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1 VMware vsphere を活用した最適なインフラの設計 選択 実践のポイント 2010 年 12 月 9 日ヴイエムウェア株式会社スペシャリストシステムズエンジニア各務茂雄 目次 仮想インフラからクラウドインフラへ インフラを支える2つのサービス CPUとメモリの設計ポイントとアーキテクチャ ストレージ 今後のVMwareとストレージのトレンド まとめ

2 VMware が提供する仮想化の価値 効率性の向上 IT as a Service 管理性の向上 柔軟な選択肢の提供 VMware が目指すクラウドの形サービスとしての IT セルフサービスのアクセス 計測できてモニターできて 課金状況を確認できる 標準化されたサービスと自動化されたサービス展開をサービスレベルとして保証する Virtual Datacenters Virtual Datacenters Virtual Datacenters Resource Pools 仮想化されたデータセンタ 仮想化され サーバ ストレージやネットワークリソースの共有プールが作成され 仮想化されたデータセンタサービスが提供される ポリシーベースで管理される

3 VMware が目指すクラウドの自動運用 ポリシーベースでアプリケーションの SLA をコントロール アプリケーションからのリソースの要求が Up vapp vapp vapp vapp アプリケーションの管理 : アプリ管理者 CPU とメモリのホットアド サービスカタログの管理 : プロダクト管理者 Resource Pools VM のサイズに合わせて DRS がリバランスをする vsphere vsphere vsphere vsphere コンピュータファクトリー : 仮想インフラ管理者 仮想化の価値を約束する為の特徴 分 割 同一基盤上で複数 を同時に稼動可能 仮想マシン間でハードウェアリソースを共有 カプセル化 起動ディスクを含む 仮想マシンの全ての情報はファイルとして格納 ハードウェア非依存 仮想マシンは 別のハードウェア上に移動させてもそのまま動作 ファイルの特性を活かし コピーで別のハードに移動可能

4 お客様のニーズに応じた選択 : 仮想化からクラウドへ 迅速かつ透過的なプロビジョニング 単一サーバの効率利用 仮想化ハイパーバイザ 複数サーバをプール化 仮想インフラストラクチャ 柔軟 かつ信頼性の高いオペレーション プライベートクラウド 管理性の向上 パブリッククラウド 豊富な選択肢の提供 ハイブリッドクラウド サービスとしての IT/ アプリケーション 効率性の向上 社内クラウド 全体最適の観点で 仮想サービス基盤によって企業の物理インフラを標準化 < 社内クラウドとは > 企業のデータセンタのあらゆる物理リソースを抽象化し 量 場所 複雑性を隠蔽することによって 仮想サービス基盤はプライベートなクラウドサービスとなる 仮想サービス基盤 1 台の超大規模コンピュータ 仮想化を提供する複数の物理サーバをリソースプールとしてグループ化 量 場所 複雑性を隠蔽 サーバ (CPU/ メモリ ) ストレージ ネットワーク全てを抽象化 = ユーザから隠蔽 個々のコンポーネントはユーザからは抽象化によって標準化されて見える

5 インフラを支える2つのサービスアプリケーション開発者 提供者のインフラに対する期待 可用性 セキュリティ パフォーマンスの維持 インフラ管理者の HW に対する期待 簡単に パフォーマンス良く 使える CPU メモリ ディスク ネットワーク各デバイスを 効率よく使用し 安定したインフラ構築するにはどうしたら良いのか? 結論 VMware vsphere 4 を選択すると CPU メモリの設計は楽で安心 + あとは I/O CPUとメモリパフォーマンス 最新のハードウェアを選択する 8コア 12コア 16GBメモリ 10VM/ サーバは普通 さらに最適化されたCPUスケジューラー メモリオーバーコミット 拡張性のある仮想マシン リソース割り当ての優先度はシェア リミット 予約で調整 ほとんどのケースはシェアで調整 Capacity Plannerで既存システムのサイジング Capacity IQで導入後の仮想インフラを最適化

