Что такое сервер виртуализации?

Виртуализация вычислительных ресурсов – общий тренд, который набирает силу не только в технологиях, но и в телекоммуникациях, а также в других отраслях. Например, сейчас в облаке виртуализируются даже базовые блоки станций мобильной связи.

Для чего нужна виртуализация

Виртуализация серверов используется для скрытия (абстрагирования) серверных ресурсов от пользователей серверов. При этом могут скрываться типы операционных систем серверов, тип процессора и параметры физических серверов.

Виртуализация серверов – это процесс, при котором с помощью программного обеспечения множество физических серверов разделяется на уникальные и логически изолированные виртуальные серверы. Либо многие физические серверы могут объединяться в один большой логический сервер. Причём у некоторых серверов различаются процессоры, шины и операционные системы. Однако слой виртуализации скрывает эти особенности от пользователей.

Зачем это нужно? Вот некоторые причины, которые делают виртуализацию выгодной по сравнению с использованием физических выделенных серверов:

• Параметры и функциональные возможности виртуальных серверов – выше.
• Операционные расходы в виртуальной среде – ниже.
• Нет проблем с техническими особенностями разных серверов.
• В виртуальной среде выше производительность приложений.
• Приложения в виртуальной среде можно быстрее развёртывать.

Поясним, за счёт чего достигаются эти преимущества.

Технологии виртуализации

В общем случае на одном физическом сервере может работать только одна операционная система (ОС), и ресурсы сервера – оперативная память (ОЗУ), центральное процессорное устройство (ЦПУ), дисковый накопитель и другое оборудование – целиком потребляются собственной ОС сервера.

Виртуализация серверов, с другой стороны, позволяет запускать на одном сервере несколько ОС, с различными конфигурациями и настройками в каждой. Технологии виртуализации маскируют ресурсы серверов, включая количество и параметры отдельных серверов, процессоров и операционных систем. Виртуализация серверов распределяет их ресурсы для многих абстрагированных экземпляров программ (instances), которые работают поверх общих ресурсов серверов и используют их как единый пул (pool), или проще сказать, «общий бассейн».

За счёт объединения в пул IT-ресурсов растет коэффициент их использования. Например, в виртуализированном сервере значительно повышается коэффициент использования ЦПУ по сравнению с физическим сервером.

Кроме этого, виртуализация серверов даёт возможность легко перемещать виртуальные машины VM (Virtual Machine) с одного физического сервера на другой. Так можно улучшить температурный режим в машинном зале дата-центра, поскольку все физические серверы будут равномерно загружены.

Если равномерно распределить нагрузку на виртуальный сервер, он сможет быстрее реагировать на запросы, а также повысится доступность серверов.

Гипервизор: отделение программного обеспечения от физического оборудования

При виртуализации серверной инфраструктуры программное обеспечение отделится от физического оборудования. Это делается при помощи специальной программной надстройки – гипервизора (hypervisor). Именно гипервизор позволяет запускать на одном сервере несколько виртуальных машин (серверов), причем они могут работать в разных операционных системах.

Гипервизоры разных типов применяются в различных сценариях.

• Гипервизор типа 1. Запускается непосредственно на оборудовании физического сервера. Поэтому он называется bare-metal hypervisor – буквально «гипервизор на голом железе». Виртуальные машины работают прямо в его среде.
• Гипервизор типа 2. Запускается поверх операционной системы физического сервера. При этом, так же, как и в случае с типом 1, виртуальные машины работают в среде этого гипервизора. Операционные системы, в которых работают виртуальные машины, называются гостевыми ОС. Приложения могут запускаться как на виртуальных машинах VM в гостевой ОС, так и непосредственно на физическом сервере в его собственной ОС.

В обоих случаях виртуальные машины и используемые ими ресурсы оборудования полностью изолированы друг от друга логически. Именно в такой логической изоляции и состоит смысл виртуализации.

Архитектурные различия между гипервизорами типов 1 и 2 (источник: https://microkerneldude.wordpress.com)

Для реального применения в продуктивной нагрузке в настоящее время чаще используются гипервизоры типа 1. С помощью гипервизоров типа 2 чаще проводят различные тестирования в т. н. «песочницах» (Sand Box).

