Comprendere i volumi virtuali (vVol) in VMware vSphere 6.7 e 7.0
Lo storage è una componente fondamentale di ogni computer, server e data center, compresi gli ambienti virtuali. Una corretta configurazione dello storage garantisce prestazioni e affidabilità ottimali. Quando un data center cresce e gestisce grandi quantità di dati, l’automazione e la scalabilità diventano una necessità. VMware offre la funzione vVols, che cambia il concetto tradizionale di archiviazione dei dati su storage condiviso. Questo post del blog tratta VMware vVols (VMware Virtual Volumes), compresi i casi d’uso e il principio di funzionamento di questa funzione.
Retroscena
VMware vSphere viene utilizzato per virtualizzare le infrastrutture IT e creare data center virtuali completamente definiti dal software, in cui un amministratore può configurare tutti i componenti in VMware vSphere astraggendosi dall’hardware.
Quando VMware ha rilasciato le prime versioni di ESX e VMware Workstation, questi hypervisor utilizzavano l’emulazione software per eseguire VM. Con la crescente popolarità della virtualizzazione, VMware ha convinto i partner e altri fornitori che la virtualizzazione è essenziale nel mondo moderno. Di conseguenza, le funzioni di virtualizzazione sono state implementate nei processori Intel e AMD come set di istruzioni Intel VT-x e AMD-V. Rispetto alla virtualizzazione tramite solo software hypervisor, la virtualizzazione hardware supportata a livello di CPU ha migliorato le prestazioni delle VM. Mentre i cluster ESXi consentono di astrarre dal punto di vista della CPU, i cluster ESXi consentono anche di astrarre dagli host ESXi sottostanti che eseguono le VM.
La popolarità delle VM ha continuato a crescere. Il passo successivo è stato la virtualizzazione della rete, poiché l’utilizzo di dispositivi di rete hardware tradizionali in ambienti virtuali complessi con un numero elevato di VM era scomodo. Ora è possibile utilizzare gli switch virtuali VMware (uno standard vSwitch e distributed vSwitch operante a livello VMKernel) per connettere gli adattatori di rete virtuali VM a diverse reti e dispositivi. VMware ha inoltre sviluppato NSX, una piattaforma di rete dedicata definita dal software che può essere integrata con VMware vSphere. Successivamente, i fornitori hanno deciso che uno switch virtuale poteva essere implementato a livello hardware negli adattatori di rete, dando vita alla tecnologia SR-IOV. Quando le funzionalità VLAN per isolare le reti non erano più sufficienti, in particolare per i fornitori di infrastrutture come servizio (IaaS), i fornitori hanno sviluppato la tecnologia VXLAN che richiede il supporto hardware. Il vantaggio della virtualizzazione della rete è che vengono utilizzati meno collegamenti fisici via cavo tra i dispositivi di rete e la rete è centralizzata.
La fase successiva è la virtualizzazione dello storage. VMware ha sviluppato VMware vSAN che consente di creare un’infrastruttura virtuale iperconvergente utilizzando lo storage definito dal software e astrattizzando le unità disco fisiche. VMware non si è fermata qui e ha sviluppato vVols per portare lo storage definito dal software a un livello superiore. La funzione VMware vVols è stata introdotta con VMware vSphere 6.0.
Motivi per utilizzare vVol
Cuando años atrás fueron creados los tradicionales array de storage, los vendors de storage y software decidieron utilizar LUN (Logical Unit Number) para mapear los LUN, precisamente como se haría con una partición de un disco rigido. L’idea iniziale era che un sistema operativo utilizzasse solitamente il LUN come disco singolo o come disco condiviso per un cluster. Quando VMware ha sviluppato il proprio prodotto VMware vSphere, l’azienda ha adottato il LUN per connettere lo storage condiviso tramite una rete agli host VMware ESXi e formattare un LUN utilizzando VMFS, un file system cluster sviluppato da VMware. VMFS è un file system affidabile e apprezzato dagli utenti. Tradizionalmente, un amministratore di sistema (un amministratore di storage) crea un LUN sull’array di storage necessario, monta questo LUN su un host ESXi e crea un archivio dati utilizzando il LUN collegato creando il file system VMFS.
