virtualization مجازی سازی یک سرور به چه معناست

[HosseiN]

مجازی سازی سرور به تکنولوژی ایجاد نمونه های مجازی از هر سیستم عامل بر روی یک بستر مجازی گفته می شود. تا قبل از ظهور و رونق مجازی سازی سرور به عنوان شریان اصلی زیرساخت های IT، به ازای پیاده سازی هر سیستم عامل نیاز به سرورهای فیزیکی با ویژگی های پردازشی، فضای ذخیره سازی، حافظه و سایر سخت افزارهای متناسب با سیستم عامل اجرایی وجود داشت.  به دلیل دسترسی یک سیستم عامل به تمامی منابع پردازشی سخت افزار میزبان یا همان سرور فیزیکی و هدر رفت قابل توجه منابع سخت افزاری، راهکار سنتی دیگر جوابگوی نیازهای روزافزون صنعت IT نبود. در نتیجه، فناوری مجازی سازی به عنوان یکی از برترین راهکارها ارائه شد.

در بسترهای مجازی، ماشین های مجازی در ارتباط با سرور فیزیکی بوده و یک هایپروایزر (hypervisor) وظیفه به اشتراک گذاری منابع سخت افزاری میزبان با هر یک از ماشین های مجازی را دارد. فناوری مجازی سازی با ایجاد بستری مجازی برای اشتراک گذاری منابع فیزیکی با تعداد زیادی از ماشین‌های مجازی، کاهش قابل توجه فضای لازم تجهیزات دیتاسنتر و هزینه های مرتبط با خرید و نگهداری سخت افزارهای فیزیکی را برای سازمانها به ارمغان می آورد.

شکل زیر به خوبی گویای سیر تحولی حوزه مجازی سازی سرورها می باشد:

جالب است بدانید، با توجه به محبوبیت بی اندازه و گستردگی اخیر تکنولوژی مجازی سازی سرورها، بیش از 50 سال است که از ظهور این فناوری می گذرد. در طول دهه 1960، کمپانی IBM با ارائه اولین سیستم های مجازی سازی حافظه به عنوان پیشگام عرصه مجازی سازی مطرح گردید. در طول دهه 1970، این کمپانی پیشرو، اولین سیستم عامل اختصاصی مجازی خود با نام VM/370 را ارائه نمود. اما به دلیل محدودیت های پردازشی مجازی سازی سطح سیستم عامل (OS-Level virtualization)، در نهایت با توسعه این فناوری و ارائه اولین پلت فرم تجاری مجازی سرورها با نام Z/VM، به عنوان یکه تاز حوزه مجازی سازی شناخته شد.

امروزه سلطه فناوری مجازی سازی سرورها در تمامی بخش های صنعت IT به خصوص با افزایش قابل توجه رویکرد شرکت ها به سمت اکوسیستم های کاملاً مجازی و مبتنی بر کلود کاملاً مشهود است. محبوبیت حوزه مجازی سازی در اواخر دهه 1990 با انتشار محصول نرم افزاری  VMware workstationتوسط کمپانی  VMware با قابلیت پشتیبانی از معماری های x86 / x64 و امکان همزمان اجرای سیستم عامل های لینوکس، ویندوز و MacOS بر روی یک پلتفرم به شدت افزایش یافت. این فناوری مدرن در طی 20 سال گذشته، نقش اساسی در شکل گیری و بهبود خدمات زیرساخت های IT داشته است. حال پس از آشنایی با فناوری مجازی سازی، به بررسی شیوه عملکرد مجازی سازی سرورها می پردازیم.

به منظور پیاده سازی پلتفرم های مجازی، نیاز به یک میزبان (Host) یا یک سیستم سخت افزاری از وندورهای تجهیزات سخت افزاری معمولاً سرورها و نرم افزار مجازی سازی با نام هایپروایزر (hypervisor) می باشد. هایپروایزر با اختصاص دادن یک سخت افزار مجازی generic به هر سیستم عامل نصب شده بر روی هایپروایزر، اجرای پلتفرم های مجازی را امکان پذیر می سازد.

این سخت افزار generic کلیه مؤلفه های مورد نیاز اجرای سیستم عامل ها مانند هارد دیسک ها، درایورهای SCSI، درایورهای شبکه، پردازنده و تخصیص حافظه را دارا می باشد بطوریکه ماشین های مجازی (VMs) بصورت  مستقل از  VMهای دیگر  عمل کرده و تنها امکان ارتباط با سخت افزار generic  برای آنها فراهم می باشد. هایپروایزر مسئولیت مدیریت منابع میزبان و اختصاص منابع به هر VM را به عهده دارد که امکان پیکربندی هایپروایزر به منظور تخصیص منابع مورد نیاز به VM های مورد نظر فراهم می باشد.

