IO virtualisatie I/O voor netwerken

Transcriptie

1 IO virtualisatie I/O voor netwerken Virtualisatie technologieën vormen in snel tempo de basis voor moderne data centers. De drie daarvoor belangrijke kern technologieën zijn: server, netwerk en storage virtualisatie. De toepassing van virtualisatie in het open systems computing concept heeft de afgelopen tijd plaats gevonden door een snelle uitbreiding van het aantal toegepaste servers, vaak elk toegerust voor een dedicated applicatie of functie. Tegelijkertijd worden IT managers geconfronteerd met een explosie aan online data die de heterogene infrastructuur met zich meebrengt. Het resultaat is een bijna onbeheersbare infrastructuur met een onderbezetting van servers en storage systemen. Storage en servervirtualisatie bieden daarvoor een oplossing en werden de afgelopen jaren dan ook in toenemende mate in data centers toegepast. Het netwerk, zowel storage als IP, vormt het volgende doel op weg naar een volledig gevirtualiseerde data center. Daarin is I/O Virtualization (IOV) de ontbrekende schakel die van cruciaal belang is in het bereiken van een in hoge mate efficiënte infrastructuur. IOV komt tegemoet aan de nieuwe I/O behoeften, zoals die thans door de toepassing van server en desktop virtualisatie worden gesteld aan zowel storage als server systemen. De IOV technologie kan op de host, die is verbonden met het network en storage system, of in de infrastructuur worden toegepast. In dit artikel nemen we beide IOV benaderingen nader onder de loep en geven een beschrijving van de onderlinge verschillen maar ook de manier waarop ze eventueel kunnen samenwerken. Tekortkoming I/O van huidige server architectuur Het huidige serversysteem verschilt nauwelijks van zijn voorganger van enkele jaren geleden. Tot voor kort ondersteunde een enkele server slechts één applicatie waarbij alle geboden I/O capaciteit aan deze applicatie werd toegewezen. Daardoor moeten in de nieuwe gevirtualiseerde data center de Network Interface Cards (NICs) en Storage Host Bus Adapters (HBAs) op de meeste servers gedeeld worden tussen de verschillende Virtual Machines (VMs). In de traditionele serverarchitectuur waren de storage en message netwerken door twee aparte I/O adapter types (NICs en HBAs) gescheiden van elkaar: de HBAs waren verbonden met het Fibre Channel (FC) gebaseerde storage netwerken en de NICs met IP netwerken. Het probleem met de traditionele server architectuur bij de toepassing van virtualisatie is dat een gevirtualiseerde server veel meer netwerk en storage verbindingen vraagt en meer I/O bandbreedte. Vandaag de dag kunnen met iscsi, Network Attaches Storage (NAS) en Fibre Channel over Ethernet (FCoE) worden samengevoegd ( converged ) en in potentie allemaal op dezelfde fysieke adapter binnen de server worden aangesloten. De samenvoeging van I/O Bij de invoering van virtualisatie en convergentie moet elke VM nu nog meedingen naar de beschikbare I/O bronnen waardoor een adapter meerdere type netwerk en storage I/O verkeer moet kunnen afhandelen. De nieuwe snelle netwerken, als 10/40Gbps Ethernet, 10 Gbps FCoE, 300Gbps InfiniBand en 8/16 Gbps FC, bieden voldoende bandbreedte om aan deze vraag te kunnen voldoen, zoals die door alle VMs op de server wordt gevraagd. Daar ligt het probleem ook niet. De uitdaging is om te waarborgen dat de juiste VMs de juiste hoeveelheid bandbreedte op het juiste moment ter beschikking krijgen. Dat wordt in toenemende mate belangrijk wanneer servervirtualisatie in de derde fase belandt: de virtualisatie van veeleisende, mission-critical

