Công nghệ ảo hóa Microsoft Hyper-V

Ngày nay xu hướng ảo hóa máy chủ đã trở thành xu hướng chung của hầu hết các doanh nghiệp trên toàn thế giới. Những khó khăn trong thời kỳ khủng hoảng khiến cho các doanh nghiệp phải tìm mọi cách để giảm thiểu chi phí.

Ảo hóa được coi là một công nghệ giúp các doanh nghiệp cắt giảm chi tiêu hiệu quả với khả năng tận dụng tối đa năng suất của các thiết bị phần cứng. Việc áp dụng công nghệ ảo hóa máy chủ nhằm tiết kiệm không gian sử dụng, nguồn điện và giải pháp tỏa nhiệt trong trung tâm dữ liệu. Ngoài ra việc giảm thời gian thiết lập máy chủ, kiểm tra phần mềm trước khi đưa vào hoạt động cũng là một trong những mục đích chính khi ảo hóa máy chủ. Công nghệ mới này sẽ tạo ra những điều mới mẻ trong tư duy của các nhà quản lý công nghệ thông tin về tài nguyên máy tính. Khi việc quản lí các máy riêng lẻ trở nên dễ dàng hơn, trọng tâm của công nghệ thông tin có thể chuyển từ công nghệ sang dịch vụ.

Ảo hoá không phải là một đề tài mới, vì ảo hoá nó đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ rất lâu: điện thoại(các phần mềm giả lập điện  thoại để test ứng dụng), trong lĩnh vực thiết bị mạng(packet tracert, Router sim, GS3…). Trong lĩnh vực máy tính thì phát triển mạnh bởi các nhà phần mềm: VMWare, Citrix, Microsoft,…(có cỡ 10 nhà cung cấp ứng dụng ảo hoá lớn). Trong đó Microsoft đã tham gia thị phần ảo hoá từ năm 2004 với sản phẩm Virtual PC lúc này chỉ để ảo hoá máy tính cá nhân để có thể chạy được nhiều hệ điều hành trên một máy tính để cho phép test được nhiều phần mềm trên đó. Sau đó phát triển lên các sản phẩm Windows Virtual Server. Hyper-V là công nghệ ảo hoá server thế hệ mới của Microsoft và là thành phần quan trọng trong HĐH Windows Server 2008 x64.

Tổng quan

Microsoft là một hãng nỗi tiếng thế giới về hệ điều hành máy chủ và client. Microsoft hiểu rằng công việc ảo hoá máy chủ để tối ưu hoá hiệu suất sử dụng máy chủ và hạ tầng mạng là công việc quan trọng. Từ năm 2004 Microsoft đã đưa ra Microsoft Virtual PC cho dòng máy tính người dùng và Microsoft Virtual Server cho các dòng Server sau đó phát triển mạnh lên Virtual PC 2007 SP1 và Virtual Server 2005 R2 SP1 được hỗ trợ đến năm 2014.

“Hiện nay, trên toàn cầu, chưa đến 4% máy chủ có ứng dụng công nghệ ảo hóa, trong khi đó chưa đến 1/10 máy chủ đang chạy chỉ ở 10% công suất. Trong tương lai, hơn một nửa máy chủ sẽ được ảo hóa”, Andrew Lees, phó chủ tịch nhóm giải pháp và tiếp thị máy chủ và công cụ của Microsoft.

Hyper-V chính là công nghệ ảo hóa thế hệ kế tiếp dựa trên hypervisor, hyper-v khai thác phần cứng server 64-bit thế hệ mới (Hyper-V chỉ chạy trên nền HĐH server 64-bit và CPU có hỗ trợ 64-bit có tính năng ảo hoá) và có nhiều cải tiến quan trọng, là thành phần quan trọng trong Windows Server 2008 x64 và tích hợp với các công cụ quản lý server quen thuộc trên Windows. Các doanh nghiệp có thể khai thác được tối ưu hiệu suất của hạ tầng server x64 và cũng không cần phải cần mua thêm nhiều bản quyền cho các máy chủ ảo khác nếu chọn lựa phiên bản Windows Server 2008 x64 Enterprise hoặc Datacenter.

