CC BY
53
УДК 621.38
Виртуализация вычислительных мощностей в центрах обработки данных
Т.С. Аббасова, к.т.н., доцент Российского государственного университета туризма и сервиса (РГУТиС), г. Москва, e-mail: abbasova_univer@mail.ru
В.М. Артюшенко, д.т.н., профессор РГУТиСа, г. Москва, e-mail: artuschenko@mail.ru
Рассмотрены особенности эксплуатации крупных вычислительных центров с интерактивным управлением, построенных на основе технологий виртуализации; представлена аналитическая оценка эффективности использования технологий виртуализации в системе интерактивного управления кабельной проводкой и статистическая оценка стоимости владения виртуальной инфраструктурой.
The features of exploitation of large computer centers with an interactive management, built on the basis of technologies of virtualization are considered; the analytical estimation of efficiency of the use of technologies of virtualization in the system of interactive management the cable wiring and statistical estimation of ownership a virtual infrastructure cost is presented.
Ключевые слова: виртуальный режим работы, вычислительные мощности, коммутационное поле.
Key words: virtual operating mode, computing power, switchboard (switching field).
Ц е л ь р а б о т ы: выбор электротехнических характеристик высокоскоростной кабельной системы, построенной на основе технологий виртуализации, с учетом требований к интерактивности управления и обеспечения электромагнитной совместимости каналов связи и оборудования вычислительного центра.
В настоящее время для крупных центров обработки данных (ЦОД) спроектированы интеллектуальные системы управления физическим уровнем. Они позволяют отображать на специальной карте соединения коммутационного поля и непрерывно регистрировать перемещения и конфигурационные изменения сетевых элементов. Для повышения эффективности интерактивного управления предполагается использовать решения виртуализации [1].
Основным предназначением системы интерактивного управления является осуществление постоянного мониторинга портов коммутационных панелей структурированной кабельной системы (СКС) вычислительного центра в кроссовых и других специализированных помещениях и предупреждение о неисправностях. Некоторые неисправности могут быть исправлены автоматически, устранение других требует вмешательства системного администратора. Схема мониторинга приведена на рис. 1. Ставится задача формирования предупреждаю-
щего сигнала не в момент отказа, а в предотказо-вом состоянии. Это помогает снизить время простоя сети и приблизить его к нулю в тех случаях, когда неисправности не могут быть устранены автоматически.
Требуется формализовать процедуру выбора параметров кабельной системы с учетом ее интеграции с системой интерактивного управления СКС. Оборудование интерактивного управления с опцией автоматического контроля коммутационных соединений должно присутствовать в составе штатной элементной базы СКС, если число портов N>10 000 (требования европейского стандарта EN 50174-1).
Рис. 1. Функциональная схема работы системы интерактивного управления СКС
Следовательно, в такой СКС большой объем передаваемой информации, скорость передачи и плотность портов коммутационного поля, поэтому при выборе параметров важно обеспечить соответствие электротехнических параметров кабельной системы требованиям электромагнитной совместимости. Необходима многокритериальная оптимизация, которая должна учитывать эксплуатационные параметры, электромагнитную совместимость и энергетическую эффективность при использовании технологий виртуализации (снижение затрат на энергопотребление и на эксплуатацию оборудования СКС).
При выборе эксплуатационных параметров СКС, приведенных в табл. 1, надо проверить совместимость этих значений. Например, не у каждого производителя СКС есть в ассортименте выпускаемой продукции экранированная витая пара или система автоматизированного управления [2, 3].
Таблица 1. Эксплуатационные параметры СКС
В табл. 2 приведены варианты реализации различных компонентов СКС для обеспечения определенных электротехнических характеристик.
Уровень электромагнитных помех при совместной прокладке силовых (питающих) и информационных кабелей можно уменьшить, если использовать кабельный желоб с высокими краями. Предпочтительно в этой конструкции распределить силовые кабели по одному краю, а информационные кабели по другому краю. Между силовыми и информационными кабелями рекомендовано использовать металлический разделитель [4].
