Teil 1:  Einführung und Überblick

Teil 1 von 19 aus der Serie "Virtualisierungstechniken"

Seit Mitte 2007 ist die Virtualisierung in aller Munde. Eigentlich ist der Netzwerker es nicht so sehr gewohnt, sich mit Betriebssystem- und Anwendungskonzepten auseinanderzusetzen. Vielmehr war es ja das Bestreben der letzten Jahrzehnte, ein möglichst universelles Netz zu schaffen, mit dem man einerseits alles verbinden konnte, was man verbinden wollte und welches man durch entsprechende Konzepte skaliert hat, wenn es einmal eng wurde. Im Bereich eines RZ-Netzes kann die Virtualisierung aber weitreichende Konsequenzen haben, auf die man vorbereitet sein muss. Gleichzeitig wird bewusst, dass Virtualisierung und I/O-Konsolidierung eng miteinander verknüpft sind. Leider informieren die Hersteller von Virtualisierungssoftware nur sehr oberflächlich, weil sie viel Wissen über die inneren Mechanismen eines Betriebssystems voraussetzen. Dadurch fällt es dem Netzwerker schwer, einzuschätzen, was da eigentlich passiert. Genau diesem Mangel soll diese Serie abhelfen und das Verständnis für die Mechanismen der Virtualisierung soweit fördern, dass die Konsequenzen für RZ-Netze besser eingeschätzt werden können.

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Teil 2:  Prozesse in klassischen Betriebssystemumgebungen

Teil 2 von 19 aus der Serie "Virtualisierungstechniken"

Die Hersteller von Virtualisierungssoftware zeigen immer so kleine Bildchen mit kleinen virtuellen Maschinchen. Das ist mehr als ärgerlich, denn erstens ist es fundamentaler Unsinn und, als sei das noch nicht genug, verdeckt es problematische Stellen. Aus didaktischer Perspektive ist es viel günstiger, sich dem Thema über eine Prozesssicht zu nähern. Daran kann man alles erklären. Betriebssysteme haben sich über mehrere Jahrzehnte entwickelt. Dadurch haben auch an und für sich gleiche oder ähnliche Dinge unterschiedliche Namen bekommen. Für diese Erklärung verwende ich eine abstrakte Nomenklatur. Sie werden verstehen, was ich meine, aber es kann in Ihrem konkreten Betriebssystem anders heißen.

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Teil 3:  Vom Urvater „IBM VM“ zu moderner Virtualisierungssoftware

Teil 3 von 19 aus der Serie "Virtualisierungstechniken"

Wenn wir jetzt zur Virtualisierung übergehen, wird Ihnen Teil 2 beim Verständnis sehr helfen. Virtualisierung ist nicht wirklich neu und am Urvater aller Virtualisierungssysteme, dem IBM VM, lässt sich schon Einiges verdeutlichen. Danach folgt ein Überblick über drei moderne Systeme.

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Teil 4:  Grundsätzliche Konstruktionsalternativen und Transaktionsverarbeitung

Teil 4 von 19 aus der Serie "Virtualisierungstechniken"

Es gibt eine Reihe grundsätzlicher Konstruktionsalternativen für Virtualisierungssoftware. Sie haben einen unmittelbaren Einfluss auf die Leistung. Betreiber haben normalerweise vor allem ein Interesse an einer schnellen Transaktionsverarbeitung. Wir werden zeigen, dass virtualisierte Systeme hier unabhängig von ihrer Grundkonstruktion einen massiven Vorteil gegenüber konventionellen Betriebssystemen haben.

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Teil 5:  VM-Kommunikation

Teil 5 von 19 aus der Serie "Virtualisierungstechniken"

Der Hersteller VMware hat eine genaue Vorstellung von der Zukunft: Es gibt eine virtuelle Infrastruktur, die alle möglichen Hardwarekomponenten vereinigt und allen Anwendungen vermöge virtueller Maschinen den Zugriff darauf erlaubt. Das hat natürlich durchaus seinen Charme und mit der später zu besprechenden vShpere sind sie der Sache schon ziemlich nahe gekommen. Auf dem Weg dorthin sind allerdings noch einige praktische Probleme zu lösen.

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Teil 6:  Wandernde virtuelle Maschinen

Teil 6 von 19 aus der Serie "Virtualisierungstechniken"

Das „Aufräumen“ vieler kleinerer Server mit ihren Speichersystemen auf einige wenige leistungsfähige moderne Server und die Virtualisierung der „aufgeräumten“ Server ist ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zu einem modernen Rechenzentrum. Doch damit sind die möglichen Vorzüge der Virtualisierung längst nicht ausgeschöpft. Das, was viele Betreiber noch mehr interessiert, sind Konzepte für Redundanz, Fehlertoleranz, Hochverfügbarkeit und flexible Lastverteilung. Dafür ist aber die Möglichkeit erforderlich, eine VM von einem physischen Server auf einen anderen bewegen zu können. Darüber hinaus ist die VM-Wanderung eine wichtige Grundlage für die zukünftige Skalierbarkeit der Leistungen eines RZs.

