La virtualisation des serveurs s'oppose à la tendance à utiliser des machines dédiées comme serveurs, une tendance qui a connu un certain succès grâce à l'utilité et à la facilité de déploiement de ces machines. Cependant, ces dernières sont généralement peu performantes. Optimisées pour une fonction unique, nombre d'entre elles sont vouées à l'évolution future et nécessitent des mises à niveau constantes. Pire encore, leur prolifération a engendré une charge administrative toujours plus importante, des réseaux de centres de données tentaculaires et une forte dissipation thermique.
La solution au problème de sous-utilisation des ressources est la virtualisation, dont le principe repose sur une couche d'abstraction logicielle appelée hyperviseur. L'hyperviseur se situe entre le matériel et le système d'exploitation. La virtualisation permet à plusieurs systèmes d'exploitation et applications de coexister sur une même plateforme informatique physique. Le schéma illustre un exemple de virtualisation avec trois serveurs logiques sur la même plateforme. La virtualisation des serveurs, notamment lorsqu'elle est associée à la technologie des serveurs lames, accroît la densité de calcul et de stockage tout en optimisant la flexibilité des ressources informatiques.
La description d'un serveur virtualisé dans la figure 1 suggère une relation client-serveur classique avec l'utilisateur. La virtualisation introduit une séparation intéressante entre la puissance de calcul et l'interface utilisateur. Cet article porte sur la virtualisation des serveurs et ses effets au sein du centre de données.
Les serveurs virtualisés prendront en charge l'ensemble des applications d'entreprise, des applications multimédias, du stockage, ainsi que des services de gestion et de contrôle. L'adoption de la virtualisation s'accélère. En février 2010, Microsoft® annonçait que 20 % des serveurs livrés étaient virtualisés. VMware®, fournisseur leader d'hyperviseurs, indiquait que ses clients avaient virtualisé 25 % de leurs serveurs. Nul ne sait précisément quelle sera l'ampleur de la croissance de la virtualisation, mais les fournisseurs et les analystes prévoient un triplement au cours des cinq prochaines années.
La virtualisation ne se limite pas aux grandes entreprises. De nouveaux produits unifiant le calcul, le réseau et le stockage sont conçus pour optimiser les avantages de la virtualisation pour les organisations cloud et les PME.
Plateforme de serveurs virtualisés :
Les contrôleurs haut débit Broadcom NetXtreme® I et NetXtreme II® offrent des fonctionnalités avancées de virtualisation réseau conçues pour aider les clients à développer et déployer des produits adaptés à une large gamme d’applications. La position dominante de Broadcom sur le marché, avec plus de 70 % de parts de marché dans les segments des contrôleurs réseau 1G et 10G, s’explique par la réussite de la virtualisation réseau sur des marchés clés en forte croissance. Parmi ces marchés figurent les serveurs d’applications Web 2.0 hautes performances, les systèmes de trading financier à faible latence et les environnements de cloud computing haute densité.
La virtualisation des contrôleurs réseau permet aux utilisateurs de consolider leurs ressources matérielles réseau et d'exécuter simultanément plusieurs machines virtuelles sur un matériel consolidé. Elle offre également un ensemble complet de fonctionnalités telles que le partage des E/S, la consolidation, l'isolation et la migration, ainsi qu'une gestion simplifiée grâce aux capacités d'agrégation et de basculement.
Broadcom a collaboré avec différents fournisseurs de machines virtuelles (VM), notamment VMware vSphere, Microsoft Hyper-V™, Red Hat® KVM et Citrix® Xen, afin de proposer un ensemble complet de fonctionnalités de virtualisation réseau, indispensables à l'adoption de la norme 10GBASE-T dans les environnements de centres de données et de cloud. Les fonctionnalités décrites ci-dessous permettent d'éliminer les goulots d'étranglement liés à la virtualisation et d'améliorer les performances du système grâce à leurs capacités supplémentaires :
• Déchargement sans état : Les contrôleurs réseau Ethernet Broadcom prennent en charge le déchargement sans état, notamment :
- Déchargement de la somme de contrôle TCP (CSO), qui permet aux adaptateurs réseau de calculer la somme de contrôle TCP à
la transmission et à la réception.
