CC BY
72
№ 6 (48) 2013
М. Н. Затуранов, аспирант Финансово-технологической академии, г. Королев, in-fected@yandex.ru
Построение сетевых информационных систем на основе принципа виртуализации
Сетевые технологии представляют собой неотъемлемую и важную составляющую функционирования крупных предприятий, обеспечивая оперативность передачи, обработки и получения информации . Основной задачей внедрения технологий является создание центра обработки данных, которую можно решать на основе принципа виртуализации . В работе представлены результаты количественных экспериментов по оцениванию временных характеристик серверных систем, построенных на аппаратном и виртуальном принципах, и проведен их анализ . Предложен вариант замены физических дисков хранилищами данных .
Ключевые слова: сетевые технологии, информационные системы, виртуализация .
введение
Сетевые информационные технологии являются фундаментом для построения единого информационного пространства, которое сможет объединить удаленных поставщиков и потребителей информации. Развитие сетевой информационной системы чаще всего характеризуется увеличением объема передаваемой информации, усложнением входящих в нее топологий, а также повышением пользовательских требований к качеству обслуживания. Стабильность функционирования такой системы изменяется за счет изменения структуры, являющейся следствием загруженности одного или нескольких информационных сегментов. Проблемы стабильности функционирования и оценки стабильности сетевых информационных систем рассматривались в прикладных областях знаний (приложениях, программах), в работах ряда отечественных и зарубежных ученых: В. В. Со-лодовникова, В. А. Горбатова, Г. Николиса, Д. А. Поспелова, Б. С. Флэйшмана, И. При-гожина, Н. П. Бусленко. Цель данной работы — выявление особенностей применения принципа виртуализации информационных систем на примере центра обработки одного из машиностроительных предприятий.
выбор задачи и метода исследования
В настоящее время существует масса проблем в сфере обработки и систематизации данных на всех уровнях управления. С развитием новых технологий, таких как облачные технологии, технологии на основе создания центров обработки данных и виртуализация, проблемы в описываемой области стали разрастаться. К усложняющим факторам относится также рост объемов массивов данных, многообразия интерфейсов и представлений данных. Кроме того, сложность каждой системы в целом задает высокие требования к пониманию и разработке таких систем, которые в первую очередь будут решать задачи на машиностроительных предприятиях. Главной целью автоматизации таких предприятий служит автоматизация процессов разработки и проектирования конечной продукции. Но эта цель порождает большое количество важных задач, одной из которых является задача построения оптимальной информационной структуры автоматизации производства. Для последней задачи можно выделить множество подзадач:
• построение структурированной кабельной системы;
• построение сети передачи данных;
80 у
№ 6 (48) 2013
• создание узла доступа к сети Интернет;
• построение подсистемы передачи данных, обеспечивающей удаленное взаимодействие объектов в распределенной системе;
• создание логической структуры сети и службы каталога;
• обеспечение ИТ-инфраструктуры общесистемными сервисами;
• построение сервиса виртуализации вычислительных ресурсов;
• построение аппаратного серверного комплекса и подсистемы хранения данных.
Приведенный перечень не исчерпывает всех подзадач, но положительные результаты их решения позволяют осуществить автоматизацию использования ресурсов машиностроительного (или любого другого) предприятия.
Основной задачей автоматизации рационального использования ресурсов является построение сетевой информационной системы предприятия. Для ее осуществления необходимо решить задачи построения архитектуры вычислительного комплекса, сетей хранения данных, систем резервного копирования данных, технологии виртуализации и облачных технологий.
Перед тем как проводить предпроектное исследование для построения сетевой информационной системы, необходимо выделить несколько этапов, результаты выполнения которых в будущем помогут легко и безошибочно получать данные, необходимые для проектирования. Этапы можно объединить в две группы:
• этапы первичной обработки параметров сетевой информационной системы (имеет место определение совокупности исследуемых операций и выявление нескольких критериев оценки обрабатываемых данных в системе);
• этапы вторичной обработки параметров (необходимо указывать моменты по анализу данных первичной обработки, которые в совокупности помогут выявить дальнейшие пути решений в выборе сетевой информационной инфраструктуры).
