برنامه نویسی،شبکه،نرم افزار

مجازی سازی، VMWare، ESX server

مقدمه

مفهوم مجازي‌سازي مفهوم تازه‌اي نيست. اين مفهوم در دهه 60، هنگامي كه از Mainframe ها استفاده مي‌شد، به وجود آمد. با پيشرفت‌هاي دنياي ديجيتال و خصوصا كامپيوتر و شبكه‌هاي كامپيوتري، يكي از نيازهاي كاربران و مديران دسترسي آسان و سريع به منابع و سرويسها با سرعت بالا بود. با توجه به گسترش ارتباطات و بالارفتن نرخ ارسال اطلاعات مشكل كمبود سرعت انتقال اطلاعات در حال بهبود يافتن بود. بعد از بالا رفتن توان پردازشيMainframeها، بيشتر مديران به سمت استفاده ازMainframe براي سرويس‌دادن به كاربران در زمان مناسب و با هزينه پايين رفتند. در راهبرد قديمي،Mainframe را به تعدادي ماشين مجازي به صورت منطقي تقسيم مي‌كردند(شكل 1) و براي پردازش كارهاي كاربران هر كدام از اين ماشينهاي مجازي را به كارهاي كاربران تخصيص مي‌دادند. در صورت بروز مشكل براي يك ماشين مجازي، ماشينهاي ديگر تحت تاثير قرار نمي‌گرفتند.

شکل 1-تقسيم يك Mainframe به ماشينهاي مجازي

بعد از ظهور نسل جديد سرورها -كه داراي توان بالا و قيمت پايين بودند- رويكرد قبلي به تدريج كمرنگ شد. با توجه به افزايش سرويسهاي جديد در شبكه‌ها، و نياز هركدام از اين سرويسها به سخت‌افزار و سيستم‌عامل اختصاصي، راهبرد جديد به "يك سرور يك سرويس" تغيير پيدا كرد. اين رويكرد در دهه 90 و اوايل دهه جاري مناسب بود، اما بعد از اينكه سرورها داراي سخت‌افزارهايي با توان بالا شدند، اين رويكرد نياز به بازنگري پيدا كرد. بعد از مانيتور كردن منابع استفاده شده در سرورها مشاهده شد كه در تعداد كثيري از سرورها ميزان استفاده از منابع كمتر از 20% مي باشد. اين رويه باعث بالا رفتن هزينه و مصرف انرژي و در عين حال كاهش بهره‌وري سخت افزار مي‌شد. با توجه به اين مسائل در راهبردهاي جديد هدف كاهش هزينه، بالابردن بهره‌وري سخت افزار و مديريت آسانتر و كاراتر سرورها بود. در (شكل 2) اين مساله نشان داده شده است. بنابراين اين مسائل مديران و متخصصان شبكه را به سمت قرار دادن سرورهاي مختلف بر روي يك سخت‌افزار قدرتمند سوق داد. در راهبرد جديد هدف قراردادن سرويس‌هاي متنوع بر روي يك سخت افزار به صورت متمركز و با هزينه كمتر بود تا از اين طريق مديريت آن آسانتر، كم هزينه‌تر ، فرايندهاي نگهداري و پشتيبان‌گيري راحتتر، ميزان در دسترس بودن و قابليت اعتماد آن بالاتر باشد.

شکل 2- روند صعودي در روش قبلي در مقايسه با راهبرد جديد

مجازي‌سازي را انتزاع منابع كامپيوتر تعريف مي‌كنند. اين انتزاع مي‌‌تواند موارد زير باشد. :

پلتفرم: سيستم عامل را از سخت‌افزار جدا مي‌كند.
Desktop: يك Desktop را به همراه OS، كاربردها و منابع سخت افزاري آن شبيه‌سازي مي‌كند.
كاربردها: كاربردها را به صورت مستقل از سيستم عامل ايجاد مي‌كند.
منابع: شبكه ،I/O ،حافظه، منابع ذخيره‌سازي و حافظه مجازي