Ширина кабельного канала оценивается по формуле
Вк = (1+ кр) ndи + dc + г, (1)
где п - число информационных кабелей; dи - диаметр информационного кабеля; кр - коэффициент пространственного разнесения в кабельном желобе (кр=0,6 для 10-Гигабитных при-
№ п/п Наименование параметра Бариашы реализации
1 Производитель BICC БгаМ^ех, RIT Technologies, ITT Cannon Richk & De-Massari, другие
2 Топология Физическая - шина, кольцо, звезда; логическая - звезда
3 Класс A, B, C, D, E, F
4 Однородность Однородная, неоднородная
5 Представление информационных портов Одинарное, двойное, смешанное
6 Тип физической среды Коаксиал, неэкранированная витая нара, экранированная витая нара, оптоволокно, радиоэфир
7 Тип прокладки кабеля Открытая (снаружи стены), скрытая (внутри стены)
8 Число портов на рабочем месте 1, 2 (для горизонтальной подсистемы), более 2 (для магистральных подсистем)
9 Расположение терминального оборудования на рабочем месте Напольное, настенное, в вертикальной стойке
1G Исполнение коммутационного центра Открытое, закрытое, защищенное
11 Резервирование каналов и коммутационных ресурсов Без резерва, частичный резерв, полный резерв, полный связанный резерв
12 Тип гарантии От имени производителя СКС, от имени инсталлятора СКС
Таблица 2. Электротехнические характеристики СКС
№ п/п Наименование параметра (характеристики) Варианты реализации
1 Защищенность канала связи от помех Неэкранированная витая пара, экранированная витая пара, оптоволокно
2 Плотность портов коммутационного поля Увеличение плотности портов, уменьшение числа портов, использование одного организатора для двух коммутационных панелей или коммутаторов
3 Способы ориентации шнуров относительно патч-панелей Вертикальные организаторы, горизонтальные организаторы, угловые коммутационные панели
4 Схемы коммутации патч-панели Взаимосвязанная, перекрестная, бесшнуровая (беспроводная), электронная
5 Схема получения информации с датчика подключения коммутационного шнура к патч-панели Контактная, бесконтактная
6 Энергетическая эффективность при различных режимах работы Традиционный режим, виртуальный режим
ложений); - диаметр силового кабеля;
йс - диаметр силового кабеля; г - расстояние между силовым и информационным кабелем.
Чем больше частота, тем больше уровень электромагнитных помех. При экранировании хотя бы одного из параллельно расположенных проводов (кабелей) электромагнитные помехи значительно уменьшаются. Экранное затухание в таких экранах может быть вычислено исходя из выражения [5].
Аэ12 = 8,74(1 - К^К^эГВД = Ап12 + Ао!2, (2)
где КрэЛ, Крэ2 и Кэ1, Кэ2 - коэффициенты реакции и экранирования первого и второго слоев экрана соответственно; АП12, Ао12 - экранное затухание поглощения и отражения соответственно.
Наибольшее распространение в цифровых кабелях получили двухслойные защитные экраны, что доказано расчетами эффективности составных экранов.
Существует зависимость экранного затухания двухслойного цилиндрического экрана от толщины диэлектрических прокладок между слоями. Наибольший экранирующий эффект создает граница диэлектрик-медь. Затухание отражения на соответствующих границах составляет: 32,1 дБ - воздух-медь; 9,6 дБ - воздух-сталь; 19,1 дБ медь-сталь. Вместе все сопряжение (воздух-медь-сталь-воздух) дало всего 35,9 дБ [5].
Способы ориентации шнуров относительно патч-панелей и схемы коммутации патч-панели выбираются в зависимости от частоты передачи. На частотах свыше 300 МГц беспроводные коммутационные панели пока не применяются. Электронная схема коммутации пока тоже мало применяется из-за высокой стоимости.
Для получения информации с датчика подключения коммутационного шнура к патч-панели можно предложить контактную и бесконтактную схему. Электрический контакт обладает низкой вероятностью безотказной работы, а надежность беспроводного контакта выше. Предлагается следующее техническое решение для реализации беспроводного контакта: в каждый порт патч-панели встраивается транспондер с вынесенной вперед индивидуальной стержневой антенной.
На рис. 2 представлено беспроводное решение, в котором не требуются специальные коммутационные панели и которое возможно реализовать с уже проложенной проводкой.