Виртуальный частный и выделенный сервер (VPS/VDS)

Самый распространённый сценарий использования технологии виртуального сервера – это частный, или выделенный, виртуальный сервер VPS/VPS (Virtual Private / Dedicated Server). Это одно из применений облачных услуг IaaS (Infrastructure as a Service) – инфраструктура как услуга, смысл которой состоит в том, чтобы не разворачивать серверную инфраструктуру в собственной IT-системе (on-premise), а арендовать её у хостинг-провайдера публичного облака. Чаще с помощью облачных услуг IaaS инфраструктуру физических серверов в организации переносят в виртуальную структуру частного облака этой организации.

При этом физический сервер находится на площадке провайдера IaaS-инфраструктуры частного облака, которая хорошо защищена от сетевых атак. Провайдер берет на себя все обязательства по обслуживанию и сопровождению оборудования и системы виртуализации.

Часто говорят, что нет смысловой разницы между аббревиатурами VPS и VDS. С точки зрения заказчика, такое утверждение справедливо. Однако, с точки зрения провайдера, различия есть. В случае VDS буква D означает «выделенный» (dedicated). То есть в инфраструктуре хостинг-провайдера для поставщика будут задействованы выделенные физические серверы, в которых виртуализирована IT-система этого конкретного заказчика.

В случае VPS в инфраструктуре хостинг-провайдера действует принцип многоарендности (Multi-tenancy). Таким образом, VPS можно сравнить с многоквартирным домом, а VDS – с таунхаусом.

Различие между общим хостингом, VPS и VDS (источник: go4hocting.in)

Преимущества VDS и VPS перед общим (shared) хостингом:

• Полный контроль: владелец виртуального сервера получает права администратора и может настраивать сервер под нужды проекта, т. е. устанавливать необходимые приложения и настраивать ОС.
• Количество создаваемых приложений ограничивается только ресурсами сервера.
• Независимость: виртуальные серверы работают изолированно, не используя ресурсы совместно. Также они используют отдельные IP-адреса, в то время как на общем хостинге несколько сайтов нередко используют один IP-адрес.

Недостатки VDS/VPS перед общим хостингом:

• Стоимость аренды сервера обычно выше стоимости общего хостинга.
• Необходимость администрирования: сервер VDS/VPS нужно администрировать как физический, поэтому пользователю требуются определенные знания и навыки в этой области.

Решение VPS/VDS особенно полезно для крупных организаций, имеющих распределённую организационную структуру. Соответственно, их IT-система также состоит из многих дата-центров, соединённых между собой при помощи различных сетевых и транспортных технологий.

IT-система из многих дата-центров, соединённых между собой с использованием решения VPS/VDS (источник: VMware)

Гибридное решение

Вариантом решения виртуального частного сервера является т. н. «гибридное облако», или виртуальное частное облако VPC (Virtual Private Cloud). Публичное облако может служить поддержкой частного облака при нехватке ресурсов или необходимости географического масштабирования.

Гибридное решение виртуального частного облака (источник: techiexpert.com)

В этом случае, если в частном облаке собственного дата-центра предприятия не хватает ресурсов для размещения необходимого количества виртуальных серверов предприятия, можно использовать два пути:

1. Часть ресурсов частного облака предприятия переносится в «виртуальное частное облака» на основе ресурсов провайдера публичного облака, например, гиперскейлера – такого, как Google Cloud, MS Azure и др. Это решение называется гибридным облаком (Hybrid Cloud).
2. Чтобы масштабировать ресурсы частного облака предприятия, можно задействовать ресурсы локального провайдера услуг частного облака. Если и у него не хватает ресурсов для всех предприятий, захотевших заказать частные облака, то провайдер частного облака также использует ресурсы провайдера публичного облака. Но в последнем случае всю ответственность перед заказчиком (предприятием) несёт локальный провайдер частного облака – даже в случае пользования гибридным облаком с привлечением ресурсов гиперскейлера.