Этапы позволяют составить представ- Ц ление о структуре и параметрах процесса, Ц но их реализация должна строиться на ос- <8 нове методов решения многокритериальных задач. Система многокритериальной оцен- ^ ки полученных данных не проста и поэтому требует особого выделения групп и подгрупп исследуемых данных сетевой информационной системы.
Формировать группы для анализа можно, руководствуясь принципом принадлежности информации, принимаемой на обработку, к одной и той же содержательной категории. К примеру, среднее время отклика БД можно включить в группу, в которой исследуются такие параметры, как среднее время чтения из БД/записи в БД, среднее время поиска в БД и т. д. Подгруппы формируются аналогичным образом.
Среди известных подходов к решению многокритериальных задач можно указать такие, как метод главного критерия (выбор из совокупности целевых функций одной), применение всех критериев одновременно (свертка критериев). В частности, для каждой группы и каждой подгруппы можно определить свои ограничения (которые зависят от поставленных целей и задач) и заменить совокупность целевых функций одной скалярной функцией, используемой в качестве критерия оптимизации.
Принцип создания виртуализации серверной инфраструктуры
Особенностью рационального использования вычислительных ресурсов является применение технологий виртуализации. Виртуализация представляет собой подход, основанный на введении промежуточного функционального слоя между вычислительным оборудованием и целевыми функциональными комплексами программного обеспечения, которые состоят, в свою очередь, из операционных систем и платформенного и прикладного ПО. Виртуализованная вычислительная инфраструктура состоит из наборов мощных физических серверов
№ 6 (48) 2013
(вычислительных пулов), каждый из которых образует общий ресурс вычислительных мощностей. На серверах вычислительного пула устанавливается специальное программное обеспечение виртуализации, осуществляющее эмуляцию конфигурируемых виртуальных серверов (виртуальных машин), каждому из которых для работы выделяется задаваемая часть общих ресурсов. ПО виртуализации обеспечивает полную изоляцию виртуальных машин друг от друга, осуществляя при этом их параллельную работу и гарантированное выделение каждому из них заданной доли общих ресурсов. Виртуальные машины получают также возможность использовать общие устройства ввода-вывода и дисковую память.
Таким образом, виртуализация серверов позволяет строить динамически изменяемую и наращиваемую вычислительную инфраструктуру, рационально использую-
щую выделенные ресурсы при минимальных накладных расходах на функционирование средств виртуализации.
Виртуальная инфраструктура включает в себя компоненты, представленные на рис. 1.
Виртуальная вычислительная инфраструктура обеспечивает возможности:
• виртуализации и консолидации ресурсов центральных процессоров физических серверов;
• хранения данных и загрузки виртуальных машин с использованием единой системы хранения данных;
• прозрачного разделения оперативной памяти;
• динамического перераспределения вычислительных ресурсов между виртуальными машинами.
Пример реализации инфраструктуры на имеющемся оборудовании показан на рис. 2.
t s
I
I &
« [
ig §
u о
S
is §
u
i
0 g
1
t
00 SU
5
<u
о
6
u ¿g
VMware Infrastructure
1 - станция управления
2 - сервер управления виртуальной инфраструктурой
3 - сервер резервирования
4 - ленточная библиотека
5 - локальная сеть
6 - ферма ESX серверов
7 - коммутаторы Fiber Channel или Ethernet (iSCSI)
8 - дисковый массив SAN, iSCSI SAN, NAS
9 - виртуальные машины
— Ethernet LAN
— Fiber Channel, NAS или iSCSI -- Fiber Channel или SCSI
Рис. 1. Схема основных компонентов виртуальной инфраструктуры
82
№ 6 (48) 2013
К коммутаторам серверного оборудования
Blade шасси
со
0
1
.55 со
Система хранения данных
Рис. 2. Схема основных компонентов виртуальной инфраструктуры (пример виртуализации)
Система хранения данных должна представлять собой кластерную дисковую систему с возможностью зеркалирования данных (рис. 3). Единственным недостатком такой системы может быть сложность отслеживания места записи информации. Главным достоинством является возможность записи данных одновременно на несколько дисков. При этом повышается надежность самой дисковой подсистемы, обеспечивается
возможность «горячей замены» устройств хранения, а также увеличивается скорость обработки данных за счет оптимизации кластерной инфраструктуры.