С установленного в стойке коммутационного оборудования выполняется прямое считывание данных о подключениях между портами.
Рис. 2. Схема радиочастотной идентификации портов
Тип соединения (электрическое или оптическое) не имеет значения. Полученные данные передаются на консоль управления по локальной (локальный филиал) или глобальной (удаленные филиалы) сети. При необходимости консолей может быть несколько. С помощью консолей осуществляются задачи планирования, изменения конфигурации и документирования проводки.
Активные радиочастотные катушки системы служат для определения местоположения пассивных трансиверов с точностью до нескольких миллиметров. Монтаж трансиверов лучше осуществить параллельно со сборкой коммутационного шнура. Тонкие пластинки трансиверов прикрепляются на концах коммутационных шнуров. Трансивер является пассивным, поэтому источник питания не нужен. Предлагаемое беспроводное решение может быть использовано для уже изготовленных коммутационных шнуров.
Функции взаимодействия выполняет модуль считывания. Это линейный контроллер, реализованный в виде шины, проходящей над или под розетками портов коммутационного оборудования. Шина имеет большое число расположенных недалеко друг
от друга катушек RFI (от англ. Radio Frequency Identification - бесконтактная радиочастотная идентификация).
Одному трансиверу могут соответствовать несколько катушек. Операции по считыванию данных о структуре проводки должны осуществляться для панели с произвольной плотностью портов. При этом монтажный конструктив может иметь любые габаритные размеры, а размеры контролируемого порта должны быть намного больше размеров радиочастотных катушек.
При произвольной плотности портов всегда имеется определенный избыток катушек. Число катушек не равно числу трансиверов. При сканировании программное обеспечение системы распределяет катушки и трансиверы «по парам».
Алгоритм разработанной программы сканирования портов оборудования показан на рис. 3.
Программа обеспечивает непрерывное проведение сканирования по независимым каналам сбора данных и запись результатов сканирования во внутреннюю память ПК и в файлы в двух форматах: текстовом с расширением «.txt» и бинарном с расширением «.bin». Наиболее удобным является текстовый формат сохранения данных, так как он предполагает возможность простого экспорта данных для дальнейшей обработки в программные среды MS Excel и MathSoft MathCAD. С помощью этого алгоритма можно обнаружить несанкционированные вмешательства в конфигурацию кабельной системы, планирование и выполнить реконфигурацию кабельной системы в заданный момент времени.
Для увеличения энергетической эффективности при интеграции в СКС системы интерактивного управления предложено использовать виртуальный режим работы.
Оценим суммарную производительность виртуального сервера:
W = En £ Wp , (3)
1
где En - эффективность распараллеливания вычислительных процессов при виртуализации вычислительных мощностей; Wp - производительность виртуального сервера p; n - число виртуальных
серверов в системе.
Величину En можно выразить формулой
En = (4)
ПТп
где т1 и тп - время выполнения всего задания на одном виртуальном сервере и на всех виртуальных серверах соответственно:
T = tn i, (5)
Tn = i/ n . (6)
В двух последних формулах tn - полное время выполнения одной итерации на одном виртуальном сервере, i - число итераций; ^р - среднее выполнение одной итерации на одном виртуальном сервере, состоящем из n виртуальных процессоров.
Эффективность распараллеливания вычислений составит:
En = tn / t^. (7)
Суммарная производительность физического сервера, состоящего из нескольких логических (виртуальных), увеличивается в En раз, а затраты на энергопотребление уменьшаются в En раз.
Оценим статистические данные загрузки вычислительного оборудования [6,7]. Средняя
Инициализация драйвер а устройства ___ ♦ _______________________
Определение прерываний и адресов для DAQ ~~ ♦
Проверка работоспособности IN70UT портов
— V
Инициализация модуля настройки портов и----------
Т -1
Назначение портов и их параметров ________ + _____________________________
Инициализация модуля сканирования входных данных на порты
Инициализация и запуск модулей, корректирующих дополнительные параметры сканирования (порты, время и др.)