Виртуализация рабочих мест VDI

Многие организации, стремясь оптимизировать собственную IT-систему, переводят рабочие места сотрудников в виртуализированную инфраструктуру рабочих мест VDI (Virtual Desktop Infrastructure) в частном облаке. При этом у работника на столе остаются только монитор, мышь и небольшой модуль – «тонкий клиент» (thin client). Он представляет собой программно-аппаратный интерфейс, при помощи которого пользователь получает доступ к своему компьютеру, работающему в виде виртуальной машины в дата-центре.

Инфраструктура VDI (источник: eduhk.hk)

Преимущества такого метода очевидны:

1. Более низкие капитальные затраты, поскольку виртуальная машина обходится дешевле реальной, хотя многие IT-специалисты отмечают, что иногда видимой экономии прямых капитальных затрат (upfront cost) не наблюдается. Однако со временем на операционных затратах можно получить значительный выигрыш.
2. Снижение потребности в инженерном IT-персонале. Если в организации, где установлены физические машины на столах сотрудников, один IT-инженер может обслужить максимум 100 машин, то в инфраструктуре VDI счёт идёт уже на тысячи. Соответственно, уменьшаются затраты на фонд оплаты труда.
3. Поиск и устранение неисправностей в рабочих компьютерах сотрудников значительно ускоряется, становится меньше простоев. Это положительно сказывается на результатах работы организации.
4. Существенно повышается надёжность работы IT-системы в целом за счёт резервирования ресурсов в дата-центре, присущего VDI. Миграция виртуальной машины с одного физического сервера в дата-центре на другой незаметна для обычного пользователя.
5. Сотрудник не держит на своей виртуальной машине котиков и другой контент, не относящийся к работе. Выход на развлекательные ресурсы с виртуальной машины легко контролируется. Это положительно сказывается на производительности труда в организации.
6. Доступ к виртуальной машине можно получить не только с рабочего места через «тонкий клиент», но и удалённо, находясь на выезде или в командировке. При этом, используя инфраструктуру гиперскейлеров (Google Cloud, MS Azure, IBM и пр.), можно сделать так, что при командировках в другие страны виртуальная машина последует за своим хозяином, и он получит доступ из ближайшего дата-центра провайдера облачных услуг через сеть гиперскейлера. То есть ему не придется подключаться к центральному офису компании, который может находиться на другом континенте. Это очень полезное свойство VDI для инфраструктуры международных компаний.
7. Более высокая безопасность. В среде VDI гораздо легче и меньшими затратами можно организовать защиту от вирусов, атак и пр., нежели делать это на каждой физической машине сотрудника и на участке локальной сети.
8. Сотрудники могут пользоваться терминалами на различных платформах: Windows, Apple, Android и пр.

VDI и RDS (Remote Desktop Service)

Существуют два основных решения виртуализации рабочих мест: собственно VDI и RDS (Remote Desktop Service) – услуга удалённого рабочего места. В принципе, они реализуют одну и ту же услугу, но с разными подходами.

Различия в подходах RDS и VDI (источник: vcloudpoint.com/rds-vs-vdi)

RDS, ранее называвшаяся Terminal Services компании Microsoft, позволяет удалённо подключаться к виртуальной машине или операционной системе (OS) (терминальный сервер). При этом пользователи совместно используют ресурсы операционной системы и приложения, а также физические ресурсы удалённого сервера (хоста). При этом облегчаются управление пользователями, установка и модернизация программ, конфигурация системы.

Преимущества RDS:

• Простота: инфраструктура RDS содержит меньшее число компонентов, поэтому управлять ей проще. Предоставление виртуальной рабочей станции (десктопа) в такой системе происходит быстрее.
• Низкая стоимость: RDS минимизирует стоимость лицензий, поскольку пользователи используют один экземпляр ОС.
• Лёгкость обслуживания: RDS содержит меньше взаимозаменяемых компонентов, поэтому она проще и легче обслуживается, с меньшим количеством технического персонала и за меньшее время.

Недостатки RDS:

• Персонализация рабочих мест и кастомизация приложений существенно ограничены рамками, заданными ОС.
• Ограничения ресурсов: поскольку пользователи используют одни и те же физические и программные ресурсы сервера, что никак не регулируется, то это может приводить к образованию узких мест и снижению производительности.
• Совместимость: некоторые приложения не приспособлены для многопользовательского режима.