6 CPU スケジューリングをさらに最適化 CPU の競合状態の課題 仮想マシンへの CPU の割り当て (scheduling) は 公正性 と 効率性 のトレードオフの関係 De-Schedule されることによる待ち時間 VM Context Switch による遅延 vcpu Migration によるキャッシュヒット率の低下 CPU の競合による De-Schedule の発生 VM-01 VM-02 VM-03 VM-04 VM-05 VM-06 物理 CPU CPU あたりの統合率 SMP 仮想マシンの効率化を大幅に向上 Further Relaxed co-scheduling SMP 仮想マシンで仮想 CPU をバラバラのタイミングでスケジューリング可能 Physical CPU Topology Aware Load-Balancing の強化 NUMA マルチコア Hyper threading の構造を把握 CPU Scheduler Cell 概念の破棄 SMP 仮想マシンの各仮想 CPU の Cache / メモリ bandwidth を最大化 NUMA VM-01 VM-02 VMM CR3 物理 CPU IDTR CR0 EIP LDTR CR4 ESP Seg GDTR TR Regs EFLAGS VM Context Switch SMP VM / 複数 VM 統合のスケール率の高さ 物理 CPU8 コアに対して仮想 CPU8 コア ( リニアにスケールしている ) 物理サーバのスケールアップに対して 仮想 CPU1 個の仮想マシンを 1 台の物理サーバ上でスケールアウトさせた方がスケールしている Order Entry benchmark (Oracle 11g R1 / RHEL bit) SPECweb (Oracle) (Web)

7 メモリのオーバーコミット 統合率を高めコスト削減効果を高める最近では柔軟な運用の確保や 非計画ダウンタイム時のリソース確保としても注目される オーバーコミットを実現する技術 透過的ページシェアリング バルーニング ( ゲスト の LRU と連携 ) ハイパーバイザ スワッピング 透過的ページシェアリング ( 例 ) 20 台の仮想マシンに 計 11GB のメモリを割り当てているが メモリの消費量は 6.3GB のみ メモリ バルーニング メモリーオーバーコミットの性能への影響 バルーンドライバがゲストと連携 通常の範囲ではパフォーマンスへの影響は限定的ページシェアリングはキャッシュヒット率を向上 バルーンを使用しない場合 ( 緑 ) は オーバーコミット状態で急激に性能劣化 バルーンを使用している場合 1.7GB までバルーンアウトされても性能を維持 Oracle/Swingbench によるバルーンの効果測定

8 メモリオーバーコミットの利用状況 メモリのオーバーコミットしていますか? どのような目的のサーバでメモリのオーバーコミットを使用していますか? NO 43% YES 57% Average = 1.80 N= メモリオーバーコミットは 本番で 使われる機能 大規模なアメリカの銀行での事例 16-core IBM x3850 M2 64GB physical RAM 178 active WinXP 512MB VDI VMs 89GB allocated 19GB consumed 1.4 倍の統合率 16

9 Memory Compression バルーニングだけでは不十分な場合でもスワッピングの発生を回避 メモリのDecompressionは約 20usとディスクアクセスより圧倒的に高速圧縮率 50% を切るページはCompressionの対象外としてスワップアウト仮想マシンごとに有効 無効を指定可能 ゲスト バルーニング Compression ハイパーバイザ CPU とメモリ 可用性 信頼のあるサーバを選択 デバイスの 2 重化ができるサーバを選択 HW の RAS 機能等を使用 信頼性を多少犠牲にして クラスタ化で対応する ストレージ編にて説明

10 ネットワーク パフォーマンス 10Gbを選択 物理結線に依存しない 低遅延で 柔軟に分割できる仮想化されたネットワークデバイスを使用 マルチプロトコル対応も視野に入れる ロードバランス QoSの保持 可用性 NIC Teaming ネットワークトポロジの冗長化 vnetwork Distributed Switch (vds) vswitch vswitch vswitch データセンタの仮想ネットワークを統合設定 / 変更の簡素化監視機能の充実ポート単位の統計情報アラーム 権限割り当て物理スイッチに匹敵する高度な機能セキュリティ QoS サードパーティ製品による透過的な仮想環境管理を実現 vnetwork Distributed Switch vcenter で一括管理 全 ESX をまたいで設定が可能 全体の接続構成を GUI で確認可能

11 ハイブリッドデザインを使用したネットワーク構成 ハイブリッド vds ESX SC VMkernel 物理 NIC を 4 ポート以上用意 CおよびVMkernel 用のvSSと 仮想マシン用のvDSをそれぞれ作成 dvportgroup vds dvuplink vss 物理 NICは2 枚ずつ仮想スイッチに割り当て 仮想マシンについてはネットワーク vmotionの恩恵を享受 FT や iscsi / NFS 通信等の要件も別途考慮 物理スイッチ ハイブリッド vds での vds と vss の使い分けの考え方 vds を使わないポート C VMkernel ポート 内部スイッチ vds に Physical Adapter なしで ESX を登録する際には警告がでる vdsでのc VMkernelポートを必ずしもお勧めしない理由 これらのポートはネットワーク vmotionのメリットを受けることがない いずれにしてもESX 毎にIPアドレスを指定するなど個別設定が必要 Cは必ず最初はvSSに接続されている 管理ネットワークの瞬断などリスクがある ( 設定移行時 ) ウィザードでのvSSからの一括移行ができないため ESXごとの作業が必要 dvpgを作ってからポートを作るので二度手間