در اين مقاله، مجازي‌سازي به مفهوم جداسازي لايه سخت افزار از سيستم عامل بكار رفته است. در اين مفهوم با توجه به جداسازي صورت گرفته، يك سيستم عامل به راحتي مي‌تواند بر روي سخت افزارهاي مختلف اجرا شود و در مقابل نيز بر روي يك سخت افزار، سيستم عامل هاي مختلف مي‌توانند اجرا شوند.. در شكل 3 تفاوت يك سيستم واقعي -كه در آن يك سيستم عامل به همراه كاربردها بر روي يك سخت افزار خاص قرار گرفته است- در مقابل ماشين‌هاي مجازي -كه هر كدام داراي سيستم‌عامل مختلف بوده و داراي محيط اختصاصي مي‌باشند- و بر روي يك سخت‌افزار وجود دارند، نشان داده شده است. همانطور كه در شكل پيداست، هدف ارائه يك ديد يكپارچه از سخت افزار به سيستم‌عامل‌ها است.

شکل 3- مقايسه سيستم واقعي و مجازي

با توجه به جذابيت‌هاي اين تكنولوژي براي كاربران و مديران شبكه‌ها، لازم است ابعاد این تکنولوژی به درستي درك شده و پياده سازي آن با دقت و صحت صورت گيرد تا مزايا و نتايج قابل انتظار آن حاصل شود. در بين محصولات مجازي‌سازي محصولات شركت VMware در مقابل شركت‌هاي رقيب اصلي – Microsoft،Citrix و IBM - بيشترين اقبال را بين استفاده‌كنندگان از مجازي‌سازي بدست آورده است. محصولاتي كه VMware ارائه كرده داراي امكانات بيشتر و كارايي بالاتر بوده‌اند، بنابراين ما براي معرفي از محصولات شركت VMware استفاده كرده‌ايم. بر اساس آمار، درصد استفاده از محصولات اين شركت براي مجازي‌سازي بيش از 70% مي‌باشد.

شکل 4 - مقايسه سهم هر كدام از توليدكنندگان نرم‌افزارهاي مجازي سازي از بازار

اگر به جاي سرورها، مجازي سازي را براي Desktopهاي كاربران انجام دهيم به آن Desktop Virtualization يا VDI گفته مي‌شود. تفاوت اساسي مجازي‌سازي سرورها با Desktopها در تعداد زيادتر Desktopها و منابع كمتر مورد نياز آن به نسبت سرورها و خود تفاوت ذاتي كار يك سرور و يك Desktop است. به هر كدام از Desktopها يا سرورها يك Virtual Machine يا VM گفته مي‌شود. علت اطلاق ماشين مجازي با آن داشتن تمام منابع نرم‌افزاري و سخت‌افزاري يك سيستم فيزيكي مستقل است.

شركت هاي مختلفي در ايران در حال استفاده از اين تكنولوژي هستند. اكثر شركت هايي كه خدمات Data Center ارائه مي‌كنند براي مثال داده‌پردازي ‌ايران يا پارس‌آنلاين اين تكنولوژي را پياده كرده‌اند. يكي از شركتهاي فعال در اين زمينه شركت همكاران سيستم است كه در اين عرصه جزء يكي از پيشتازان است.

جزئيات تكنولوژي مجازي‌سازي

براي مجازي‌سازي از يك نرم‌افزار خاص جهت جداسازي منابع فيزيكي استفاده مي‌شود تا يك ديد يكپارچه از سخت‌افزار به VM داده شود و به نوعي تنوع سخت‌افزاري از ديد VMها پنهان شود. لايه جداسازي امكان داشتن چند VM‌ بر روي هر سخت افزار فيزيكي را مي‌دهد. هريك از ‌VMها مي‌توانند داراي سيستم‌عامل و محيط خاص خود باشند و آن را اجرا كنند. اگر راه‌اندازي ‌VM در لايه جداسازي به‌ درستي صورت گيرد، سيستم‌عاملي كه روي‌ ‌VM اجرا مي‌شود، درست مثل اين‌كه روي خود سخت افزار نصب شده باشد، كار مي‌كند. سيستم‌عامل ميزبان ‌(ESX Server)در لايه اول قرار دارد(در شكل 1 بخش سبز رنگ است) و مستقيما بر روي سخت‌افزار فيزيكي نصب مي‌شود. سيسستم‌عامل‌هاي ميهمان(guest)، تحت كنترل نرم‌افزار مجازي‌سازي و روي ‌VMهاي اختصاصي خودشان اجرا مي‌شوند. سيستم‌عامل‌هاي ميهمان از طريق لايه مجازي‌سازي به ‌منابع ماشين فيزيكي (كامپيوتر يا سرور اصلي) دسترسي دارند.