2 applicaties. De eerste virtualisatie fase had voornamelijk betrekking op de toepassing binnen een test en ontwikkeling afdeling. De tweede fase, waarin we ons nu nog grotendeels in bevinden, betreft een low-priority, low-demand serveromgeving. Voor deze beiden fasen volstond nog een eenvoudige interrupt-gedreven, gelijke verdeling van I/Os over de VMs. Omdat mission-critical en prestatie eisende applicaties in toenemende mate worden gevirtualiseerd, kan de beschikbare I/O eenvoudigweg niet meer worden verdeeld tussen VMs waarbij elk op dezelfde manier wordt behandeld. Bepaalde VMs vereisen nu eenmaal een hoger serviceniveau (QoS) dan de andere en een voorspelbare prestatiefactor. Alleen wanneer aan deze voorwaarden wordt voldaan kan een geslaagde migratie van productie applicaties naar de virtuele omgeving plaatsvinden. Daarvoor is, naast storage en server, een volledige gevirtualiseerde I/O architectuur nodig. Er zijn een drietal methoden beschikbaar om virtual I/O te implementeren: op de netwerklaag, via een storage netwerk switch, of een I/O gateway device. Alle drie de I/O virtualisatiemethoden hebben als gemeenschappelijk doel de reductie van I/O flessenhalzen, die wordt gecreëerd doordat gevirtualiseerde servers allemaal meedingen naar de schaars beschikbare computerbronnen. Figuur 1: Traditionele data center architectuur (bron Emulex)

3 IOV op de netwerkadapter Bij de toepassing van I/O virtualisatie op de netwerklaag zijn er minder adapters nodig. Ze bieden een verbinding met een groot aantal VMs en bij toepassing van mission-critical VM applicaties met behoud van de juiste serviceniveaus. Bijvoorbeeld, een 10GbE netwerkadapter die virtual I/O ondersteunt, bezit de mogelijkheid om zich in meerdere virtuele adapters op te splitsen of de beschikbare bandbreedte op basis van een bepaald percentage aan van te voren gekozen VMs toe te wijzen. In een dergelijke toepassing kan een 10GbE virtuele kaart bijvoorbeeld in tien 1GbE virtuele kaarten worden opgedeeld. Een van deze virtuele kaarten kan in een pool aan meerdere VMs worden toegekend, en weer een ander aan een specifieke VM die een gegarandeerd prestatieniveau vereist. Omdat de I/O virtualisatie in hardware plaatsvindt, wordt de hypervisor op de server minder belast waardoor er meer CPU-cycles voor de server beschikbaar komen en de cpu cores niet onnodig worden geïnterrumpeerd voor de afhandeling van I/O sharing. Een andere nieuwe feature op virtual I/O kaarten is de mogelijkheid om een virtuele switch op de kaart te creëren waarmee twee VMs op dezelfde host direct met elkaar kunnen communiceren. In plaats van dat al het netwerkverkeer via de fysieke switch gaat, wordt het lokale verkeer binnen de fysieke host door de virtuele switch van het fysieke netwerk geïsoleerd. Ook dit verhoogt de interne VM prestaties en verbetert de netwerk efficiency. Deze vorm van I/O virtualisatie biedt de mogelijkheid om het gebruikte storage protocol te virtualiseren. Bepaalde type kaarten, Converged Network Adapter (CNA) genaamd, ondersteunen zowel FC, FCoE, 10Gbps Ethernet en iscsi. De CNAs zijn zo goed als transparant voor het operating system omdat het zowel de NIC, iscsi en FC functionaliteit vertegenwoordigt. De verwerking van het FC en iscsi protocol door de CNA biedt hogere prestaties en ontlast de cpu. Dergelijke virtuele I/O kaarten zijn beschikbaar van onder meer Brocade, Emulex en Qlogic. Naarmate grote data centers uitgebreide storage netwerken implementeerden werden ze geconfronteerd met een aantal beperkingen van het FC-protocol. Sommige zijn harde, zoals het maximum toegestane aantal van 239 switches binnen een storage fabric. Andere beperkingen kwamen geleidelijk aan het licht, zoals een afnemend fabric serviceniveau. In antwoord daarop heeft de FC-industrie virtual fabrics bedacht die deze beperkingen opheffen door de invoering van virtual SANs. Verschillende HBA leveranciers ondersteunen deze virtual fabric methode dat een enkele HBA toegang verschaft tot meerdere virtual fabrics.