12 既存のネットワークベストプラクティスの踏襲 冗長性の確保 セキュリティと運用性 VS W VS W NICチーミング物理 NICの構成は冗長化をするため チーミング構成にすることを推奨 S C 管理ポートを独立 サービスコンソールや Vmkernel ポートなど管理用の通信をつかさどるポートはセキュリティ上 独立させることを推奨 ネットワーク構成の自由度確保 VLAN 構成 物理構成の変更を伴わずに ネットワークを構成するには VLAN を利用することで構成の自由度を確保することができる 各種機能用ネットワーク vmotion 用ネットワーク 専用の Gigabit Ethernet を割当て VM ネットワークと別セグメントでの構成することを推奨 23 ネットワークトラフィック管理 : 10 GigE の登場 1 GigE 物理 NIC 10 GigE 物理 NIC iscsi FT vmotion NFS iscsi FT vmotion NFS TCP/IP TCP/IP vswitch vswitch 1 GigE 10 GigE トラフィックタイプが競合 どれが vmnic をどの程度使用するか 一部のトラフィックタイプ専用の NIC (vmotion IP ストレージなど ) 専用の物理 NIC によって保証された帯域幅 2 つの 10 GigE NIC に集約した典型的なトラフィック 一部のトラフィックタイプおよびフローが オーバーサブスクリプションによってほかに影響を及ぼす可能性がある

13 Network I/O Control Ent Plus 6つのネットワークリソースプールにシェア値と制限 (Mbps) を指定 シェアは物理 NIC リミットはチーミング単位で制御される シェアは物理 NICの帯域幅が飽和した場合のみ考慮される 制御は送出トラフィックに対してのみ 10GE 搭載サーバなどポート数が少ない環境でパフォーマンスを保護 分散仮想スイッチ必須 LBT (Load Based Teaming) 概要 Ent Plus 物理 NIC 負荷をベースとした新しいチーミング負荷分散アルゴリズム 負荷に応じてにポートIDと物理 NICの関連付けを更新し平準化物理スイッチにリンクアグリゲーションの設定不要 10GEと1GEといった異なるリンク速度の物理 NICも考慮 ESX C O S 分散仮想スイッチ 分散仮想スイッチのポートグループで指定

14 vshield Zone 4.1 概要 Advanced ハイパーバイザ上でL2~L4でのファイヤーウォールを実現 vshieldはdvfilterを利用してブリッジのように動作 ( 仮想マシンに透過的 ) vshield Edge4.1はESX4.0 Update1 以降で利用可能 vshield Manager 4.1 を仮想アプライアンスとしてインポート データセンタ単位でファイヤーウォールルールを定義 ストレージ パフォーマンスのボトルネックはどこで発生するか CPU? メモリ? ネットワーク? ディスク? DB サーバ?App サーバ Web サーバ クライアント? 多くの場合ストレージ 障害発生時に一番クリティカルな場所は CPU? メモリ? ネットワーク? ディスク? サーバ? ネットワーク? ストレージ? 多くの場合ストレージ インフラの可用性を維持するクラスタに必要な仕組みは CPU メモリ : 一般的にはクラスタ技術を活用 ネットワーク ディスク : アクセスパスの二重化 RAID 共有ストレージが重要 多くのお客様が仮想化時にストレージへ投資します

15 アプリケーション要件を超える処理能力を提供 パフォーマンス 95% のサーバの稼働実態 * ESX3.5 が提供可能な VM のスペック ESX4.1 が提供可能な VM のスペック CPU 1~2 CPU 4way-vCPUs 8way-vCPUs アプリケーションの割合(%) メモリネットワークディスクI/O ピーク時 4GB 未満 2.4Mbps 未満 ピーク時 100 未満 64GB 9Gbps 100,000 I/O 秒 255 GB 30Gbps < 350,000 I/O 秒 これを実現するにはディスクが 3000 本規模で必要 * Source: VMware Capacity Planner assessments アプリケーションのパフォーマンス要件 ESX4.1: 仮想マシンのスケーラビリティ向上 パフォーマンス CPU 数を増加させた場合 物理環境と遜色無くスケーリング 8,900トランザクション / 秒 60,000 I/OPSの負荷をOracleで検証 これを実現するにはディスクが 400 本規模で必要