امروزه، با استفاده از فناوری مجازی سازی، تقریباً امکان پیاده سازی اکثر سیستم عامل ها مانند لینوکس، ویندوز، IBM AIX (سیستم‌عامل‌های یونیکسی انحصاری  شرکت IBM) در مقیاس گسترده میسر می باشد. اخیراً تولید کنندگان تجهیزات سخت افزاری، اقدام به ارائه appliance های مجازی دیوایس های سخت افزاری خود کرده اند. که از آن جمله می توان به Load Balancer های فیزیکی شبکه های دیتاسنترها که امروزه اغلب بصورت اپلاینس های مجازی مورد استفاده قرار می‌گیرند، اشاره کرد. با پیشرفت سریع تکنولوژی و تولید سخت افزار های قدرتمندتر نسبت به گذشته، ارائه و اجرای اپلاینس های اختصاصی مجازی (Virtualized dedicated appliance ) در حوزه های مختلف IT از محبوبیت بالایی برخوردار گشته است.

انواع هایپروایزر (Hypervisor)

هایپروایزر، نرم افزار اصلی مورد نیاز برای فعال سازی مجازی سازی سرورها بوده که در دو نوع در دسترس می باشد. هایپروایز نوع یک (Hypervisor Type 1) که اغلب تحت عنوان "bare-metal" خوانده می شود، به طور مستقیم در برروی سخت افزار میزبان نصب می شود و مستقیماً تمام منابع سخت افزاری سرور را مدیریت می کند که تخصیص منابع سخت افزاری به ماشین های مجازی از طریق همین هایپروایزر صورت می گیرد. هایپروایزر محبوب VMware vSphere ESXi نمونه ای از هایپروایزر نوع یک محسوب می شود.

هایپروایزر نوع دوم (Hypervisor Type 2) که بطور مستقیم بر روی یکی از سیستم عامل های متداول به عنوان یک برنامه کاربردی یا process اجرا می شود. این نوع از هایپروایزر منابع سخت افزاری سیستم عاملی که بر روی آن نصب شده است را مجازی می کند و با توجه به  برخی محدودیت های معماری در نصب، هنوز هم استفاده از آنها در محیط های آزمایشی و غیرعملیاتی بسیار محبوب و رایج هستند. از برجسته ترین نمونه های  هایپروایزر نوع دوم، می توان به هایپروایزرهای  VMware Workstation یا Virtual Box اشاره کرد.

انواع هایپروایزرهای مجازی سرور

امروزه انواع مختلفی از هایپروایزرها در حوزه مجازی سازی سرورها موجود است که پرکاربردترین و محبوب ترین آنها، هایپروایزر vSphere ESXi از کمپانی محبوب VMware می باشد که به دلیل تسلط بلا منازع این کمپانی بر صنعت مجازی سازی، به طور گسترده ای در دیتاسنترهای جهان استفاده می شود.

هایپروایزر کمپانی مایکروسافت با نام Hyper-V که در سال 2008 و بصورت یکی از ویژگی های سیستم عامل های Microsoft server و اخیراً Windows 10 Professional معرفی شده است از برترین هایپروایزرها در این حوزه محسوب می شود.

اما برترین هایپروایزر متن باز در بازار رقابتی مجازی سازی  Xen  نام دارد که اولین بار در اواخر دهه 1990 توسط محققان دانشگاه کمبریج تولید شد و امروزه بازیگر اصلی حوزه مجازی سازی متن باز محسوب می شود. در سال 2006، کمپانی آمازون، برترین ارائه دهنده سرویس ابری جهان با اختصاص هایپروایزر Xen به عنوان پلتفرم مجازی خدمات وب مبتنی بر کلود خود (EC2) سبب ترغیب شرکت های بیشتری در بکارگیری Xen به عنوان یک محصول تجاری گردید. در حال حاضر،کمپانی های Rackspace (یکی از برترین ارائه دهنده خدمات ابری) و Citrix با محصول Citrix XenServer از کمپانی های پیشرو در حوزه مجازی سازی سرور با Xen  محسوب می شوند.