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Teil 7:  Virtualisierung und Speichertechnologie

Teil 7 von 19 aus der Serie "Virtualisierungstechniken"

Durch die Vision, dass prinzipiell alle VMs auf gemeinsam nutzbare Speicher-Ressourcen zugreifen können, entsteht ein ganzes Problemuniversum. In dieser Reihe werden wir uns noch mehrfach damit befassen. In dieser Folge geht es zunächst um grundsätzliche Fragestellungen.

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Teil 8:  Weitere Virtualisierungsthemen

Teil 8 von 19 aus der Serie "Virtualisierungstechniken"

Bevor wir technisch tiefer in das zentrale Thema „VM-Kommunikation“ einsteigen, fassen wir in dieser Folge eine Reihe von Themen zusammen, die vor allem zeigen, wie sich die Grundidee der Virtualisierung auch auf andere Bereiche ausdehnen lässt, nämlich Desktop-Virtualisierung, Applikations-Virtualisierung, SOA und Cloud Computing. Sie sind alle sehr neu, werden von Interessenten als strategisch besonders wichtig herausgestellt, haben aber auch deutliche Risiken und Nebenwirkungen.

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Teil 9:  vSphere und Zwischenfazit

Teil 9 von 19 aus der Serie "Virtualisierungstechniken"

Nach acht Folgen ist es Zeit, ein Zwischenfazit zu ziehen, bevor auf weitere technologische Entwicklungen und Feinheiten eingegangen wird. Dazu ist es auch nützlich, sich einmal den momentanen Höhepunkt der Produktentwicklung von Virtualisierungssoftware anzusehen: vSphere.

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Teil 10:  I/O-Konsolidierung

Teil 10 von 19 aus der Serie "Virtualisierungstechniken"

Sollen VMs freizügig auf Betriebsmittel zugreifen können, ist es nicht besonders sinnvoll, wenn sie dies über unterschiedliche Medien bzw. Netze erledigen müssen. Das erhöht die Komplexität und erschwert die VM-Wanderung erheblich. Problematisch ist hier vor allem der Speicherzugriff, weil in der Vergangenheit SANs häufig mit Fibre Channel aufgebaut wurden, alle anderen Betriebsmittel jedoch über Ethernet zu erreichen sind. Mit der I/O-Konsolidierung möchte man hier Abhilfe schaffen.

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Teil 11:  Virtualisierung und I/O: die Grenzen des Hypervisors

Teil 11 von 19 aus der Serie "Virtualisierungstechniken"

Bisher hatten wir die Kommunikation von VMs dadurch realisiert, dass ein virtueller Switch die Aufgaben erledigt. Das ist auch schön und gut, bedeutet aber in der Praxis, dass die gesamte Kommunikation durch den Hypervisor laufen muss. Dieser hat aber eigentlich schon genug zu tun und kommt durch zu viele Aufgaben schnell an seine Leistungsgrenzen. Also sind in der Zukunft Konzepte gefragt, die den Hypervisor erheblich entlasten oder ganz umgehen.

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Teil 12:  Virtual I/O

Teil 12 von 19 aus der Serie "Virtualisierungstechniken"

Unsere Kernfrage ist immer: was bedeutet Virtualisierung für RZ- und Corporate Networks? Heutige virtualisierte Systeme haben oftmals noch deutliche Grenzen hinsichtlich ihrer I/O-Fähigkeit. Das wird sich aber sehr schnell ändern und sie werden ebenfalls 10- oder 40-Gb-Anschlüsse nutzen können. Das liegt einerseits an der Schaffung virtualisierungsbewusster Prozessorarchitekturen und andererseits an geschickten funktionellen Verlagerungen. Wir werden das nicht nur abstrakt diskutieren, sondern konkrete, jetzt erhältliche Systeme und neue Standards vorstellen, die ein wesentlich höheres Leistungsniveau erreichen, um die Dramatik der Entwicklung zu unterstreichen.

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Teil 13:  SR-IOV

Teil 13 von 19 aus der Serie "Virtualisierungstechniken"

Die besten Konzepte für Netzwerke im Rack und darüber hinaus nützen gar nichts, wenn das Problem der Hypervisor-Überlastung nicht systematisch gelöst wird. Dazu gibt es einen sehr interessanten Standard von PCI-SIG, den sogenannten SR-IOV (Single Root – I/O Virtualization), der vor allem deshalb so eine hohe Bedeutung hat, weil er letztlich eine Erweiterung von PCIe , dem aktuell wichtigsten und erfolgreichsten aller internen Bus-Systeme, ist. Hardware-Hersteller orientieren sich an diesem Standard. Also reicht es aus, sich exemplarisch anzusehen, was der Prozessor-Gigant Intel genau aus diesen Vorgaben macht, welche Anreicherungen es noch zusätzlich gibt und wie sich das Ganze sowohl in der Prozessorarchitektur als auch in erhältlichen Produkten niederschlägt.