Diversi tipi di storage
Quando un’infrastruttura virtuale cresce e sono presenti diversi tipi di dischi, RAID e configurazioni di deduplicazione sugli array di storage, il provisioning dello storage potrebbe essere obbligatorio con maggiore frequenza. VM diverse richiedono livelli di servizio diversi in base a criteri diversi. Immaginate che gli array di dischi sui vostri dispositivi di storage abbiano le seguenti caratteristiche: ridondanza (RAID 1/RAID 0), interfaccia/tecnologia dei dischi (Flash/SSD, SAS HDD, SATA HDD), deduplicazione (abilitata/disabilitata). In questo caso, abbiamo 12 possibili combinazioni di configurazioni di storage.
Quando si utilizza l’approccio tradizionale, è necessario creare un LUN/archivio dati per ogni tipo di storage per soddisfare le possibili capacità. Tuttavia, un tipo di storage può essere utilizzato più frequentemente di un altro per il provisioning dello storage delle VM. È difficile ricordare quale VM deve utilizzare questo o quel tipo di storage in una grande infrastruttura virtuale quando si hanno centinaia o migliaia di VM. Inoltre, quando lo storage più veloce e affidabile è pieno, possono sorgere dei problemi perché, normalmente, tutti vogliono archiviare una VM sullo storage migliore. Anche l’errore umano è un potenziale problema. In tal caso, è necessario utilizzare Storage vMotion e Storage DRS per migrare i file delle VM verso archivi dati liberi di classi di storage disponibili. VMware vVols può semplificare la vita in questo caso.
VMware vVols e criteri di archiviazione
VMware vVols è una tecnologia innovativa che delega alcune operazioni specifiche dell’archiviazione all’hardware di archiviazione, come SAN (Storage Area Network) e NAS (Network Attached Storage). In questo caso, i fornitori di sistemi di array di storage devono implementare il supporto per vStorage API for Array Integration (VAAI) per i propri dispositivi di storage. L’utilizzo di VAAI alleggerisce notevolmente i server ESXi dalle attività relative allo storage, trasferendole all’hardware degli array di storage e aumentando le prestazioni.
Un amministratore di sistema deve definire una serie di criteri da utilizzare per le diverse VM al momento della loro creazione, a seconda dei requisiti. Ad esempio, è possibile definire diversi criteri e impostare i nomi per essi, come Classe superiore, Classe media e Classe inferiore:
Classe superiore – Flash/SSD, RAID1, deduplicazione abilitata
Classe media – HDD SAS, RAID1, deduplicazione abilitata
Classe bassa – HDD SATA, RAID0, deduplicazione disabilitata.
È anche possibile creare più criteri per adattarsi a tutte le combinazioni possibili (12 combinazioni nel nostro esempio) se si dispone della configurazione hardware di storage appropriata.
Quando si crea una nuova VM, l’amministratore deve selezionare un criterio per l’archiviazione della VM. Un criterio viene applicato agli oggetti VM utilizzando vVol su base VM. Quindi, viene creato un LUN sull’array di storage appropriato per ogni oggetto VM, come un disco virtuale, un file di swap, un file di configurazione, un file di memoria virtuale o altri file VM specifici. Le funzioni e la configurazione dello storage sono astratte dal consumatore dello storage.
La gestione basata su criteri consente agli amministratori vSphere di risparmiare tempo in ambienti virtuali di grandi dimensioni, poiché non devono cercare manualmente una destinazione di storage adeguata per una VM tra gli array di storage disponibili con spazio libero. Le politiche di storage VMware vVol sono gestite a livello di disco virtuale della VM.
LUN e replica
Un archivio dati VMFS viene creato su un singolo LUN. Di solito, nelle grandi infrastrutture virtuali vengono creati centinaia di archivi dati VMFS su LUN provisionati. L’hardware di archiviazione non è a conoscenza dei file delle VM archiviati su tali LUN. Se si utilizza la replica sincrona basata sull’archiviazione a livello hardware dei sistemi di array di archiviazione, l’hardware di archiviazione esegue la replica dei dati dell’intero LUN con tutte le VM archiviate su questo LUN e, in questo caso, non è possibile replicare solo una VM.
