クラウドコンピューティングデータセンターにおける仮想化技術の適用を分析する3つの側面

本稿では、クラウド コンピューティング データ センターのリソース使用率とユーザー QOS を向上させるニーズを分析し、主要技術である仮想化技術に焦点を当てて、サーバー仮想化、ネットワーク仮想化、ストレージ仮想化の 3 つの側面をまとめ、クラウド コンピューティング プラットフォームの可用性モデルを確立し、IAAS、PAAS、SAAS の 3 つのクラウド サービス モードの可用性計算方法を分析します。最後に、クラウド コンピューティング可用性参照モデルが一般的なクラウド サービス モードに適用できることが実験を通じて検証されます。

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1. 概要

現在、データセンターの規模は急速に拡大しています。 Netcraft のサーバー数レポートによると、Akamai Technology は 105,000 台のサーバーを保有しており、OVH は 100,000 台のサーバーを保有しており、Google はエネルギー消費量に基づいて約 900,000 台のサーバーを保有していると推定しています。急速に発展するデータセンターは、多数のユーザー要求、高いエネルギー消費、高い運用・保守コスト、不十分なセキュリティなどの顕著な問題に直面しています。したがって、データセンターでは、コストを削減し、リソースの使用率とシステムの信頼性を向上させるために、新しいテクノロジーを採用する必要があります。

クラウド コンピューティングの概念が最初に提案されて以来、その目標は非常に明確でした。つまり、仮想化テクノロジを使用して、既存の分散リソースをスケーラブルな動的リソースに統合し、ネットワークをキャリアとして使用して、ハードウェア インフラストラクチャ、オペレーティング プラットフォーム、ビジネス機能ソフトウェアなどの形式で自動化されたサービスを提供することです。ユーザーは、ネットワークを使用して、低価格で優れたサービス品質保証 (QOS) を備えたリソースとサービスをオンデマンドで取得できます。オンデマンド サービス、広範なネットワーク アクセス、リソース共有、柔軟なコンピューティング、測定可能なサービスなどの特徴を備えています。クラウド コンピューティング研究における現在のホットなトピックには、主にリソース使用率の向上、エネルギーの節約、運用コストの削減、クラウド コンピューティングのセキュリティなどがあります。

クラウド コンピューティング データ センターでは、リソースが集中的にスケジュールされ、ネットワークが拡張可能で、システムが信頼性が高く、運用と保守が自動化されていることが求められます。仮想化テクノロジーは、基盤となるハードウェア リソースを抽象化し、上位レベルのアプリケーションに対して透過的になります。分散したリソースを仮想の管理可能な動的リソースに統合することで、オンデマンドのリソース管理を実現し、動的リソースの利用率を向上させます。したがって、仮想化技術はデータセンターの発展を推進する中核技術です。

2. 仮想化技術

データセンターのハードウェアには、主にサーバー、ストレージ、ネットワークが含まれます。そのため、仮想化技術も、サーバー仮想化技術、ストレージ仮想化技術、ネットワーク仮想化技術の 3 つの部分に分けられます。

2.1 サーバー仮想化

サーバー仮想化の目的は、サーバー リソースの利用率を向上させ、データ センターでのグリーン エネルギーの節約を実現することです。技術的な実装ソリューションとしては、オペレーティングシステムレベルの仮想化（OS-Level）、ホスト仮想化（Hosted）、ベアメタル仮想化（Bare-Metal）に大別できます。

オペレーティング システム レベルの仮想化は、オペレーティング システム内のコンテナー VE (仮想環境) をシミュレートしてアプリケーションを実行します。すべての仮想マシンはカーネル空間を共有し、最高のパフォーマンスと最小のリソース消費を実現します。欠点は、オペレーティング システムとの強い相関関係です。たとえば、基本オペレーティング システムが Windows の場合、仮想マシン システムは Windows のみになります。代表的な製品としては、Parallels 社の Virtuozzo (商用製品) や OpenVZ (オープンソース プロジェクト) などがあります。

ホスト仮想化テクノロジーは、仮想マシン管理層の仮想マシン モニター (VMM) を導入して、基本的な仮想ハードウェア プラットフォームを構築し、仮想化システムの独立性を実現します。

ホスト型仮想化では、VMM がすべてのリソースのスケジュールを管理する必要があるため、仮想化のパフォーマンスは低く、主に個々のユーザーやテストに適しています。代表的な製品としては、VMware Workstation、Microsoft Virtual PC、Virtual Server、Oracle Virtual Box などがあります。