- Déchargement d'envoi TCP volumineux (LSO), qui permet à la couche TCP de créer un message TCP d'une longueur maximale de 64 Ko et de l'envoyer via un appel de pile sur IP et le pilote de périphérique Ethernet, évitant ainsi au processeur hôte d'avoir à calculer la somme de contrôle dans un environnement virtuel.
• Prise en charge des trames jumbo : Dans les environnements virtuels, l'utilisation de trames jumbo permet de réduire la charge du processeur en diminuant les interruptions et d'améliorer les performances en permettant au système de se concentrer sur les données contenues dans les trames plutôt que sur les trames environnantes.
• Prise en charge de plusieurs files d'attente : Un gestionnaire de files d'attente de transport Broadcom utilise une technologie de mise en file d'attente intégrée avec VMware ESX NetQueue. La surcharge supplémentaire liée à la recherche de routes, à la copie des données et au filtrage est déportée vers un adaptateur réseau, où le gestionnaire de files d'attente de transport peut transmettre des paquets provenant de plusieurs files d'attente et diriger les paquets reçus vers plusieurs files d'attente. Si une paire de files d'attente de transmission/réception est dédiée à une machine virtuelle, la carte réseau peut fournir un accès DMA à la mémoire de la machine virtuelle et le vSwitch ne gère que le fonctionnement du plan de contrôle.
• Déchargement réseau : Les technologies VMware statique, VMDirectPath et Fixed Pass (FPT) permettent de dédier entièrement les cartes d'interface réseau Broadcom NetXtreme II (C-NIC) à la machine virtuelle haute performance. FPT utilise AMD IOMMU ou Intel VT-D pour assurer les E/S de données DMA du périphérique physique vers la machine virtuelle, en contournant la couche de virtualisation et en offrant ainsi un accès physique complet de la CNIC Broadcom à la machine virtuelle.
• Déchargement du stockage : La fonctionnalité iSCSI HBA permet le traitement sur puce du protocole iSCSI (ainsi que des protocoles TCP et IP), libérant ainsi des ressources du processeur hôte à des débits de 10 Gbit/s sur un seul port Ethernet.
• Démarrage iSCSI : Le serveur peut démarrer un système d'exploitation (OS) sur un SAN, éliminant ainsi le besoin de stockage sur disque local (principale source d'erreurs dans les systèmes informatiques). Outre la fiabilité accrue du système, l'utilisation de serveurs sans disque simplifie la charge de travail de l'administrateur informatique en centralisant la création, la distribution et la maintenance des images de serveur, en réduisant les besoins en capacité de stockage grâce à une utilisation accrue de la capacité du disque et en ajoutant une redondance des données grâce à l'utilisation de répliques et de la réplication des données.
Conception des réseaux de centres de données :
La virtualisation a deux impacts majeurs sur les réseaux de centres de données. Premièrement, la demande en bande passante. Les plateformes de serveurs consolidées nécessitent des connexions à haut débit pour prendre en charge plusieurs processus. Le stockage contribue également à cette demande. Le contenu multimédia et l’accumulation des données applicatives augmentent la charge de stockage, et la présence de davantage de données engendre immédiatement un besoin d’accès à haut débit.
Il en résulte un besoin crucial d’un réseau de centre de données à large bande passante.
Couche de base : Plateforme serveur virtualisée.
L’impact de la virtualisation réside dans la facilité de réutilisation des ressources informatiques. La virtualisation permet au matériel d’exécuter de multiples fonctions et de transférer ces fonctions vers d’autres plateformes matérielles. Cette flexibilité de calcul et de stockage est associée à celle des capacités réseau du serveur. La figure 2 illustre un exemple de plateforme serveur virtualisée et consolidée, dotée du réseau serveur avancé de Broadcom® Corp.
Le réseau physique doit s’adapter aux exigences et aux avantages de la virtualisation, notamment l’augmentation de l’utilisation et de la bande passante. Pour ce faire, les professionnels des réseaux les plus visionnaires ont mis en œuvre des topologies de type « End-of-Row » (EoR) ou « Top-of-Rack » (ToR) dans leurs réseaux de centres de données.