بخش كليدي در ساختن لايه جداسازي، معمولا Hypervisorاست. اين قسمت از نرم‌افزار مسئول به‌اشتراك گذاشتن منابع فيزيكي كامپيوتر بين ‌VMهايي است كه روي آن اجرا مي‌شوند. نوشتن برنامه‌ Hypervisor كار ساده‌اي نيست. چون اين برنامه بايد طوري به‌سيستم‌عامل ميهمان وانمود كند كه انگار كنترل سخت افزار واقعي سيستم را در دست دارد. براي انجام اين كار،‌VMM در سطح پردازنده، يعني حلقه صفر، كار مي‌كند. سيستم‌عامل ميهمان يك سطح بالاتر و در حلقه يك اجرا مي‌شود. اكثر سيستم‌عامل‌ها برنامه‌هاي كاربردي را در حلقه سه اجرا مي‌كنند. در اين سطح حفاظتي، برنامه‌هاي كاربردي مجوزهاي محدودي دارند و نمي‌توانند كارهايي را انجام دهند كه به ‌از كارافتادن سيستم‌عامل يا خطرات امنيتي منجر مي‌شوند. اجرا‌كردن ‌‌OS در حلقه يك باعث مي‌شود‌ Hypervisor عمليات مختلفي را كه سيستم‌عامل مي‌خواهد انجام دهد (مثلا دسترسي به‌حافظه)، تشخيص دهد وخودش آن‌ها را انجام دهد. ‌

بخش مهم ديگر در ساختن VM، جداسازي لايه سخت‌افزار است. نرم‌افزار ‌VM بايد براي ‌‌OS ميهمان، دستگاه‌ها و سخت‌افزارهاي مختلف، نظير چيپ ست IDE، كارت شبكه و كارت اسكازي را به‌طور مجازي شبيه‌سازي كند. هر يك از نرم‌افزارهاي ‌VM،‌ سخت‌افزارهاي خاصي را شبيه‌سازي مي‌كنند در ضمن، دستورات و داده‌هايي كه سيستم‌عامل ميهمان به‌اين دستگاه مجازي ارسال ‌مي‌‌كند، از طريق نرم‌افزار ‌‌VM براي سخت‌افزار فيزيكي موجود ترجمه و فرستاده مي‌شود.

با استفاده از دستگاه‌هاي سخت‌افزار مجازي، اين امكان به وجود مي‌آيد كه سيستم‌عامل ميهمان را روي كامپيوتري با سخت‌افزار كاملا متفاوت كپي كنيم و بدون مشكل به‌كار خود ادامه دهيم. Hypervisor مسئول فرستادن داده‌ها و دستورات از دستگاه مجازي به‌دستگاه فيزيكي است. براي مثال، محصولات ‌VM مايكروسافت، كارت شبكه‌ ‌‌Intel 21141 و محصولات VMware‌ هم كارت ‌‌AMD PCnet را شبيه‌سازي مي‌كنند.‌