Запуск DAQ на снятие данных і
tGXT
Запуск временной задержки на сканирование
*
Я Инициализация и запуск модуля фильтра помех щ
й с определенными параметрами я и
с і а
•и К Запуск модуля построения на экране графика с о a
и 5 заданными параметрами к л л &
о щ & 1 в а + § | §* а,
| Передача точных значений в отдельные модули программы |
£ в
| Записъпромежуточных данныхвбуферхранения | и
а о Ё | Завершение работы модуля сканирования | ш о и
И | Ожидание указаний пользователя |
УКАЗАНИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ
Ж
Завершение работы программы и её оболочки
Выгрузка всех модулей программы
С
Остановка работы драйвера и модуля
13=
ж
]>Q>t
Сохранение результатов в файлы *.txt и *bin
3=
Запуск диалогового окна
t
Запись файла на диск I
Коней
D
Рис. 3. Алгоритм программы сканирования портов оборудования
загрузка работающих на предприятиях серверов -приблизительно 10.. .15%. Консолидация физических серверов с помощью средств виртуализации позволяет перенести около 10 физических серверов в виртуальные машины, которые запускаются на одном физическом сервере и поднимают его загрузку до 50.60%. Этот факт не означает снижение стоимости владения серверами в 10 раз. В реальных проектах часто одновременно происходит модернизация серверного парка с консолидацией, например, на «Ыades»-серверы («лезвия»). С одной стороны, стоимость новых «blades»-серверов увеличивается; с другой стороны, затраты при их эксплуатации уменьшаются, в первую очередь, затраты на электроэнергию. Общее число необходимых для серверов сетевых портов и маршрутизаторов может быть прямо пропорционально уменьшено, и, соответственно, прямо пропорционально уменьшится эффективная плотность портов. В некоторых случаях для меньшего числа серверов могут понадобиться дополнительные порты, что определяется на стадии планирования и разработки архитектуры решения. Статистические исследования показали [3], что показатель TCO (от англ. total cost of ownership - совокупная стоимость владения) для ИТ-инфраструктуры снижается на 60.80% (рис. 4).
За грузка Сово куп н ая
■стоимость впадения
Рис. 4. Статистическая оценка совокупной стоимости владения
Таким образом, при виртуализации вычислительных мощностей уменьшается число портов коммутационного поля, так как количество оборудования (и принадлежащих ему портов) сокращается. Это очень важно для высокоскоростных 10-гигабитных приложений на кабеле типа «витая пара», так как в этом случае недопустимо увели-
чивать плотность портов коммутационного поля. Если же эти порты будут пространственно разнесены, то ухудшатся массогабаритные характеристики коммутационного оборудования.
Система интерактивного управления кабельной проводкой должна включать в себя программное и аппаратное обеспечение для контроля шнуров и портов коммутационного оборудования.
Для получения информации с датчика подключения коммутационного шнура к патч-панели целесообразно использовать бесконтактную схему, так как электрический контакт обладает более низкой вероятностью безотказной работы по сравнению с беспроводным контактом.
При виртуализации вычислительных ресурсов можно на 60% снизить плотность портов коммутационного поля и повысить суммарную плотность компоновки функциональных секций активного и пассивного оборудования в технических помещениях в 5...10 раз.
ЛИТЕРАТУРА
1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Total_cost_of_ownership.
2. Семенов А.Б., Стрижаков С.К., Сунчелей И.Р. Структурированные кабельные системы. 5-е изд. перераб. и доп. - М.: ДМК Пресс, 2004.
3. Артюшенко В.М., Аббасова Т.С. Структурированные кабельные системы. Учебное пособие. - М.: МГУС, 2005.
4. Аббасова Т.С., Артюшенко В.М. Методы инсталляции и проектирования электрических кабельных линий в 10-гигабитных системах связи // Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2009, т.5, №2, С. 8 - 16.
5. Артюшенко В.М. Защита структурированных кабельных систем от электромагнитных воздействий // Теоретические и прикладные проблемы сервиса, 2005, №3(16), С. 20 -27.
6. Торок Э. Реальное планирование - виртуальная работа // LAN, 2008, №2, С. 37 - 44.
7. А. Колесов. Переход на технологии виртуализации // РС Week/RE №40 (646) 28 октября - 3 ноября 2008.
Поступила 21.07.2009 г.