ベアメタル仮想化テクノロジーは、オペレーティング システムの代わりに VMM を使用してハードウェア リソースを直接管理します。このハードウェア リソース管理方法のパフォーマンスは、ホスト仮想化とオペレーティング システム仮想化の中間です。ベアメタル仮想化技術の代表的な製品としては、VMware 社の Vsphere Esxi シリーズ製品、Microsoft 社の Microsoft Hyper-V シリーズ製品、Citrix 社の Citrix XenServer シリーズ製品などが挙げられます。上記の仮想化技術は比較的成熟しており、金融、証券、インターネットなどの業界の生産環境で広く使用されています。

2.2 ネットワーク仮想化

ネットワーク仮想化は、物理ネットワークリソースを使用して独立した仮想ネットワークを論理的に分割し、マルチテナント権限の分離、論理ネットワークの自由な制御、ネットワークトラフィックの分離のニーズを満たすネットワーク技術の開発方向です。 4096 論理ネットワークの制限により、仮想ローカル エリア ネットワーク (VLAN) は、多数の仮想マシンで構成される大規模なレイヤー 2 ネットワークのネットワーク要件を満たすことが困難です。

仮想化製品では、VMware やその他の仮想化ベンダーが Vswitch の概念を提案しています。これは、ソフトウェア スイッチを使用して同じ物理サーバー内の VM レイヤー 2 ネットワーク アクセスを解決し、物理サーバー間の VM レイヤー 2 アクセスを従来のアクセス レイヤー スイッチに転送して処理するものです。

ただし、Vswitch の導入には 2 つの問題があります。 1 つ目は、VSwitch の管理上の問題です。 Vswitch はサーバーに導入され、ネットワーク管理とサーバー管理の境界が曖昧になります。 2 つ目は、Vswitch のパフォーマンスの問題です。同じ物理マシンの VM レイヤー 2 トラフィックは依然としてサーバーの CPU によって処理されるため、リソース パフォーマンスの使用率を向上させるという仮想化の要件を満たしません。

仮想スイッチの管理問題を解決するために、シスコは最初に Nexus1000V 技術アーキテクチャを提案しました。 Nexus1000V ソフトウェアを導入し、管理レベルで仮想化を構成し、VSwitch を物理スイッチのように管理することで、従来の VSwitch の機能を拡張できます。ただし、この製品はネットワークとサーバー管理の境界問題を解決するだけであり、サーバーのパフォーマンスにも一定の影響を与えます。

パフォーマンス問題を解決するために、IEEE (米国電気電子技術者協会) 標準化団体は、802.1Qbg EVB (Edge Virtual Bridging) と 802.1Qbh BPE (Bridge Port Extension) という 2 つの標準を提案しました。現在、シスコは FEX+VN-Link (vNIC、vETH、ポート プロファイルを含む) テクノロジーを使用して 802.1Qbh 標準システムを実装しています。

2.3 ストレージ仮想化

ストレージ仮想化は、ストレージ システムの内部システムを使用して、コンピューティング、ネットワーク、およびアプリケーション リソースをさらに抽象化および分離し、データ管理、アプリケーション、およびネットワークから独立した論理的に統合されたストレージ リソースを実現することと定義されます。

仮想オペレーティング環境では、仮想プラットフォームに仮想ストレージ デバイスを提供する主な方法は 4 つあります。1) 並列ファイル システム、NFS、OCFS2 などを含むネットワーク ストレージ プロトコルに基づく方法。この方法では信頼性の高いネットワーク サポートが必要ですが、安定性とパフォーマンスが低いという欠点があります。 2) SAN ディスク、iSCSI ディスクなどの物理ハードディスク (パーティションを含む)。この方法の欠点は、ストレージ スペースの容量を簡単に調整できないことです。 3) 仮想ディスク イメージ ファイル方式に基づくと、現在一般的なイメージ ファイル形式には、vmdk、vhd、img などの形式が含まれます。この方法の利点は、構成ファイルを通じてイメージ ファイルのプロパティを柔軟に構成できることです。 4) 論理ボリューム方式に基づいて、容量を動的に増減でき、スナップショット、ストライピング、IO 並列パフォーマンスの向上などの属性をサポートできます。現在、主な論理ボリューム管理ツールには、LVM、HPLVM、EVMS、VxVM、および Linux カーネルに基づくその他の論理ボリューム管理ツールが含まれます。