برای مجازي‌سازي نياز به داشتن يك زير ساخت است. در شكل 5 زير ساخت لازم براي مجازي سازي به كمك محصولات شركت VMware نشان داده شده است. همانطور كه در شكل پيداست، در سه لايه پايين با سخت افزارها سروكار داريم. در اين بخش بايد سرور، شبكه ارتباطي و حافظه لازم به همراه نرم افزارهاي شركت VMware خريداري شود. بدون داشتن سرورهاي سخت‌افزاري مناسب ، شبكه سرعت بالا و حافظه اي با ظرفيت و سرعت بالا عملا نمي توان از قابليت‌‌هاي اين تكنولوژي بهره برد. بعد از نصب سيستم عامل ESX Server بر روي سرورها مي‌توان به كمك يك رابط كاربر(بخش سبز رنگ) مديريت بقيه مراحل ايجاد زيرساخت را انجام داد. در قسمت خاكستري رنگ سروريسهايي كه اين زيرساخت ارائه مي كند نشان داده شده است. براي مثال از VMotion براي انتقال يك سرويس در حال اجرا از روي يك سرور به سرور ديگر مي توان استفاده كرد.

شکل 5 - زير ساخت مجازي سازي برايمحصولات شركت VMWare

پياده‌سازي سرورها به وسيله VMware ESX Server نه تنها بودجه يك سازمان را حفظ مي‌نمايد، بلکه محيطي به مراتب ايمن‌تر و مناسب‌تر را فراهم مي‌كند و زمان کمتري را براي رفع اشکالات نسبت به سرورهاي واقعي نياز دارد. با توجه به اينكه هزينه‌هاي ارتقا، نگهداري و رفع اشكال سيستم‌ها و سرورها بالا بوده و هر سيستم بعد از مدتي كاركردن مستهلك شده و نياز به تعويض يا ارتقا دارند بنابراين يكي از مسائل مهم در مديريت شبكه‌ها هزينه‌هاي نگهداري است. در راهبرد جديد تمام اطلاعات در مراكز داده نگهداري مي‌شود و با توجه به اينكه امروزه سخت‌افزارهايي استفاده مي‌شود كه عمر بالايي دارند و اغلب نيازي به ارتقا نداشته و هزينه پشتيباني آن هم به مراتب كمتر مي‌باشد بنابراين سيستم هاي جديد داراي امنيت بالاتر، هزينه پايين‌تر و قابليت دسترسي راحت‌تري هستند. لازم به ذكر است مديريت اين سيستم‌ها بسيار آسان‌تر است و فرايندهاي ايجاد، نگهداري و حذف به راحتي و از طريق يك رابط كاربر و تحت وب قابل انجام است. دسترسي آسان از عواملي تاثيرگذار بر گرايش به سوي اين راهبرد جديد بوده است. در تمام نقاط داخل شبكه سازمان، مديران براحتي مي‌توانند به سيستم‌ها بصورت امن دسترسي داشته باشند. مجازي‌سازي شرکتها را قادر مي‌سازد تا به ازاي سخت افزار موجود از آنها استفاده بهينه شده و بازدهي سرورها افزايش يافته و كارايي سخت افزار موجود را از ۵ تا ۷۰ درصد افزايش دهند. با استفاده از VMware ESX قادر به ايجاد ديتا سنتر هاي اتوماتيک و دايناميک خواهيد بود که اين Data Center ها داراي كارايي، توسعه پذيري و قابليت اعتماد بالايي خواهند بود. با استفاده از اين برنامه‌ها مي‌توانيد از يك سرور براي چند كاربرد مختلف استفاده كنيد و يا كامپيوتري با چند سيستم‌عامل كاملا مستقل داشته باشيد و از آن براي تست نرم‌افزار و يا دادن سرويسهاي مختلف استفاده كنيد.

سوالي كه اغلب مطرح مي شود اين است كه يك برنامه تحت چه شرايطي نبايد بر روي سرور مجازي قرار گيرد؟ يكي از معيارهاي اصلي ما نياز يك برنامه به پردازشگر است. اگر برنامه براي مدت طولاني به پردازشگر نياز داشته باشد پس براي سرور فيزيكي مناسب است. بنابراين اگر در يك بازه زماني طولاني ميزان استفاده از پردزاشگر بيشتر از 80 درصد باشد در اينصورت اين برنامه مناسب استفاده در محيط مجازي نخواهد بود و برنامه به يك پردازشگر اختصاصي نياز دارد. آيا يك خط مبنا براي هر برنامه انتخاب مي‌شود يا يك خط مبنا براي تمام برنامه‌ها؟ امروزه هر برنامه جديد مورد آزمايش قرار مي‌گيرد. پردازشگر مانيتور مي‌شود و سپس تعيين مي‌شود كه برنامه حذف شود يا بماند..