4 Figuur 2: Traditionele vs Converged Network Adapter (bron Emulex)

5 IOV op de infrastructuur laag I/O kan zelfstandig binnen de infrastructuur zelf worden geïmplementeerd, maar ook in combinatie met de hiervoor beschreven netwerkadapters. Er bestaan twee type I/O virtualisatie methoden binnen de infrastructuur: virtualisatie van de switch infrastructuur en op basis van een gateway. De eerste is in feite een uitbreiding van virtual I/O op de adapter. De tweede biedt I/O virtualisatie in brede zin en is een private I/O fabric. De virtual switches maken het mogelijk om specifieke VMs een bepaald prestatieniveau binnen het netwerk te bieden. Op de switchlaag kunnen VMs worden herkend en bepaalde policy instellingen, waaronder prestatieniveau, daaraan worden meegegeven. De instelling is doorgaans beperkt tot een drietal waarden low, medium en high quality of service en totaal beschikbare bandbreedte. In plaats van instellingen per fysieke netwerkpoort kan dit ook op basis van een VM worden uitgevoerd. Dit is met name belangrijk in een gevirtualiseerde serveromgeving waarbij de netwerkinstellingen elke kunnen VM volgen wanneer deze naar een andere server wordt overgezet. De switchleveranciers werken aan de mogelijkheid om de virtuele switch te laten communiceren met de NICs zodat de ingestelde policies op kaartniveau door de complete infrastructuur tussen de hosts en switches kunnen worden doorgegeven. Zonder deze communicatie zou een VM op een host, die is ingesteld op een bepaald niveau beschikbare netwerk I/O bandbreedte, de instelling verliezen bij migratie van een VM naar een andere host. Tenslotte, bepaalde virtuele switches kunnen zichzelf ook virtualiseren waarmee meerdere onafhankelijke switches binnen het netwerk kunnen worden geïnstalleerd maar zich als één grote switch op het netwerk kunnen presenteren. Dat maakt een eenvoudiger beheer mogelijk omdat niet op iedere individuele switch afzonderlijk hoeft te worden ingelogd en beheerd. Dergelijke virtuele switches zijn beschikbaar van onder meer Brocade en Cisco.

6 Figuur 3: Virtual I/O switch (bron Cisco)

7 IOV gateways Virtual I/O gateways, van onder meer de firma Virtensys (onlangs overgenomen door Micron Technology) en Xsigo Systems, zijn virtuele switches in de vorm van een appliance. Daarin zijn storage en netwerk interface kaarten geïnstalleerd via welke de op het SAN aanwezige storage systemen als shared resources via een Ethernet of InfiniBand netwerk aan servers kunnen worden gepresenteerd. Tot op zekere hoogte kan een virtual I/O gateway als een verlengstuk van de PCI Express (PCIe) systeembusarchitectuur worden gezien, met dat verschil dat via de gateway er meerdere servers toegang hebben tot hetzelfde bussysteem. De gateway is dan ook geen switch, het is in feite transparant voor de switched infrastructuur. Vanuit het gezichtspunt van het LAN en SAN gezien lijkt het of de gateway direct met de servers zijn verbonden. De gateway biedt dedicated en geïsoleerde verbindingen die alle eigenschappen van de fysieke I/O behoud waardoor de functionaliteit van de netwerkswitches exact hetzelfde blijft, dat wil zeggen zonder het gebruik van een gateway. De I/O Director van de firma Xsigo maakt van een virtuele I/O switch gebruik om op flexibele wijze servers aan netwerken en opslagsystemen te verbinden. Deze virtuele I/O oplossing vervangt alle fysieke storage- en netwerkkaarten (de NICs en HBAs) op elke server door een enkele InfiniBand Host Channel Adapter (HCA). Op basis daarvan worden virtuele NICs en HBAs gecreëerd die on-thefly kunnen worden toegepast. Voor applicaties en operating systems maakt het niets uit, want deze zien geen verschil tussen de virtuele NICs en HBAs en hun fysieke NIC- en HBA tegenhangers. Op elke server wordt een interface kaart geïnstalleerd voor de verbinding met de I/O gateway. Dat kan een 10GbE of een InfiniBand kaart zijn. De interface kaarten op de I/O gateway kunnen, afhankelijk van de leverancier, proprietary of off-the-shelf PCIe kaarten zijn. Proprietary kaarten bieden meestal betere multihost eigenschappen, off-the-shelf kaarten hebben wat dat betreft meestal wat meer beperkingen. De door de gateway leverancier meegeleverde interface software driver biedt als voordeel dat de gateway is gevrijwaard van alle toekomstige upgrades. Alle servers hebben via dezelfde gateway kaart of driver toegang, wat de mogelijkheid biedt om te wisselen tussen de verschillende netwerk en storage protocollen. De firma Xsigo daarentegen volgt een andere benadering. De Xsigo I/O director is geen switch maar een verlengstuk van de PCI-X gebaseerde I/O bus die vanuit de server naar de I/O director met een enkele verbinding loopt en via welke zowel het netwerk als storage verkeer wordt getransporteerd. Omdat Xsigo globale I/O voorzieningen tussen servers biedt, maakt het directe server-to-server communicatie mogelijk, iets wat een switch niet kan. Het belangrijkste verschil tussen virtual de I/O gateway en virtual I/O op de netwerkadapter is dat de gateway via een enkele interface kaart de resources kan delen met meerdere servers. Dit biedt belangrijke voordelen met betrekking tot de connectiviteit en optimalisatie van resources. Een ander belangrijk voordeel is dat de gateway bescherming biedt tegen toekomstige upgrades. Als bijvoorbeeld het huidige storage systeem met de servers zijn verbonden via FC, dan zou een nieuw te installeren iscsi storage systeem de vervanging van, of toevoeging van, FC kaarten door Ethernet NICs vereisen (met uitzondering van servers die al uitgerust zijn met IOV adapters). De I/O gateway kaart op de server zou dan het zelfde blijven, alleen op de gateway is dan een shared iscsi kaart nodig. De enige verandering op de host is een softwareconfiguratie, maar er hoeft geen fysieke