Предположительно объем хранилища должен быть равен объему дисковых накопителей, поскольку в противном случае не будут соблюдены требования к параллельному ведению данных во всей системе. Также хранилище для ускорения обработки
83
№ 6 (48) 2013
t s
I
I &
CO [
£ §
u о
§
is §
u
IE
0 §
1 f
CO
Su
IE
<u
о &
u
¿s
Рис. 3. Схема кластеризации информационных сетевых ресурсов ЛВС предприятия
данных может иметь структуру (или даже аппаратную составляющую) подобную структуре оперативной памяти компьютера, дублируя все изменения в системе на физические и сетевые носители.
Практическое исследование темы
Для сравнения времени выполнения одних и тех же задач на физическом и виртуальном серверах использовались физический и виртуальный серверы, имеющие конфигурацию, представленную в табл. 1.
Для целей проводимого эксперимента виртуальный сервер включал набор физических серверов, но обладал теми же ресурсами, что и физический сервер.
Данные по времени выполнения одинаковых задач представлены в табл. 2 и 3.
Аналитическая аппроксимация полиномиальным распределением второй степени,
выполненная средствами пакета MS Excel, представлена на рис. 4.
На модели можно наблюдать, что уровень аппроксимации R2 далек от значения 1, поэтому можно утверждать, что полиномиальная кривая описывает разброс по графику недостаточно точно, однако дает хорошее представление о характере зависимости выполнения различных типов задач от времени. Основная нагрузка на серверы приходится на задачи со временем выполнения от 0,2 до 1 сек.
Исследование включало в рассмотрение лишь часть задач, но даже по ним можно заключить, что вычислительная мощность должна быть достаточной, чтобы исключить задержки выполнения операции, в противном случае будет происходить рост очереди обрабатываемых заданий, что приведет к уменьшению производительности сервера.
84
№ 6 (48) 2013
Таблица 1 ig
Технические характеристики серверов Ц
1 Xeon (TM) MP 4x CPU 3,06GHz ОЗУ — 4,0 Gb ЖД (SCISI 3,5'' HotSwap): 8х146Gb Net adapter: 2 x 1 Gbit\sec Broadcom NetXtreme Gigabit Аппаратный
2 Xeon (TM) MP 4x CPU 3,00GHz ОЗУ — 16 Gb ЖД: 64 Gb, 150 Gb, 150 Gb, 510 Gb Virtual Network Adapter 1 Gb\sec Виртуальный
Таблица 2
Время выполнения программ различного типа на аппаратном сервере
Тип задачи Шаги < 0,1, с. 0,1-0,2, с. 0,2-0,3, с. 0,3-0,4, с. 0,4-0,5, с. 0,5-1, с. 1-2, с. jBÜ 3-10, с. > 10, с.
Распределенные программы 156 15 6 6 20 14 54 9 5 27 0
Локальные программы 18 576 9 921 10 1 452 3 287 1 370 1 822 386 115 167 46
Интернет-соединение 43 183 42 664 75 92 264 11 14 28 7 27 1
Соединение с БД и системами 38 191 17 075 1 233 591 339 232 8 229 3 847 2 198 3 402 1 045
Клиентские программы 1 988 566 1 610 026 135228 62 947 38 963 25 310 55 782 28 233 9 676 14 064 8 337
Обновления 148439 123 799 8 396 4 425 2 637 1 655 4 594 1 928 514 434 57
Прочее 141 415 140335 263 107 404 28 129 80 29 36 4
Фоновой режим 130837 118 233 2 262 892 482 319 1 220 623 1 225 597 4 984
Таблица 3
Время выполнения программ различного типа на виртуальном сервере
Тип задачи Шаги < 0,1, с. 0,1-0,2, с. 0,2-0,3, с. 0,3-0.4, с. 0,4-0,5, с. 0.5-1, с. 1-2, с. EBÜ 3-10, с. > 10, с.