دستاوردها و مزاياي مجازي‌سازي

تکنولوژي‌هاي مجازي‌سازي راه و روش کسب‌و‌کار و تفکر ما را بهبود بخشيده‌اند. داشتن يك سرور قدرتمند و اجراي مجموعه مختلفي از سرويسها بر روي آن و يا داشتن مجموعه اي از سرورهاي ارزان و بهره‌وري حداكثري از منابع آن يكي از علل اصلي گرايش به سمت مفهوم مجازي‌سازي بوده است. مجازي‌سازي تكنولوژي جديدي است كه هر مدير شبكه‌اي و هر كاربر كامپيوتري مي‌تواند از مزاياي آن بهرمند شود. كاربران متعدد و شركت هاي مختلفي در سراسر جهان از راه‌حلهاي مجازي‌سازي VMware به عنوان يك راه حل مفيد و سودمند براي مديريت IT در راستاي كاهش هزينه، افزايش كارايي، انعطاف پذيري و بهره‌وري از سخت افزارها در سازمانهاي خود، استفاده مي‌كنند. به طور كلي مزاياي مجازي‌سازي را مي‌توان به صورت زير دسته بندي كرد:

يكپاچه‌سازي سرورها و بهينه‌سازي زيرساخت: يكي از بزرگترين مشكلات سازمانهاي بزرگ تهيه و نگهداري سخت‌افزار كاربران است. اين مساله وقتي سازماني به صورت پراكنده باشد بسيار بحراني‌تر خواهد شد زيرا فرايندهاي ارتقا ، تعمير و به روزرساني بسيار وقتگير است. مجازي‌سازي امكان بهره‌وري حداكثري از منابع را با بهره‌گيري از تمام منابع و شكستن سنت" يك سرور براي يك كاربرد "، مي‌توان از منابع به صورت بهينه استفاده كند.
كاهش هزينه زيرساخت فيزيكي: با مجازي‌سازي تعداد سرورها و سخت‌افزارهاي مرتبط با آن در ديتاسنتر‌ها به مقدار قابل ملاحظه‌اي كاهش مي‌يابد. هر چه تعداد سرورها كمتر باشد، باعث كاهش فضاي مورد نياز ، تجهيزات برقي و تهويه مطبوع خواهد شد كه هر كدام به نوبه خود تاثير فزاينده‌اي دركاهش هزينه ها خواهند داشت.
بهبود قدرت پاسخگويي و انعطاف‌پذيري اعمال: مجازي‌سازي يك روش جديد مديريت زيرساخت در راستاي كمك به مديرانIT است تا با كاهش اعمال تكراري مانند پيكره‌بندي، مانتيتورينگ، نگهداري و provisioning درصرفه‌جويي زمان اين مديران نقش بسزايي داشته باشد.
بالا بردن ميزان در دسترس بودن كاربردها و بهبود دوام كسب و كار : از بين بردن ميزان زمانهاي downtime Planned و بازيابي سريع در هنگام بروز خرابي‌هاي پيش‌بيني نشده و قابليت پشتيبان‌گيري امن و انتقال تمام محيطهاي مجازي بدون وقفه در سرويس است.
مديريت و امنيت بهتر: توانايي بكارگيري، مديريت و مانيتور كردن محيطهاي Desktop به صورت امن كه قابل اجرا بر روي هر سيستم كامپيوتر مي‌باشد و كاربران نهايي مي‌توانند به صورت محلي يا از راه دور با يا بدون ارتباط شبكه‌اي استفاده كنند. در صورت خرابي و بروز مشكل براي يك سيستم بلافاصله قابل جايگزيني هستند و داده‌هاي شخصي هر شخص را هم مي‌توان به صورت جدا از خود سيستم مجازي ذخيره كرد.
ارتقاء و بروزرساني آسان : در صورت كم بودن منابع سخت‌افزاري تخصيص‌يافته به يك ماشين به راحتي مي‌توان به منابع ماشين اضافه كرد. براي به روز رساني به راحتي مي‌توان سيستم‌هاي متعددي را بدون نياز به انتقالات زياد، به روز رساني كرد.
امكان حمايت از Remote Developer: براي شركتهايي كه با مشترياني به صورت برون‌سپاري كار مي كنند، مساله امنيت داده‌هاي آن بسيار مهم است. با اين تكنولوژي به راحتي داده ها به صورت امن در حافظه هاي داخل سازمان نگهداري خواهد شد.