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Teil 14:  Prozessorarchitekturen und SR-IOV

Teil 14 von 19 aus der Serie "Virtualisierungstechniken"

In dieser Serie können die Weiterentwicklungen der Prozessorarchitekturen nicht insgesamt dargestellt und gewürdigt werden. Deshalb werde ich am Beispiel der Intel Nehalem-Architektur einige wesentliche Trends zeigen und dann die Verbesserungen hinsichtlich der I/O für die Virtualisierung genauer betrachten.

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Teil 15:  Zur Kommunikation virtueller Maschinen unter besonderer Berücksichtigung von SR-IOV, DirectPath und VNLink

Teil 15 von 19 aus der Serie "Virtualisierungstechniken"

Die in den letzten Folgen vorgestellte I/O-Virtualisierung mit SR/IOV ist eine Leistung der Hardware. Spannend ist aber jetzt die Frage, wie die virtuellen Maschinen diese Leistung auch nutzen können. Es gibt hier unterschiedliche Standardisierungsbestrebungen, die wir in einer späteren Folge betrachten. Greifbar sind aber heute vor allem DirectPath ab VMware vSphere 4.1 und VNLink von Cisco.

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Teil 16:  Hoch leistungsfähige VM-Migration

Teil 16 von 19 aus der Serie "Virtualisierungstechniken"

Eine der nützlichsten mit der Virtualisierung einhergehenden Eigenschaften ist die Möglichkeit, VMs zwischen laufenden Betriebssystemen auf voneinander entfernten, durch ein Netzwerk verbundenen Knoten bewegen zu können. Dies ist heute die Grundlage vieler administrativer Werkzeuge in Cloud-RZs und anderen leistungsorientierten Rechenzentren. Daher ist es wünschenswert, die VM-Migration extrem effizient zu gestalten, um einerseits die Dauer für eine Migration so gering wie möglich zu halten und zum anderen die Prozessoren nicht mehr als nötig damit zu belasten, um Rückwirkungen auf die laufenden Anwendungen möglichst zu vermeiden.

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Teil 17:  VM-Migration am Beispiel Xen

Teil 17 von 19 aus der Serie "Virtualisierungstechniken"

Xen ist eine populäre Virtualisierungstechnologie, die ursprünglich an der Universität Cambridge entwickelt wurde. Wir wählen Xen hier zur Erklärung, weil die Klarheit des Konzeptes etwas deutlicher ist als bei anderen Virtualisierungsprodukten, auf die wir später noch kommen werden. Wir können dann zeigen, welche Anforderungen sich an ein Netzwerk-System ergeben, welches die VM-Migration unterstützen soll.

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Teil 18:  Lösungsmodell für die VM-Migration mit RDMA

Teil 18 von 19 aus der Serie "Virtualisierungstechniken"

Betrachtet man einen einfachen Dienst, wie z.B. das Messaging zwischen zwei Anwendungen oder (normalen) Prozessen, so führt der Austausch der zugrunde liegenden Kommunikationsbasis, also z.B. UDP/IP oder TCP/IP durch RDMA zu gradezu dramatischen Ergebnissen mit einem drei- oder sogar vierstelligen Faktor, also z.B. von Transferdauern im Milli-Sekunden-Bereich zu solchen im Mikro-Sekunden-Bereich.

Hinsichtlich der VM-Migration werden solche dramatischen Faktoren heute noch nicht erreicht, sondern die Verbesserung liegt im Bereich der Halbierung bis zur Zehntelung der Zeit. Das liegt sicherlich nicht an RDMA, aber, es gibt eben den Teil in der Virtualisierungssoftware, der die VM-Migration durchführt und steuert und letztlich den zugrunde liegenden Kommunikationsmechnismus nur nutzt.

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Teil 19:  Ergebnisse für die VM-Migration mit RDMA und Nutzung von RoCE

Teil 19 von 19 aus der Serie "Virtualisierungstechniken"

Man kann sich theoretisch überlegen, wie eine VM-Migration am besten funktioniert, letztlich wichtig sind aber nur Messergebnisse. Diese sind natürlich wiederum von den Umgebungen abhängig. In diesem Abschnitt bleiben wir erst einmal bei den bisher beschriebenen Verfahren im Zusammenhang mit dem Xen-Server mit purem RDMA auf Infiniband. Viele private RZs verwenden heute noch kein IB, sondern lieber konvergiertes Ethernet. Also sehen wir uns an, wie man die Mechanismen (und damit die Ergebnisse) auf CEE übertragen kann.

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