تولیدکنندگان سخت افزار و پلتفرم های مجازی سازی سرور

ارائه پلتفرم های مجازی سازی سرور نه تنها توسط تولید کنندگان نرم افزار بلکه توسط شرکت های تولید کننده تجهیزات سخت افزاری نیز ارائه می شود. نمونه بارز آن شرکت IBM است که علاوه بر تولید اکثر سرورهای خود، نقش بسزایی در ارائه راهکارهای مجازی سازی سرورها ایفا می نماید که به طور نمونه می توان از سرورهای System P، System I و System Z شرکت IBM که از یک هایپروایزر para-virtual استفاده می کنند، نام برد. اصولاً در این روش، کلیه ماشینهای مجازی از طریق میزبان از یکدیگر و منابع مورد نیاز تخصیص یافته خود آگاه بوده و منابع سخت افزاری میزبان براساس نیاز ماشین مجازی (یا Logical Partition) به آنها اختصاص داده می شود. تکنیک para-virtualized اولین بار در هایپروایزر IBM Z / VM ارائه گردید و هم اکنون تقریباً تمامی mainframe های شرکت IBM  از این روش مجازی سازی در ساختار خود استفاده می کنند. به عنوان مثال، پلتفرم IBM System P از یک لایه سخت افزاری pooled virtualized استفاده می کند که مدیریت توزیع منابع به پارتیشن های منطقی در آن توسط کنسول مدیریتی سخت افزار(HMC)انجام می شود. هر پارتیشن از نیازمندی پارتیشن های دیگر آگاه بوده و منابع جهت اطمینان از حداقل نیازمندی سخت افزاری هر سرور به اشتراک گذاشته می شوند.

مزایای مجازی سازی سرور

شاید بتوان گفت انعطاف پذیری بالا و صرفه جویی اقتصادی، مهمترین مزیت مجازی سازی برای یک سازمان محسوب می شود. مسلماً مجازی سازی سرورها نسبت به بکارگیری جداگانه سرورهای فیزیکی برای هر سرویس بسیار کارآمد تر است. لذا، نیازمندی شرکت ها به فراهم سازی تجهیزات سخت افزاری در ایجاد زیرساخت های جدیدتر بطور قابل توجهی کاهش یافته و سخت افزارهای کارآمدتر و قدرتمندتر می توانند جایگزین سخت افزارهای قدیمی تر با هزینه های نگهداری بیشتر شوند. جدا از مزایای اقتصادی مجازی سازی، به دلیل نیاز کمتر دیتاسنترها به انرژی و سیستم های خنک کننده از لحاظ زیست محیطی نیز سودمند می باشد. همچنین با کاهش تجهیزات سخت افزاری و میزان فضای دیتاسنترها، هزینه های مرتبط با service provider ها نیز کاهش می یابد.

از مزیت های اصلی و مهم مجازی سازی، کارایی بالا و عملکردهای فوق العاده آن می باشد. یکی از این عملکردهای کلیدی، قابلیت snapshot است که امکان بازگردانی تغییرات ایجاد شده در سیستم ها بدون نیاز به پیکربندی اولیه یک سرور که پیش از این میسر نبود را فراهم می نماید. همچنین می توان به سایر ویژگی های اساسی مدیریتی  مانند vMotion، Cloning، تحمل خطا(Fault tolerance)، DRS و دسترس پذیری بالا (High Availability) اشاره کرد که به ادمین های شبکه امکان افزایش مدت زمان آماده به کار زیرساخت ها و بهبود عرضه سطح خدمات مورد انتظار مشتریان (SLA) را می دهد. سرعت بالا در ایجاد ماشینهای مجازی جدید با استفاده از template ها و امکان ساخت یک زیرساخت مجازی کاملاً جدید، ارائه خدمات در کمترین زمان ممکن را به طرز چشمگیری بهبود بخشیده است که از آن جمله می توان به ابزارهایی مانند Terraform ( برای ایجاد و مدیریت زیر ساخت ها) و مجموعه ابزارهای پیکربندی اتوماتیک مانند Ansible (برای پیکربندی کامل زیرساختها) اشاره نمود.

همچنین، بازیابی بحران (DR) Disaster recovery با استفاده از راهکار مجازی سازی سرورها به شدت بهبود یافته است زیرا بجای بازیابی اطلاعات از نسخه های پشتیبان روی Tape ها، می توان با replicate کردن(کپی داده های عملیاتی) کل زیرساخت‌های مجازی بین سایتها و با استفاده از ابزارهای قدرتمندی مانند VMware Site Recovery Manager، فرآیند DR را بصورت اتوماتیک در کمترین زمان ممکن اجرا نمود. در حوزه کلود نیز محصولاتی همانند CloudEndure، امکان replicate مستقیم سرورها به فضای کلود و کل زیرساخت ها به  فضای staging area(با فعال سازی سناریوی DR ) را امکان پذیر می سازند.