Option 1 : Topologie en bout de rangée.
À titre de référence, la figure 3 illustre un centre de données pré-virtualisé, où chaque ressource (serveur, périphérique de stockage, etc.) est connectée individuellement à un commutateur Ethernet.
Cette topologie utilise des connexions par câblage structuré difficiles à modifier. La virtualisation facilitant les modifications, une architecture réseau qui les entrave est intrinsèquement problématique. La topologie conventionnelle est également en voie d’obsolescence, car un grand nombre de liaisons 1 Gigabit est incompatible avec la consolidation des serveurs, qui nécessitent moins de connexions, mais plus rapides. Le réseau doit prendre en charge cette transition d’un réseau de nombreuses « racines fines » à un réseau plus restreint de « racines denses ».
La topologie de réseau en bout de rangée (EoR), illustrée à la figure 4, pallie les limitations d'un réseau de centre de données conventionnel en dédiant un commutateur Ethernet à chaque rangée de baies d'équipements. Les ressources virtualisées de chaque baie, dans chaque rangée, sont connectées à un commutateur EoR. Ce commutateur assure également la connexion principale au hub du centre de données.
La topologie EoR divise les connexions physiques et de trames d'un niveau en deux, ce qui accroît l'adaptabilité du réseau. L'EoR limite la longueur des câbles du niveau inférieur à celle d'une rangée de baies. Des câbles plus courts sont généralement plus faciles à installer et à remplacer.
La topologie EoR limite l'impact de la reconfiguration des ressources à une seule rangée de baies, et non à l'ensemble du centre de données. L'EoR permet de réutiliser certains éléments du réseau physique existant, même si des modifications et des mises à niveau importantes peuvent s'avérer nécessaires.
Option 2 : Topologie en haut de baie (ToR).
La topologie ToR (Figure 5) diffère sensiblement de l’architecture conventionnelle. Elle dédie un commutateur Ethernet à chaque baie de serveurs. Le commutateur ToR interconnecte les équipements de chaque baie et fournit une liaison trunk vers un point d’agrégation du centre de données.
À l’instar de la topologie EoR, la topologie ToR divise les connexions physiques et de trames du commutateur en deux niveaux. La différence réside dans la granularité du niveau inférieur. Alors que la topologie EoR assure la modularité au sein d’une rangée de baies, la topologie ToR assure la modularité de chaque baie individuellement.
Il est important de noter que la conception ToR ne limite pas une baie de serveurs à un seul commutateur. Le schéma ci-dessus illustre deux commutateurs dans une baie : un commutateur principal et un commutateur de redondance. Si les commutateurs Ethernet sont déployés sous forme de lames, il est possible d’en accueillir davantage dans une même baie. La
comparaison entre les topologies ToR et EoR est complexe. De nombreux aspects liés aux réseaux de couche 2 et de couche 3 doivent être pris en compte. Voici quelques avantages relatifs de chaque topologie :
Top of Rack
(Terrain en haut de la baie) : câblage moins structuré,
plus facile à modifier et à étendre
, plus modulaire.
End of Row
) : impact moindre sur l’infrastructure,
moins de commutateurs et de connexions trunk,
gestion simplifiée et meilleure compatibilité.
Biographies des auteurs
- David Veneski est directeur de l'unité commerciale Installation de communications de données chez Fluke Networks. Il est responsable de la gestion et du marketing des produits pour toutes les solutions de certification cuivre et fibre optique destinées aux réseaux d'entreprise. Auparavant, il a occupé des postes de direction marketing chez Cisco Systems, Apple® Computer et Motorola®. David est titulaire d'une licence de l'Institut polytechnique Rensselaer et d'un master de l'Université du Connecticut.
- Abhijit Aswath est chef de produit senior chez Broadcom Corporation. Il est responsable de la gestion et du marketing des logiciels de contrôleurs de réseaux haut débit. Il possède une vaste expérience dans les secteurs du stockage, des serveurs et des semi-conducteurs. Abhijit est titulaire d'une licence en réseaux informatiques et d'un master en administration des affaires de l'Université d'État de Caroline du Nord.