مزاياي مطرح شده تنها بخشي از قضيه است. در كنار مزاياي مطرح شده هر روش يا تكنولوژي جديدي داراي معايبي خواهد بود. عمده معايبي آن عبارتند از:

نياز به بستر مجازي سازي و بستر شبكه مناسب
نياز به سخت افزار گران(كلاسهاي سرور قوي) و SAN
نياز به افراد خبره جهت راه اندازي و نگهداري VI

لازم به ذكر است تلاشهاي زيادي در راستاي بهبود كارايي اين تكنولوژي در حال انجام است. شركتها سازنده تجهيزات شبكه‌ مانند سيسكو وHP در حال بالابردن ميزان حمايت تجهيزات توليدي خود از اين تكنولوژي جديد اند. براي مثال يكي از توليدات اخير سوييچهاي كلاسهاي Cisco Nexus 1000V مي‌باشد كه محصول همكاري دو شركت است.

آينده اين تكنولوژي

نرخ رشد ارتباطات سيار در حال بهبود است و در كنار آن محاسبات ابري يكي ديگر از مباحث جذاب و در حال رشد شبكه‌هاي كامپيوتري است. با توجه به اين مسائل و مزاياي مجازي سازي در آينده اكثر سرويسها بر روي سخت افزارهاي قوي و با قابليت اطمينان بالا و بصورت مجازي‌سازي شده عرضه خواهند شد. سرويسهاي اين تكنولوژي هنوز نياز به بهبود دارد و شركت‌هاي سخت‌افزاري در حال بالابردن ميزان حمايت محصولات خود از مجازي‌سازي هستند.

مويد اين مطلب، محصولات شركت سيسكو و HP و حمایت بزرگان عرصه IT از مجازي‌سازي است. محصول جديد شركت VMware كه در آوريل 2009 با نام VSphere ارائه شد، تاييدي بر اين ادعاست. شركت HP در 21 آوريل سال جاري اعلام حمايت از محصول جديد در سرورهاي HP Proliant و BladeSystem G6 كرد. اين محصول جديد باعث ايجاد تحولي شگرف در بازار شد و اين اميد را زنده نگه داشت كه آينده به سوي مجازي‌سازي پيش خواهد رفت. در اين محصول سرويسهاي مختلف به كاربران بدون نياز به نصب نرم‌افزارهاي مختلف بر روي سيستم‌هاي آنها قابل ارائه است.

به طور خلاصه مي توان گفت : براي مجازي‌سازي ، نويدهايي در رابطه با صرفه‌جويي در سخت‌افزارها و كاهش در تعداد و تنوع سرويس دهنده ها مي‌دهد. با كاربردي شدن فناوري محاسبات ابري، سرويس‌ دهنده ها به كلي از اين معادله خارج مي‌شوند. سازمان‌ها فضاي مورد نياز براي ذخيره اطلاعاتشان را روي سرويس‌ دهنده هاي مجازي اجاره مي‌كنند، از طريق اينترنت به آنها دسترسي دارند و از راه دور پردازش‌هاي لازم را با استفاده از پردازش‌گرهاي مستقر در مراكز داده‌ها انجام مي‌دهند. مشتريان تنها براي چيزي كه استفاده مي‌كنند پول مي‌پردازند و به اين ترتيب مقادير قابل توجهي در هزينه‌هاي دريافت خدماتي مانند روشنايي، گرما و سرما، صرفه‌جويي مي‌كنند.