Leggi i vantaggi del backup e della replica delle VM a livello di host .
Creare un LUN per ogni VM è una cattiva idea, poiché complica la gestione dei volumi VMFS. VMware Virtual Volumes (vVols) è stato progettato per risolvere questi problemi, rendere più granulare la gestione dello storage delle VM ed evitare l’uso dello LUN > volume VMFS > Archivio dati schema per fornire storage a una VM.
Connessioni e carichi
Se si utilizzano N host ESXi e M LUN su un array di storage, allora NxM le connessioni di rete vengono utilizzate per la comunicazione tra VM e archivio dati quando si utilizza il provisioning di storage tradizionale per le VM. Se sono presenti molti dischi thin (dischi con provisioning thin) sugli archivi dati, ad esempio nelle infrastrutture di desktop virtuali (VDI) (VDI), il carico dell’hardware di storage aumenta. L’espansione di un disco virtuale sottile e l’aggiunta di nuovi blocchi su questo disco influiscono sulle prestazioni dei dischi virtuali di altre VM situate sullo stesso archivio dati. Questo è un altro problema che può essere risolto utilizzando vVols.
Maggiori dettagli sono spiegati di seguito nella sezione relativa all’endpoint del protocollo.
Vantaggi dell’utilizzo di vVols
Ecco un elenco di alcuni dei vantaggi dell’utilizzo di VMware vVols:
- Gestione semplificata dello storage per ambienti virtuali di grandi dimensioni
- Gestione dello storage flessibile e granulare a livello di VM
- Utilizzo ottimale delle risorse, regolazione dinamica in tempo reale
- Prevenzione dell’overprovisioning
- Provisioning dello storage automatizzato e centralizzato basato su criteri
- Nessuna necessità di LUN preconfigurati sul lato storage
- Operazioni di offload quali snapshot, clonazione, crittografia dei dati, Storage DRS da host ESXi all’hardware di storage
- Capacità di soddisfare meglio i requisiti di storage delle VM
- La gestione incentrata sui dispositivi viene modificata in gestione incentrata sulle VM
Il principio di funzionamento
Il concetto alla base di VMware vVols è che una VM e i dischi virtuali sono unità di base della gestione dello storage, a differenza dei LUN che sono interi archivii dati in cui sono archiviati i file di più VM. L’organizzazione dei dati tramite VMware vVols è comoda per gli array di storage nei grandi data center con molte VM.
VMware vVols è lo storage di basso livello per le VM che supporta le operazioni a livello di array di storage, in modo simile ai LUN tradizionali utilizzati per creare archivii dati. Invece di utilizzare il tradizionale file system VMFS, un array di storage definisce come fornire l’accesso e organizzare i dati per le VM utilizzando l’array di storage.
Un’altra funzione di vVols è che non esiste un file system per i dischi delle VM, a differenza degli archivi dati VMFS sui LUN in cui sono archiviati i file del disco virtuale VMDK. Un file system viene creato in un sistema operativo guest come se si stesse collegando un nuovo disco rigido vuoto da utilizzare dal sistema operativo.
Il file system VMFS viene creato sui vVol di configurazione della VM, dove sono archiviati i file VMX. In questo caso sono supportate le operazioni ATS (Atomic Test & Set). ATS è un insieme di comandi per gestire il blocco del file system sui dispositivi dell’array di storage.
I nuovi volumi virtuali VMware (vVol) vengono creati automaticamente su un array di storage quando si crea una nuova VM, si crea uno snapshot di una VM, si clona una VM o si replica una VM.
Quando si crea una nuova VM, vengono creati più vVol:
- 1 vVol di configurazione utilizzato per archiviare un file di configurazione VMX di una VM
- Viene creato 1 vVol per ogni disco virtuale
- Se necessario, viene creato 1 vVol per un file di swap (partizione)
- Viene creato 1 vVol per ogni snapshot del disco e snapshot della memoria
È possibile considerare VMware vVols come incapsulamenti di dischi virtuali e degli altri file VM sopra menzionati.