VDI (Virtual Desktop Infrastructure) запускает каждое рабочее место внутри виртуальной машины VM, которая функционирует в среде гипервизора (Hypervisor), запущенного на одном физическом сервере (или нескольких). Гипервизор абстрагирует физические параметры сервера и ресурсы системы хранения и делает их доступными для отдельных виртуальных машин.

Преимущества VDI:

• Распределение ресурсов: VDI даёт возможность регулировать потребность в ресурсах для разных пользователей. Например, пользователи, которые работают с графикой, могут использовать больше ресурсов, чем те, которые работают только с текстом. При этом гипервизор будет автоматически выделять им ресурсы по запросу приложений, запущенных на виртуальных машинах пользователей.
• Изоляция пользователей: выделенные виртуальные машины для рабочих мест дают пользователям больше возможностей для их персонализации, установки своих собственных приложений (в RDS можно было использовать только общие) и конфигурации собственной ОС внутри виртуальной машины.
• Совместимость приложений: в VDI не возникает проблем совместимости вследствие того, что каждый пользователь работает фактически на собственном компьютере и в собственной операционной системе.
• Технология моментальных снимков (snapshot) даёт возможность пользователю откатиться к предыдущему состоянию, в котором виртуальная машина находилась, например, до сбоя или поражения вирусом.

Недостатки VDI:

• Сложность: инфраструктура VDI требует квалицированного персонала для установки и настройки. Обслуживать виртуальную среду сложнее, чем простую RDS.
• Высокая стоимость: VDI обычно значительно дороже аналогичной по ёмкости RDS. Для неё требуются дополнительные аппаратные ресурсы, лицензии на программы виртуализации по годовой подписке.

Проблемы выбора

В целом RDS больше подходит для организаций, где пользователям нужны один и тот же набор приложений и одно и то же количество ресурсов. Терминальный сервер RDS проще в установке и обслуживании, в то время как VDI требует некоторой кастомизации под каждого пользователя.

VDI – это лучший вариант для оптимизации потребления ресурсов физического сервера. Он лучше подходит, когда пользователи в организации работают с разными наборами приложений. В VDI нет проблем совместимости приложений. Однако стоимость развёртывания и обслуживания в VDI выше.

Примеры продуктов

• Решение виртуализации рабочих мест HPE

В решении по виртуализации серверов НРЕ есть несколько классов в зависимости от статуса пользователя рабочего места: от оператора и рядового офисного сотрудника (200-100 рабочих мест на хост) до пользователя мощных графических рабочих станций, которым необходимы высокая производительность и много вычислительных ресурсов. Такие сотрудники часто требуют 1-2 виртуальные машины на физический хост.

Классы решения виртуализации рабочих мест и число VM на хост (источник: НРЕ)

Операторы — массированный ввод/редактирование текста. Например, регистрация учётных данных, заявок, ввод информации в систему на основе данных опросников социологических и маркетинговых исследований, а также рабочие места торговых точек.

Офисные работники — офисные приложения с минимумом графики и мультимедийных возможностей (например, Microsoft Office). Соответствующие пользовательские рабочие места сегодня в большинстве организаций – это ноутбуки. Виртуализация рабочих мест может быть основана либо на виртуальных машинах, которые различными методами разделяют доступ к графическим ускорителям, либо на хостинге рабочих мест с выделенными ресурсами для каждого рабочего места, включая графические карты.

Пользователи графических систем — специализированные графические программы, для которых необходим графический ускоритель с существенно большей мощностью, чем у типовых графических карт в ноутбуках. Соответствующие пользовательские рабочие места – это стационарные рабочие станции с графическими ускорителями.

Дизайнеры-конструкторы/медийщики представляют группу пользователей, наиболее требовательных к графическому функционалу платформы. Соответствующие пользовательские рабочие места – это высокопроизводительные графические станции с высокими мультимедийными характеристиками.