Với Hyper-V, Microsoft cung cấp một nền tảng ảo hóa mạnh và linh hoạt, có thể đáp ứng nhu cầu ảo hóa mọi cấp độ cho môi trường doanh nghiệp (DN). Với kiến trúc hoạt động mới của Hyper-V giúp xây dựng hệ thống Server bảo mật và khai thác tối ưu hiệu suất của Server trong hệ thống mạng. Trong cấu trúc của Hyper-V gồm 3 phần chính: phân vùng cha(parent) là phân vùng chứa hệ điều hành máy chủ vật lý, các phân vùng con(child) là phân vùng của các hệ điều hành máy ảo, cuối cùng là lớp hypervisor. Windows Hypervisor là một bộ giao tiếp bằng phần mềm, nó nằm giữa lớp phần cứng vật lý và một hay nhiều hệ điều hành. Hypervisor điều khiển việc truy cập đến phần nhân của phần cứng và định nghĩa ra các môi trường hoạt động độc lập tách rời gọi là partition. Nhiệm vụ chính của lớp Windows Hypervisor là đảm bảo sự tách rời giữa các phân vùng và giám sát việc sử dụng tài nguyên phần cứng giữa các phân vùng, bảo đảm cô lập để bảo mật giữa các phân vùng hệ điều hành máy ảo. Windows Hypervisor điều khiển phần cứng vật lý giống như advanced programmable interrupt controllers (APICs) trong việc ngắt quãng định tuyến, bộ xử lý vật lý để lên kế hoạch xử lý một cách logic việc truy cập của máy ảo, hàng chờ, không gian bộ nhớ vật lý để điều khiển các truy xuất đến Ram và bộ nhớ thiết bị và các phần cứng khác.Phân vùng cha quản lý việc phân phối Ram, bộ xử lý và quản lý nguồn, Pci bus, các thiết bi truy xuất thông qua các trình điều khiển thiết bị…

Hỗ trợ bản quyền của các phiên bản Windows Server 2008

Bảng giá của các phiên bản Windows Server 2008

Các kiểu ảo hoá.

Ảo hoá là lĩnh vực lớn, nó được tập hợp nhiều công nghệ tiên tiến chứ không đơn giản chỉ ảo hoá máy tính bình thường như mọi người lầm tưởng. Bởi vì trong hệ thống mạng của doanh nghiệp không đơn thuần chỉ là các máy tính hoặc các server. Trong hệ thống mạng có nhiều thứ có quan hệ với nhau: các server cung cấp dịch vụ, hệ thống client bao gồm máy tính cá nhân, laptop, smartphone, PDA. Các hệ điều hành khác nhau như là Windows, Apple, Linux… Các thiết bị lưu trữ. Từ sự phức tạp của nhiều loại tài nguyên trong hệ thống mạng Microsoft đã đưa ra các công nghệ ảo hoá khác nhau để phục vụ cho nhu cầu của doanh nghiệp(như hình bên dưới).

Các kiểu ảo hoá của Microsoft

Hyper-V là thành phần trong chiến lược ảo hóa datacenter đến desktop của Microsoft, các tính năng ảo hóa server của Hyper-V có thể giúp ích không chỉ cho server ở qui mô công ty với hàng trăm hay hàng ngàn máy trạm, mà còn cả server trong các văn phòng nhỏ. Hyper-V cho phép tạo ra các máy ảo với dung lượng bộ nhớ lớn và sử dụng được CPU đa nhân ảo, có các giải pháp lưu trữ động, và thế hệ mạng mới tốc độ cao. Có nghĩa là các trường hợp các máy chủ cần phải có cấu hình cao thì các máy chủ ảo của Hyper-V vẫn có thể đáp ứng được, không cần phải sử dụng đến các server riêng lẽ khác.
Mặt khác, DN có thể hợp nhất các server của chi nhánh nhỏ nhờ các tính năng của Hyper-V và System Center, như giám sát và quản lý tập trung, sao lưu tự động và các công cụ quản lý khác. Điều này cho phép các văn phòng chi nhánh hoạt động mà không cần có bộ phận IT tại chỗ.