16 ESX 4.1: 圧倒的なパフォーマンス ( 例えるとこれくらい ) パフォーマンス 5 倍 グローバルの支払い処理のトラフィック Storage I/O Control 概要 Ent Plus データストアの観点で仮想ディスクのシェアに基づくスループットの制御 平均レイテンシが閾値を超えると制御を開始 ( デフォルト 30ms) 仮想ディスクごとに iops の上限値の指定も可能 (Ent Plus ライセンス不要 )

17 VAAI (vstorage API for Array Integration) 概要 Enterprise 対応しているストレージであれば ESX の処理をオフロード Full Copy/Block Zeroing/Hardware-Assisted Locking 効果が期待される処理 Storage vmotion / クローン /eagerzeroed thick ディスクの作成など 例 : Storage vmotion での Full Copy の効果 ESX の詳細設定で個別に有効 無効を指定可 DataMover.HardwareAcceleratedMove DataMover.HardwareAcceleratedInit VMFS3.HarwareAccelerated Locking アレイが有効化されたオフロードに対応していない場合は従来の処理を実施する 同一アレイ上でのみ有効 vsphere 4.1 では VMFS のみでサポート Performance Chart の機能拡張 概要新たな項目を追加し より広範なパフォーマンス情報を表示 ( 履歴なし ) ストレージパス ストレージアダプタ データストア 仮想ディスク 電源データストアはストレージのアーキテクチャおよびプロトコルに非依存 (NFSも) 例 : パス毎の発行コマンドでパス分散の状況を把握

18 仮想環境におけるバックアップ 1 エクスポート 2 バックアップエージェント 3 イメージングツール データ保護 4 アレイベースのバックアップ 5 VMware Consolidated Backup (VCB) or vdap 6VMware Data Recovery vstorage API for Data Protection の主な機能 データ保護 1. Changed Block Tracking( 変更ブロックトラッキング ) 仮想ディスクの変更されたブロックをトラッキング 次回のバックアップ時には 変更ブロックしかバックアップしないフルイメージバックアップの増分バックアップが可能 2. VMware ディスク Mount フルイメージバックアップした仮想ディスクからファイルレベルリストア Windows/Linuxのに対応 3. Advanced transport for SAN and HotAdd フルイメージバックアップの際に SAN もしくは HotAdd 経由でダイレクトファイル転送が可能

19 マウントデータ保護のための vstorage API データ保護 データ保護のための vstorage API バックアップアプリケーション 物理サーバまたは仮想マシン (Windows または Linux) バックアッププロキシサーバ スナップショット 統合されたデータ移行機能 SAN ストレージ VMware Data Recovery(vDR) の動作 データ保護 ESX エージェントを使用しない ディスクベースでの仮想マシンのバックアップおよびリカバリ 仮想マシンまたはファイルレベルのリストア 増分バックアップおよびデータデデュープ ( 重複排除 ) によるディスク使用領域の削減 仮想マシンの迅速 シンプルで かつ完全なデータ保護 vcenter サーバを使用した統合管理 費用対効果に優れたストレージ管理 デデュープされたストレージ

20 Site Recovery Manager でリーズナブルな災害対策 データ保護 VC サーバ SRM サーバ VC サーバ SRM サーバ VMware vsphere VMware vsphere SAN iscsi SAN iscsi Primary ストレージ Array Base ReplicatI/On Remote ストレージ Primary Site Recovery Site クラスタ機能 可用性を上げるクラスタ機能に共有ストレージが必要 vmotion VMware HA VMware FT データセンタの効率運用をするには共有ストレージが必要 VMware DRS VMware DPM SLAにあわせたストレージの選択 Storage vmotion 可用性向上

21 計画停止の削減 : vmotion と Storage vmotion 可用性向上 サービスを止めないハードウェアメンテナンスが可能に IT 管理工数の大幅削減 エンドユーザ SLA の向上いずれも VC から GUI 操作 あるいはスケジュール実行が可能 vmotion サーバの無停止メンテナンス Storage vmotion ストレージの無停止メンテナンス vmotion の機能強化 移行全体にかかる時間を大幅に短縮 ( 時間はワークロードに応じて変化 ) 同時に実行できる vmotion の数が増加 : ESX ホスト : 1 Gbps ネットワークで 4 台 10 Gbps ネットワークで 8 台 データストア : 128 (VMFS と NFS の両方で ) 新機能! これらの機能強化により メンテナンスモードの退避時間を大幅に短縮