8 wijziging plaats te vinden, in de vorm van kaarten installeren. Dit biedt niet alleen flexibiliteit bij de wijziging van het type netwerk of protocollen maar heeft ook minder server downtime ten gevolge. Figuur 4: Virtual I/O gateway (bron Xsigo)

9 Kiezen voor welk type I/O virtualisatie? Welke virtual I/O strategie het meest geschikt is voor een data center is grotendeels afhankelijk of verbeteringen op korte of lange termijn moeten worden gerealiseerd. Als er bijvoorbeeld een onmiddellijke noodzaak is om de storage en netwerk I/O prestaties te verbeteren op de serverlaag, dan kan het verstandig zijn om virtual I/O kaarten op de servers te installeren, in plaats van gewone 10GbE NICs. Als de data center netwerk en storage architectuur moet worden uitgebreid of vervangen, dan kan de invoering van virtual I/O op de switchlaag een mogelijkheid zijn die aansluit op de al mogelijke aanwezigheid van virtual I/O kaarten. Virtual I/O gateways of private I/O fabrics zijn meer interessant voor ondernemingen die hun bestaande infrastructuren willen gaan upgraden. Deze producten zijn ook beter bestand tegen toekomstige nieuwe ontwikkelingen en producten op de I/O virtualisatiemarkt. <kader Wat is I/O Virtualization?> Virtualisatie is een concept dat een functie, zoals storage, memory of processing, scheidt van de onderliggende fysieke hardware, zoals disks, ram en cpu s. Dit biedt de mogelijkheid om de fysieke hardware te delen met meerdere applicaties waarmee de gebruiksgraad kan worden verhoogd en de TCO-kosten verlaagd. Virtualisatie omvat drie aparte stappen: afscheiding van bronnen waarmee een onafhankelijk beheer mogelijk maakt; consolidatie in resource pools (waarmee de bezettingsgraad wordt verbeterd en kosten van stroom en ruimte bespaard) en tenslotte virtualisatie, de emulatie van de oorspronkelijke I/O functies als virtuele functies. I/O Virtualization (IOV) volgt hetzelfde concept. In plaats van elke server van aparte kaarten, kabels, netwerkpoorten en disken te voorzien, scheidt IOV de fysieke I/O van de servers af. Dit maakt het mogelijk om de I/O van meerdere servers, in bijvoorbeeld een IOV appliance, op te nemen. <einde kader>