System Center có thể tăng tính linh hoạt của hệ thống bằng cách chuyển các server vật lý thành các server trên máy ảo. Ví dụ, tính năng chuyển đổi vật lý sang ảo của System Center Virtual Machine Manager cho phép người quản trị chuẩn hóa nền tảng phần cứng server và chuyển một số ứng dụng nghiệp vụ sang máy ảo với thời gian gián đoạn tối thiểu. Với các công cụ giám sát của System Center, quá trình này có thể thực hiện tự động theo cách thức do người quản trị quyết định.Lợi ích của ảo hoá Hyper-V

• Độ tin cậy: Hyper-V cung cấp độ tin cậy tốt hơn và khả năng mở rộng lớn hơn mà cho phép ảo hóa cơ sở hạ tầng. Nó có một kiến trúc ảo nhân siêu nhỏ mỏng với bề mặt tấn công tối thiểu. Hypervisor không phụ thuộc vào bất kì trình điều khiển thiết bị nào của hãng thứ ba. Nó thúc đẩy phần lớn các trình điều khiển thiết bị đó đã được xây dựng cho Windows. Hyper-V cũng có sẵn trên Server Core .
• Hợp nhất máy chủ: Ảo hóa cho phép khả năng sử dụng, quản lý các tài nguyên các ứng dụng hiệu quả trên một máy chủ. Các máy chủ ảo hóa có khả năng làm công việc của mình với sự linh hoạt cao, tận dụng khả năng phần cứng tối đa, mà không có xung đột với các máy chủ ảo hóa khác. Hyper-V kiểm soát chặt chẽ các nguồn tài nguyên phần cứng có sẵn cho mỗi máy ảo. Ví dụ: máy ảo được cô lập hoặc tiếp xúc rất giới hạn với máy ảo khác trên mạng hoặc trên cùng một máy tính.
• Bảo mật: An ninh bảo mật là một thách thức chính trong mọi giải pháp máy chủ. Các máy chủ ảo hóa ít tiếp xúc với các chức năng máy chủ khác trên cùng một hệ thống chính. Ví dụ khi triển khai nhiều chức năng máy chủ trên một máy tính, mỗi máy chủ ảo hóa đảm nhận một chức năng, khi đó nếu một máy chủ ảo hóa bị mất quyền kiểm soát, thì vẫn đảm bảo kẻ tấn công khó có thể thể tiếp xúc với các máy ảo hóa khác trên cùng một máy chủ vật lý. Ảo hóa cung cấp một cơ hội để tăng cường an ninh cho tất cả các nền tảng máy chủ. Các tính năng Hyper-V sử dụng để tăng cường an ninh bao gồm:
  • Sử dụng máy chủ ảo hóa để tận dụng các tính năng, nâng cao mức độ bảo mật phần cứng.
  • Đảm bảo tiếp xúc chia sẻ của các máy chủ ảo hóa với nhau một cách.
  • An ninh mạng tính năng cho phép tự động Network Address Translation (NAT), tường lửa, và Chính sách bảo vệ truy cập mạng .
  • Giảm bề mặt tấn công thông qua một kiến trúc gọn nhẹ

• Hiệu suất: Hyper-V có thể ảo hóa khối lượng công việc đòi hỏi nhiều hơn các giải pháp ảo hóa trước đây và cung cấp khả năng phát triển trong hệ thống. Hiệu suất bao gồm:
  • Tốc độ cải tiến thông qua kiến trúc ảo hóa cốt lõi hypervisor. 
  • Hỗ trợ đa luồng tăng đến bốn bộ vi xử lý trên máy chủ ảo hóa.
  • Tăng cường hỗ trợ 64-bit, cho phép máy chủ ảo hóa chạy các hệ điều hành bit-64 và truy cập số lượng lớn bộ nhớ (lên đến 64 GB mỗi VM), cho phép xử lý khối lượng công việc chuyên sâu cao hơn.
  • Kiến trúc hypervisor cho phép chia cắt ra các lớp thực thi và các trình điều khiển, làm việc chặt chẽ hơn với ảo hóa kiến trúc phần cứng.
  • Nâng cao hiệu suất phần cứng. Chia sẽ, tối ưu hoá truyền dữ liệu giữa các phần cứng vật lý và máy ảo.

Kiến trúc ảo hóa của Hyper-V

Hiện nay có rất nhiều kiến trúc ảo hóa khác nhau đối với các hãng và các ứng dụng ảo hóa. Thì kiến trúc ảo hóa là một yếu tố quan trọng quyết định đến khả năng khai thác hiệu suất phần cứng của các máy chủ vật lý x64. Phần mềm ảo hóa nào có kiến trúc ảo hóa tốt thì khả năng khai thác phần cứng tốt, tối ưu được hoạt động của các máy chủ ảo, tăng khả năng chịu lỗi cũng như khả năng bảo mật của hệ thống server doanh nghiệp. Trong đó kiến trúc của Hyper-V có khả năng khai thác tốt nhất với lớp hypervisor giao tiếp trực tiếp với phần cứng của máy chủ.