22 非計画停止の削減 : VMware HA / FT 可用性向上 VMware HA (High Availability) 障害発生時に仮想マシンを別ホストで再起動 ESX と仮想マシンの障害を監視 クラスタソフトの複雑性とコストを排除 約 40% のお客様がHA を利用 VMware FT (Fault Tolerance) App App App XHA XHA VMware ESX FT App App App App VMware ESX 異なるホストに仮想マシンを常時 同期 障害発生時に無停止 ノーデータロスで仮想マシンを切り替え HA と組み合わせることでサービスレベルに応じた高可用性を提供 X 効率的な運用 : VMware DRS / DPM パフォーマンス VMware DRS (Distributed Resource Scheduler) サーバの負荷状態を検知し ロードバランスを実行 5 段階のスロットル調整が可能 管理モデルに合わせ 手動 半自動 全自動の選択が可能 VMware DPM (Distributed Power Management) 夜間等 待機時間における消費電力を抑制 WoL / ilo / IPMI をサポート クラスタ いずれも仮想マシンは無停止 ( バックグラウンドで vmotion を使用 ) クラスタ

23 DRS Host Affinity 概要 ルールに基づいてクラスタ内で仮想マシンが起動 / 移行するホストを限定 パフォーマンスやライセンスの要件に応じて起動する ESX ホストを調整 クラスタのサイロ化を回避 Enterprise 厳密性について 2 段階で指定可能 VMware HA と手動 VMotion についても制御 A B A A B サーバ A サーバ A サーバ B サーバ B 4 台のホストを使用した DRS / HA クラスタ 仮想マシン A サーバ A のみ 仮想マシン B サーバ B のみ VMware HA Application Monitoring アプリケーション監視 vsphereでステータス アプリケーション障害を検知協調的なアプリケーション障害復旧 アプリケーションの再起動 さらなる復旧のためにVMware HAをトリガー App Monitoring APIによる連携 様々な障害に対応 物理障害 ゲスト 障害 アプリケーション停止 アプリケーションが誤動作 VM1 ORA VM2 SQL VMware HAの設定 VM1 ORA VM2 SQL Application Application HA HA VMware HA VMware ESX VMware HA VMware ESX

24 今後の VMware とストレージのトレンド より密にストレージと連携 API で HW と連携 ポリシーベースのストレージ SLAに応じた自動的な配置の調整 分散 I/Oをディスク コントローラ I/Oパス ボリュームなど様々なレイヤで実現 HW の効率的利用 HBA( ネットワーク ストレージ ) を直接 VMにマウント 準仮想化デバイス I/O の SLA を確保 I/OベースのDRS VMに対するI/Oをコントロール クラスタファイルシステムの改良 より多くの仮想マシンをホストできるファイルシステムに プライベートクラウド ミッションクリティカルシステムの仮想化へのロードマップ 課題 IOの集中対策 全体的なリソース管理 可用性向上 ユーザにとってよりオンデマンド等々色々ありますが 広範囲のセキュリティ対策について 防止 発見 監査 修正 ハイパーバイザー ゲスト ネットワーク マルウェア 不正アクセス なりすまし複数のポイントでマトリックスで見る必要がある

25 vshield が提供する仮想環境のセキュリティ機能 vshieldedge / App Zones / Endpoint を集中管理 vcenter との連携 API を利用することによるオンデマンドなサービスの提供 vshield Edge ハイブリッドクラウドの境界管理 ポートグループに対し L3 スイッチング機能と以下のネットワークサービスを提供 Firewall NAT Load balance DHCP VPN ハイブリッドクラウド環境への迅速なプロビジョニングとネットワークサービスの付与が可能 vshield App / Zones 仮想マシン単位のセキュリティ フラットなL2ネットワークにおいて各仮想マシン間に以下の機能を提供 ポートフィルタリング フローモニタリング VLANの削減と仮想マシンレベルでのセキュリティ管理が実現可能 vshield Endpoint アンチウィルス負荷のオフロード Ainti-Virusスキャン機能をセキュリティアプライアンスにオフロード CPU I/Oの負荷集中を回避 パフォーマンスの向上 AVの集中化によるリスクの軽減 まとめ 最新のサーバとvSphereを選択すると CPU メモリのボトルネックはない 仮想インフラ クラウドインフラで投資のポイントはストレージ 可用性 データ保護 パフォーマンスをSLAとコストに応じて選択 ユニファイドストレージの新しい可能性 分散 I/Oをしながら I/OのSLAを保証 次のステップ 初期コスト 運用コストを考慮した上で コストパフォーマンスを上げて 法規制やダイナミックなビジネスに対応するのか考える SSD 等 高速なストレージを使ってみて 時間の節約できる価値を体験する VMware でインフラを組むことを検討する 共有化されたインフラ ( プライベートクラウド ) のセキュリティ対策を講じていく

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