• Решение Hosted Desktop Infrastructure

Это сценарий для виртуализации рабочих мест с достаточно высокой вычислительной производительностью, качественной графикой и максимальной автономностью каждого рабочего места. В качестве физических машин применяются специализированные платформы

• HPE Moonshot 1500. Позволяет размещать до 45 физических машин в стойке 4.3U.
• HPE Edgeline EL4000 – до 4 физических машин в слоте 1U.
• Гиперконвергентная система HPE Simplivity
  

На каждое рабочее место выделяется физическая машина с характеристиками: четырехъядерный CPU с интегрированным графическим процессором до 64 GB RAM и до 8 TB GB SSD,2 x 1/10 GbE LAN. В рамках одного шкафа размером 42U возможно размещение 315 мощных рабочих мест.

Появление новых вычислительных модулей – картриджей HPE Moonshot – позволяет реализовывать решения с использованием виртуализации сессий (картриджи HPE ProLiant m510 и HPE ProLiant m710x) и решения для графически активных пользователей (картридж HPE ProLiant m710x).

HPE в качестве программной оснастки для подобных комплексов рекомендует программные платформы Citrix XenDesktop и/или Citrix XenApp.

Решение виртуализации рабочих мест HPE

• Решение VDI Dell EMC

Dell EMC предлагает выбор архитектур VDI для различных сценариев применения на базе серверов Dell EMC PowerEdge. Архитектуры включают различные гипервизоры:

• Citrix® XenServer®;
• Microsoft® Hyper‑V®;
• VMware® ESXi™.

ПО для тонких клиентов:

• Citrix Virtual Apps и Citrix Desktop®;
• Microsoft Remote Desktop Services (RDS);
• VMware Horizon® и приложения Horizon.

Решение VDI Dell EMC (источник Dell EMC)

Dell EMC предоставляет возможность выбора из готовых архитектур (Dell EMC Ready Architecture) для систем VDI.

• Dell EMC Ready Architecture для VDI на базе VxRail

Полностью интегрированная и протестированная гиперконвергентная система HCI для VDI, разработанная совместно Dell EMC и VMware, – Dell EMC VxRail. Система подходит для растущих компаний, поскольку хорошо масштабируется, а также для сценариев, требующих ускорения графики на базе GPU.

• Dell EMC Ready Architecture для VDI на базе семейства гиперконвергентных систем XC с интеграцией ПО от Nutanix®

Решение также позволяет заказать предварительно сконфигурированную систему под требуемое число рабочих мест соответствующего класса, с предсказуемой стоимостью расширения в будущем. У системы лёгкий в использовании графический интерфейс, который позволяет быстро разворачивать нужное число рабочих мест с требуемой конфигурацией виртуальных машин. Система обладает большими возможностями для расширения – от 3 до 1024 узлов на кластер.

• Готовые узлы VDI на базе vSAN от VMware

Решение строится на основе серверов Dell EMC PowerEdge, которые предварительно сконфигурированы, протестированы и сертифицированы для работы VMware vSAN™ и ESXi.

• Программно-конфигурируемая система хранения для VDI на базе готовых узлов Dell EMC и Microsoft Storage Spaces Direct

Готовые «строительные блоки» обеспечивают надёжность и удобство работы с системой. Microsoft Storage Spaces Direct эффективно использует серверы PowerEdge  с локальными накопителями для создания масштабируемых хранилищ, недорогих по сравнению с традиционными массивами хранения.

Dell EMC Ready Architecture for VDI на базе серверов Dell Poweredge

Готовые пакеты решений для VDI Dell EMC – это референсные архитектуры с тремя уровнями: сервер, SAN и сеть. Они сертифицированы для использования с ПО для VDI от Citrix, Microsoft и VMware.

Решение Fujitsu Primeflex

Аппаратное решение Fujitsu PRIMEFLEX на базе серверов PRIMERGY RX2530/2540 используется вместе с платформой виртуализации VMware vSphere и может гибко конфигурироваться для небольших, средних и крупных предприятий. Минимальная конфигурация сервера – 2 узла, она может расширяться до 64 узлов.

В качестве СХД могут быть выбраны массивы SSD Fujitsu Eternus AF All-Flash или гибридная система Eternus DX. Для коммутаторов подойдут устройства Extreme Networks либо FC-коммутаторы Brocade от Broadcom, которые обеспечивают максимальную производительность системы.

Решение VDI Primeflex Fujutsu (источник: Fujutsu)

Данное решение может выбираться в предварительной конфигурации на 25, 50, 100, 200, 350 и 2800 виртуальных машин.