủ thì khá là ít so với

số tiền cung cấp cho 500 máy.Năng lượng ít hơn có nghĩa là chi phí thấp hơn

ii)Quản lý đơn giản: Như phân tích ở trên, triển khai hệ thống ảo hoá thì số lượng

máy chủ vật lý giảm đi đáng kể và khi đó việc theo dõi và giám sát hệ thống rất dễ dàng và hầu như được thực hiện bởi công cụ phần mềm quản trị tập trung từ xa do nhà cung cấp phần mềm ảo hoá hỗ trợ Nhà quản trị dễ dàng theo dõi tình trạng của các máy ảo và của cả hệ thống Nếu máy chủ vật lý bị trục trặc thì có thể chuyển máy ảo từ máy chủ này sang máy chủ khác, có thể nâng cấp phần cứng bằng cách gắn thêm RAM, HDD,… một cách nhanh chóng và đơn giản

iii) Phòng thảm họa xảy ra:Các cơ quan, tổ chức hay các doanh nghiệp, dù lớn

hay nhỏ, đều có một kế hoạch khôi phục dữ liệu được chuẩn bị kỹ khi có thảm họa xảy ra Về cơ bản, nhiệm vụ khó khăn là tạo ra một bản sao chính xác trung tâm dữ liệu của họ, hoàn thành với kiến trúc và mô hình tương tự với các máy chủ ban đầu

Sự ảo hóa máy chủ cho phép các công ty xây dựng trung tâm dữ liệu dự phòng này với các máy chủ và các thành phần rẻ hơn, đơn giản bởi vì không phải lo đến sự tương thích của các phần mềm với phần cứng Các máy ảo chỉ là một tập tin trên ổ đĩa nên việc phục hồi rất đơn giản là sao chép lại các tập tin này Khimột máy ảo gặp sự cố và hỏng hóc do một lỗi hệ điều hành nào đó thì việc phục hồi đon giản là

Trang 22

chép đè tập tin đã được sao chép lên tập tin cũ và hệ thống có thể hoạt động bình thường lại ngay như lúc chưa bị lỗi

iv) Cân bằng tải và phân phối tài nguyên linh hoạt:Cácnhà cung cấp phần mềm

ảo hoá hỗ trợ thường cung cấp các công cụ quản lý từ xa cho các máy chủ và máy

ảo Vì vậy, người quản trị có thể quản lý tình trạng của toàn bộ hệ thống mọi lúc, mọi nơi Do đó người quản trị sẽ dễ dàng tăng CPU, RAM, HDD,… cho máy chủ máy ảo hoặc di chuyển máy ảo từ máy chủ vật lý đang quá tải đó sang máy chủ vật

lý có cấu hình mạnh hơn, có nhiều tài nguyên còn trống hơn để hoạt động

1.5Một số công nghệ liên quan đến ảo hóa

Rõ ràng các máy ảo là các tệp tin mô tả “các máy tính” được cài trên một máy tính vật lý Các tệp tin này được lưu trữ trên các bộ nhớ ngoài Khi các bộ nhớ ngoài hỏng thì các tệp tin này cũng hỏng theo và các máy ảo sẽ “chết” Chính vì vậy, để đảm bảo an toàn cho các máy ảo, chúng ta cần bảo vệ các tệp tin trên các thiết bị lưu trữ ngoài Có rất nhiều công nghệ đảm bảo an toàn và tính linh động cho các tệp tin (dữ liệu), nhưng trong khuôn khổ của luận văn này, chúng tôi chỉ tập trung vào hai công nghệ chính hiện nay là RAID và SAN

1.5.1 Công nghệ RAID

RAID là viết tắt của Redundant Array of Inexpensive Disks (Hệ thống đĩa dự phòng).Sự dự phòng là nhân tố quan trọng nhất trong quá trình phát triển RAID cho môi trường máy chủ.Dự phòng cho phép sao lưu dữ liệu bộ nhớ khi gặp sự cố Nếu một ổ cứng trong dãy bị trục trặc thì nó có thể hoán đổi sang ổ cứng khác mà không cần tắt cả hệ thống hoặc có thể sử dụng ổ cứng dự phòng Phương pháp dự phòng phụ thuộc vào phiên bản RAID được sử dụng

RAID 0:

Trang 23

RAID 0 thực ra không phải là cấp độ RAID hợp lệ Cấp độ 0 được đưa ra không thể cung cấp cấp độ dự phòng nào cho các dữ liệu được lưu trữ Do vậy nếu một ổ cứng bị lỗi thì sẽ gây nguy hiểm cho dữ liệu

RAID 0 sử dụng một kĩ thuật gọi là “striping” “Striping” phân chia khối dữ liệu đơn như trong hình vẽ và trải chúng qua các ổ cứng Tác dụng của striping là làm tăng hiệu quả thực thi.Có thể ghi được hai khối dữ liệu cùng lúc tới hai ổ cứng, hơn hẳn so với một ổ cứng như trước đây