Kiến trúc của Hyper-V

Hyper-V gồm 3 thành phần chính: hypervisor, ngăn ảo hóa (Virtual stack) và mô hình I/O (nhập/xuất) ảo hóa. Hypervisor là lớp phần mềm rất nhỏ hiện diện ngay trên bộ xử lý (BXL) theo công nghệ Intel-V hay AMD-V, có vai trò tạo các “partition” (phân vùng) mà thực thể ảo sẽ chạy trong đó.

Một partition là một đơn vị cách ly về mặt luận lý và có thể chứa một hệ điều hành làm việc trong đó. Luôn có ít nhất 1 partition gốc chứa Windows Server 2008 và ngăn ảo hóa, có quyền truy cập trực tiếp các thiết bị phần cứng. Partition gốc tiếp theo có thể sinh các partition con (thường được gọi là máy ảo vì bản thân chúng chứa môi trường hoạt động độc lập cho một máy ảo) để chạy các hệ điều hành máy khách. Một partition con cũng có thể sinh tiếp các partition con của mình.

Máy ảo không được truy cập tiếp đến bộ vi xử lý vật lý, mà chỉ “nhìn thấy” bộ vi xử lý do hypervisor cấp cho. Máy ảo cũng chỉ được sử dụng thiết bị ảo, các yêu cầu liên quan đến thiết bị ảo sẽ chuyển qua VMBus đến thiết bị ở phân vùng cha(parent partition). Và thông tin hồi đáp lại cho các máy ảo cũng thông qua VMBus(như hình bên dưới mọi yêu cầu điều qua VMBus). Mọi tiến trình yêu cầu và trả lời điều trong suốt với hệ điều hành máy chủ vật lý, có nghĩa là hệ điều hành máy chủ vật lý không ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của Hyper-V. Hyper-V được tích hợp sẵn trong HĐH Windows Server 2008 x64 hoặc Windows Hyper-V Server 2008 x64. Hyper-V móc trực tiếp đến các luồng xử lý của của BXL, nhờ vậy việc vận hành máy ảo hiệu quả hơn so với kiến trúc ảo hóa trước đây.

Kiến trúc hoạt động của Hyper-V

Hypervisor là một lớp nhỏ dưới 1MB nằm trong các bộ vi xử lý Intel VT hoặc AMD x64, nó nhỏ nên việc lỗi rất khá hiếm xảy ra, và nó giúp khai thác được không gian bộ nhớ lớn hơn các nền tảng x86(32 bit). Và trong đó hiệu suất của các máy chủ ảo cũng phụ thuộc vào hệ điều hành đang chạy trên máy chủ ảo, có 3 loại hệ điều hành sau hỗ trợ trên Hyper-V tốt nhất:

• Hyper-V Aware Windows Operrating Systems: là các dòng hệ điều hành của Microsoft hỗ trợ tốt nhất hiệu suất của Hyper-V. Có khả năng dùng Integration Services để khởi tạo Virtual Service Clients trong việc liên lạc với Virtual Service Providers (VSPs) đang chạy trên phân vùng chính thông qua VMBus.
• Hyper-V Aware Non Windows Operating Systems: là những dòng hệ điều hành không phải của Microsoft nhưng lại tương thích với Hyper-V.
• Non Hyper-V Aware Operating System: là những dòng hệ điều hành không phải của Microsoft và cũng chưa được kiểm duyệt là tương thích với Hyper-V, nên mất đi khả năng tích hợp dịch vụ vì vậy hiệu suất khai thác phần cứng của hệ điều hành này chưa cao.

Kết luận

Hyper-V đã giúp cho các doanh nghiệp khai thác tối ưu hiệu suất của các server vật lý nền x64 một cách hiệu quả nhất, khả năng truy cập và quản lý bộ nhớ có thể lên đến 1TB RAM trên máy chủ vật lý và 64G RAM cho các máy ảo đối với phiên bản Enterprise và Datacenter. Còn phiên bản Standard có khả năng quản lý 32G RAM máy chủ vật lý và máy ảo có thể lên đến 31G RAM. Và việc sử dụng Hyper-V để ảo hóa hệ thống server sẽ giúp doanh nghiệp tiết kiệm được điện, không gian, và nhiệt độ, đặc biệt là công việc quản lý server sẽ hiệu quả hơn.