Распределенные программы 303 21 6 31 43 32 93 39 5 33 0
Локальные программы 23 768 14 770 55 49 4 578 1 733 1 863 375 129 189 27
Интернет-соединение 44 629 43 899 60 32 575 7 14 14 8 20 0
Соединение с БД и системами 42 407 22 546 1 337 672 381 275 7 346 3 687 2 094 2 933 1 136
Клиентские программы 1 667 193 1 352 870 110 993 52 947 31 390 20 360 46 585 25 195 8 169 11 711 6 973
Обновления 105268 83 602 6 789 3 683 2 354 1 481 4 520 1 938 461 365 75
Прочее 260 525 259 215 554 143 366 29 112 65 17 17 7
Фоновой режим 149254 136839 2 249 778 434 270 1 143 563 1 282 529 5 167
-ч ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА
№ 6 (48) 2013 ' -
и
¡8
1 &
со [
её
Её
и о
€
Й §
и
I
0 §
1
I Й со !и
I
<и
о &
и
20000 19500 19000 18500 18000 17500 17000 16500 16000 15 500 15 000 14 500 14 000 13500 13000 12 500 12 000 11 500 11 000 10 500 10 000 9500 9000 8500 8000 7500 7000 6500 6000 5500 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 -I
Суммарное время реакции, с
Рис. 4. Математическая модель среднестатистических данных аппаратного и виртуального серверов
Виртуальный сервер в данном случае более предпочтителен, так как ресурсы выделяются по требованию, что сокращает простои оборудования. Задача создания алгоритмов назначения ресурсам приоритета ложится на производителей виртуальных систем.
Заключение
Задача создания центра обработки данных на основе принципа виртуализации относится к обязательным задачам каждой корпорации, имеющей в своем распоряжении сетевую информационную систему.
Важность ее решения обусловлена постоянным накоплением данных внутри корпорации и в ее филиалах, а также постоянным усложнением сетевой инфраструктуры. Центры обработки данных способны решить такие проблемы и обеспечить оперативность обмена информацией между сотрудниками предприятий и филиалами.
Основным преимуществом центров обработки данных является их высокая производительность, недостатком — сложная структура хранимых данных и, как следствие, их администрирование.
В результате проведенного эксперимента получено доказательство преимуществ тех-
86 у
№ 6 (48) 2013
нологии виртуализации при больших мощностях серверной инфраструктуры и при больших объемах обрабатываемых данных. Предложен вариант замены физических дисков (существующей дисковой подсистемы) хранилищами данных с функцией кластеризации хранимой информации. Существующую технологию виртуализации следует применять на предприятиях, имеющих множество физических серверов, обрабатывающих большие массивы данных и нуждающихся в рациональном распределении своих мощностей.
Концепция построения виртуальной инфраструктуры сетевой информационной системы охватывает обширную область в сфере обработки и хранения данных. Одним из направлений совершенствования этих систем может быть применение в них облачных технологий, реализованных функциями виртуализации. В настоящее время облачные технологии применяются преимущественно крупными компаниями, специализирующимися на обработке и хранении данных, однако есть основания ожидать значительного роста их востребованности. Хотя
они не лишены недостатков, в частности, Ц сложностей с обеспечением защиты инфор- Ц мации и персональных данных, тем не менее <8 динамичное развитие указанных технологий ^ позволяет надеяться на успешное решение ^ имеющихся проблем и получение значительного эффекта от их внедрения в сетевых информационных системах.
Список литературы
1. Запечников С. В., Милославская Н. Г., Толстой Л. И. Основы построения виртуальных частных сетей: учеб. пособие для вузов. М.: Горячая линия-Телеком, 2003. — 249 с.
2. Онлайн-статья журнала Jet Info Online. № 8. 2003. Б. Д. Альтерман, В. И. Дрожжинов, Г. Е. Моисе-енко. URL: http://citforum.ck.ua/security/articles/ plan/index.php.
3. URL: http://www.croc.ru/solution/data_centers/ index.php.
4. URL: http://www.microtest.ru/hardware/computing_ and_storage/index.php.
5. Каверзин И. Л., Махров П. Н. Факторы конкурентоспособности и инвестиционной привлекательности интернет-проектов // Современная конкуренция. 2012. № 5 (35). С. 44-53.
M. Zaturanov, Post-graduate student of The Finance and Technology Academy, city of Korolev, in-fected@yandex.ru
Building information networks based on the principle of virtualization
Information networks are the critical resource of large enterprises, providing high information transmission, processing and receiving speeds. The main objective of the introduction of technology is to create a data center, which can be solved on the basis of the principle of virtualization. The paper presents the results of numerical experiments evaluating the reaction times of server systems based on the principles of the hardware versus server systems based on the principles virtualization. The comparative analysis is given and an approach to physical drives replacement by data storages is suggested.
Keywords: network technologies, information systems, virtualization.