Hình 1.8: Sơ đồ hoạt động của kỹ thuật Striping

Bảng 1.1 dưới đây là ví dụ cho thấy dữ liệu đã được ghi trong kiểu RAID 0 như thế nào.Mỗi dòng biểu diễn một khối dữ liệu và mỗi cột biểu diễn một ổ cứng khác nhau.Những số trong bảng đại diện cho các khối dữ liệu.Các số giống nhau biểu thị một khối dữ liệu được lặp lại

Ổ cứng 1 Ổ cứng 2

Trang 24

Bảng 1.1:Mô tả cách ghi dữ liệu của RAID 0

Do vậy, nếu cả 6 khối dữ liệu trong bảng kết hợp thành một file dữ liệu duy nhất thì

có thể đọc và ghi tới các ổ cứng nhanh hơn nhiều so với đọc trên một ổ Mỗi ổ khi hoạt động song song với nhau chỉ có thể đọc được 3 khối dữ liệu trong khi nó cần

sử dụng thêm một ổ đơn để đọc hết 6 khối dữ liệu Hạn chế của kĩ thuật này là nếu một ổ gặp sự cố thì dữ liệu sẽ không hoạt động.Cần phải truy cập tất cả 6 khối dữ liệu mới có thể đọc được dữ liệu nhưng chỉ có thể truy cập vào 3 khối

Thuận lợi:

- Tăng hiệu quả lưu trữ

- Không làm mất dung lượng dữ liệu

dự phòng.Khi dữ liệu được ghi vào ổ hoạt động thì đồng thời nó cũng được ghi vào

ổ dự phòng

Trang 25

Hình 1.9:Sơ đồ hoạt động của kỹ thuật Miroring

Bảng 1.2 dưới đây là ví dụ cho thấy dữ liệu được ghi vào RAID 1 như thế nào.Mỗi dòng trong biểu đồ biểu diễn một khối dữ liệu và mỗi cột biểu diễn một ổ cứng khác nhau.Những số trong bảng đại diện cho các khối dữ liệu.Các số giống nhau biểu thị một khối dữ liệu được lặp lại

Ổ cứng 1 Ổ cứng 2

RAID 1 cung cấp một phiên bản dự phòng dữ liệu đầy đủ cho hệ thống Nếu một ổ gặp sự cố, ổ còn lại vẫn còn hoạt động Hạn chế của kĩ thuật này là dung lượng RAID chỉ bằng dung lượng nhỏ nhất của hai ổ cứng nếu như dung lượng lưu trữ trên hai ổ được sử dụng độc lập

Thuận lợi:

- Cung cấp dự phòng dữ liệu toàn diện

Trang 26

Bất lợi:

- Dung lượng lưu trữ chỉ lớn bằng dung lượng ổ nhỏ nhất

- Không tăng hiệu suất thực thi

- Nhiều thời gian chết để thay đổi ổ hoạt động khi có sự cố

RAID 0+1

Đây là sự kết hợp RAID mà một số hãng sản xuất đã thực hiện để gộp các lợi ích của hai phiên bản lại RAID 0và RAID 1 với nhau.Sự kết hợp này chỉ áp dụng với các hệ thống có ít nhất 4 ổ cứng.Các kĩ thuật “mirroring” và “striping” kết hợp với nhau tạo ra hiệu quả dự phòng Thiết lập đầu tiên của các ổ được kích hoạt và các

dữ liệu sẽ được phân chia qua đó, thiết lập thứ hai sẽ phản chiếu những dữ liệu này sang ổ thứ hai

Hình 1.10: Sơ đồ hoạt động kết hợp kỹ thuật Striping&kỹ thuật Miroring

Bảng 1.3 dưới đây cho thấy dữ liệu được ghi vào RAID 0+1 như thế nào.Mỗi dòng biểu diễn một khối dữ liệu và mỗi cột biểu diễn một ổ cứng khác nhau.Những số trong bảng đại diện cho các khối dữ liệu.Các số giống nhau biểu thị một khối dữ liệu được lặp lại

Trang 27

Bảng 1.3:Mô tả cách ghi dữ liệu của RAID 0+1

Trong trường hợp này, các khối dữ liệu sẽ được phân chia qua các ổ và được phản chiếu giữa hai thiết lập.Hiệu quả thực thi của RAID 0 được tăng lên vì ổ cứng chỉ phải mất một nửa thời gian thực hiện so với một ổ riêng lẻ mà vẫn đảm bảo sự dự phòng.Hạn chế chính của phương pháp này là giá thành bởi nó cần phải có ít nhất 4

ổ cứng

Thuận lợi:

- Tăng hiệu quả thực thi

- Dữ liệu được dự phòng toàn bộ

Bất lợi:

- Yêu cầu số lượng ổ cứng lớn

- Khả năng truy xuất dữ liệu giảm một nửa

RAID 5 :

RAID 5 mạnh nhất cho hệ thống các máy để bàn Đặc trưng của chúng là cần phải

có một bộ điều khiển phần cứng quản lý các dãy ổ cứng nhưng một số hệ điều hành máy tính có thể thực hiện điều này qua các phần mềm.Phương pháp này sử dụng phân chia “parity” (chẵn lẻ) để duy trì dự phòng dữ liệu.Cần ít nhất 3 ổ cứng có năng xuất cao như nhau để áp dụng RAID 5

Trang 28

Hình 1.11: Sơ đồ hoạt động của kỹ thuật Parity

“Parity” là là một phép toán nhị phân so sánh 2 khối dữ liệu với một khối dữ liệu thứ 3 dựa trên 2 khối đầu tiên Cách giải thích đơn giản nhất là chẵn và lẻ Nếu tổng của 2 khối dữ liệu là chẵn thì số bit là chẵn, nếu tổng của 2 khối dữ liệu là lẻ thì số bit là lẻ Do đó phép toán 0+0 and 1+1 đều bằng 0 còn 0+1 or 1+0 sẽ bằng 1 Dựa trên phép toán nhị phân này, một ổ trong dãy bị trục trặc thì thì sẽ cho phép các bit

“parity” khôi phục lại dữ liệu khi ổ đó được thay thế

Bảng 1.4 dưới đây là một ví dụ cho thấy dữ liệu được ghi vào RAID 5 như thế nào.Mỗi dòng biểu diễn một khối dữ liệu và mỗi cột biểu diễn một ổ cứng khác nhau.Những số trong bảng đại diện cho các khối dữ liệu.Các số giống nhau biểu thị một khối dữ liệu được lặp lại “P” là các bit “parity” cho hai khối dữ liệu

Ổ cứng 1 Ổ cứng 2 Ổ cứng 3

Các bit “parity” luân chuyển giữa các ổ cứng sẽ làm tăng hiệu xuất và độ tin cậy cho dữ liệu Dải ổ cứng vẫn sẽ tăng hiệu xuất thông qua một ổ riêng lẻ bởi vì nhiều

ổ thì khả năng ghi dữ liệu sẽ nhanh hơn một ổ Dữ liệu cũng được dự phòng toàn

bộ nhờ các bit “parity” Trường hợp ổ 2 bị lỗi thì dữ liệu có thể được phục hồi dựa

Trang 29

trên dữ liệu và các bit trên hai ổ còn lại Dung lượng dữ liệu giảm là do các khối dữ

liệu chẵn lẻ Trong thực tế nếu n là số lượng ổ và z là dung lượng thì ta có công

thức sau:(n-1)*z = Dung lượng Ví dụ, trong trường hợp có 3 ổ cứng với dung lượng 500GB /ổ thì tổng dung lượng sẽ là (3-1)x500GB = 1000 GB

Thuận lợi:

- Tăng dung lượng lưu trữ

- Dữ liệu được dự phòng toàn bộ

- Khả năng hoán đổi nhanh 24x7

Bất lợi:

- Giá thành cao

- Hiệu quả thực thi giảm trong quá trình phục hồi

1.5.2 Công nghệ lưu trữ mạng SAN

SAN được viết tắt từ Storage Area Network [2, 4] là một mạng được thiết kế cho việc thêm các thiết bị lưu trữ cho máy chủ một cách dễ dàng như: Disk Aray Controllers, hay Tape Libraries

Với những ưu điểm nổi chội SANs đã trở thành một giải pháp rất tốt cho lưu trữ thông tin cho doanh nghiệp hay tổ chức SAN cho phép kết nối từ xa tới các thiết bị lưu trữ trên mạng như: Disks và Tape drivers Các thiết bị lưu trữ trên mạng, hay các ứng dụng chạy trên đó được thể hiện trên máy chủ như một thiết bị của máy chủ.Hai thành phần cơ bản của SANs là:

i) Mạng (network): có tác dụng truyền thông tin giữa thiết bị lưu trữ và hệ thống

máy tính Một SAN bao gồm một cấu trúc truyền tin, nó cung cấp kết nối vật lý, và quản lý các lớp, tổ chức các kết nối, các thiết bị lưu trữ, và hệ thống máy tính sao cho dữ liệu truyền trên đó với tốc độ cao và tính bảo mật Giới hạn của SAN thường được nhận biết với dịch vụ Block I/O đúng hơn là với dịch vụ File Access

ii) Hệ thống lưu trữ(Storage): bao gồm các thiết bị lưu trữ, hệ thống máy tính, hay

Định dạng
Số trang	58
Dung lượng	1,82 MB