3. クラウド コンピューティング可用性リファレンス モデル

バークレーのクラウドコンピューティングモデルの定義によれば、クラウドコンピューティングモデルは、インフラストラクチャプラットフォームIAAS（Infrastructure as a service）、プラットフォームサービスPAAS（Platform as a service）、ビジネスソフトウェアSAAS（Software as a Service）の3つの層に分けられます[6]。このうち、IAAS は主にネットワーク アーキテクチャと仮想化技術に焦点を当ててインフラストラクチャ サービスを提供しており、PAAS は主にアプリケーション開発を対象として開発プラットフォーム サービスを提供しており、SAAS はエンド ユーザーを対象としてソフトウェア製品サービスを提供しています。ガートナーによれば、パブリッククラウドの市場シェアは2013年に18%増加し、1,310億米ドルに達する見込みです。 IAASに関しては、成長率は47.3％、市場シェアは90億米ドルです。インフラストラクチャ、アプリケーション、ビジネス データをクラウド コンピューティング プラットフォームに移行する企業が増えるにつれ、クラウド サービス プロバイダーのサービス品質 (QOS) に対する要求はますます高まっています。

3.1 クラウドコンピューティングの可用性モデル

クラウド コンピューティング モデル (CCM) を図 1 に示します。このモデルは、インフラストラクチャ層 (IL)、クラウド コンピューティング サービス層 (SL)、ユーザー層 (UL) の 3 つの部分に分かれており、CCM={IL、SL、UL} と表すことができます。

IL ={コンピューティング、ストレージ、ネットワーク}

サービス層（SL）は、IAASリソースセット（RS）、PAASリソースセット、およびSAASリソースセットで構成され、次のように表すことができます。SL = {IAAS RS、PAAS RS、SAAS RS}

定義 1: AU (可用性単位): 上位層にサービスを提供する、接続された 2 つの層間の最小のサービス単位。クラウド コンピューティング サービスの最小単位です。同じレイヤー内の複数の AU は互いに独立しており、互いに影響を及ぼしません。

定義 2: AS (可用性セット): 同じレイヤーで、複数の AU が連携して、負荷分散サービス (LBS) や高可用性サービス HA (高可用性) などの同じサービスを提供します。

図1 クラウドコンピューティングの可用性モデル

定義 3: DA (展開可用性): 展開後のサービスの信頼性。これは、サービスを提供するマルチレイヤー AU および AS に関連します。たとえば、SAAS サービスでは、サードパーティの PAAS と IAAS を使用してサービスを提供します。

定義 4: AU は、独立した信頼性が一定の λ であると仮定した場合のクラウド コンピューティング サービスの最小単位です。

定義 2 によれば、AS はすべての AU が失敗した場合にのみ失敗します。したがって、AS の展開の信頼性は次のように表すことができます。

図1に示すように、SAAS事業は2つのPAASによって共同で提供されています。 PAAS の信頼性を向上させるために、各 PAAS には 2 つの IAAS によるサービスが共同で提供されます。式（4）によれば、次のような結論を導くことは難しくない。

クラウドコンピューティングの可用性モデルを分析し、クラウドコンピューティングユーザーのリソース利用率とQOSを向上させるために、仮想化技術を使用してAUの信頼性と利用率を向上させ、リソースのオンデマンド利用を実現します。

4. 実験分析とまとめ

クラウド コンピューティングの可用性リファレンス モデルを検証するために、3 台の Cisco Ucs B200 ブレード サーバ、2 台の Cicso6248 スイッチング マトリックス、1 台の EMC NAS48 ストレージが使用され、VMware Vsphere 5.1 サーバ仮想化ソフトウェア、VMware Vcenter 管理ソフトウェア、および VMware Vcloud Director データ センター管理ソフトウェアがインストールされました。 2つのIAASプラットフォームの機能を構築し、アプリケーションサービスをシミュレートしました。 VMware Vsphere 5.1 の HA、DRS (Distributed Resource Scheduler)、Vmotion 機能と組み合わせることで、可用性リファレンス モデルに基づいて次の結論が導き出されました。クラウド コンピューティング データ センター内の電源や冷却などの外部要因が確保されている条件下では、システム全体のビジネス復旧時間は年間を通じて 10 時間以内であり、ユーザー システムの可用性 99.9% を満たすことができます。

本稿では、クラウド コンピューティング データ センターにおけるリソース使用率の向上に対する需要を分析し、サーバー仮想化、ネットワーク仮想化、ストレージ仮想化の 3 つの側面からデータ センターの仮想化技術をまとめます。クラウドコンピューティングビジネスの可用性のための可用性モデルを確立し、IAAS、PAAS、SAASの3つのサービスモードの可用性計算方法を分析し、最後にクラウドコンピューティング可用性参照モデルが一般的なクラウドサービスモードに適用できることを実験を通じて検証します。