ESXi supporta connessioni fino a 256 LUN. Affinché VMware vVols superi questo limite, è necessario utilizzare uno speciale dispositivo logico chiamato IO Demultiplexer o IO Demux nell’array di storage. Il dispositivo è un canale di input/output logico che fornisce l’accesso a tutte le VM che devono accedere ai propri dischi virtuali su un array di storage. Con VMware vVols, si astraggono dai protocolli di condivisione basati su blocchi come iSCSI o FC (fibre channel) e dai protocolli basati su file come NFS. Viene fornita un’architettura di storage unificata per tutti i protocolli supportati.
Esploriamo altre funzioni di vVols.
- Lo spazio libero diventa automaticamente disponibile dopo l’eliminazione dei file sulle VM senza la necessità di eseguire il comando UNMAP (Thin Provisioning Block Space Reclamation).
- I pool di capacità vengono creati su SAN per definire il livello di capacità di storage accessibile nei pool e i criteri che limitano le operazioni di basso livello nel pool.
- I profili per la QoS (Quality of Service) vengono creati per soddisfare i requisiti di prestazioni di storage delle VM. Impostare i parametri di prestazioni e i criteri sui dati da applicare a livello di vVol o di pool di capacità.
vVols è il successore di VAAI. Se il funzionamento di vVols non è possibile, il sistema passa all’uso delle primitive VAAI. VAAI (vStorage API for Array Integration) ha lo scopo di scaricare alcune operazioni di storage dagli host VMware ESXi ai sistemi di array di storage.
Storage Provider (provider VASA) è un livello software fornito dai produttori di hardware per array di storage per garantire l’interazione dei componenti VMware vSphere con l’hardware di storage che contiene VMware vVols come contenitori di storage. Un provider di archiviazione può essere implementato come componente di un array di archiviazione (hardware) e come virtual appliance (una VM in esecuzione su un host ESXi in VMware vSphere). Gli host ESXi e vCenter si connettono a un provider di archiviazione.
VASA (vSphere API for Storage Awareness) è un componente software utilizzato per garantire la consapevolezza dello storage in VMware vSphere. VASA è un’API (interfaccia di programmazione dell’applicazione) utilizzata per integrare gli array di storage con vCenter e consentire la gestione da vCenter.
Contenitore di storage è un’entità logica che raggruppa i VMware vVol per tipo per eseguire l’amministrazione. Un contenitore di storage viene creato sull’hardware dell’array di storage. Il contenitore può essere ridimensionato. È possibile accedere a un contenitore di storage tramite più endpoint di protocollo contemporaneamente.
Endpoint di protocollo è un dispositivo I/O logico (proxy) utilizzato per l’interazione delle VM in esecuzione su Host VMware ESXi con i volumi virtuali VMware (vedere l’immagine con connessioni NxM e carichi sopra). Tutte le VM sono connesse all’endpoint di protocollo per accedere ai propri volumi virtuali. Quando si utilizzano i vVol, vengono stabilite connessioni M invece che MxN, mentre si utilizzano dischi VMDK tradizionali su archivio dati VMFS. Gli host ESXi non hanno accesso diretto ai vVol sul lato storage.
La profondità della coda per gli endpoint di protocollo è 128, superiore a quella per LUN (32). È possibile creare un numero illimitato di endpoint di protocollo, ma non è necessario farlo perché un PE può servire migliaia di VMware vVol. I vVol delle VM possono essere collegati all’endpoint di protocollo in VMware vCenter. iSCSI, NFS v3, FC e FCoE sono i protocolli supportati che rappresentano lo standard industriale per i dispositivi SAN e NAS. L’endpoint riceve comandi SCSI o NFS. L’endpoint di protocollo può essere considerato come un analogo del punto di montaggio in Linux.
Requisiti e limitazioni
Prima di iniziare a utilizzare VMware vVols, è necessario leggere i requisiti di sistema e le limitazioni.
- I volumi virtuali VMware sono disponibili in tutte le edizioni di VMware vSphere a partire da vSphere 6.0 (per VMware vSphere 7.0 utilizzare le edizioni Enterprise Plus e Standard). Sono obbligatori VMware ESXi 6.0 e vCenter 6.0 o versioni successive. Poiché VMware vVols richiede vCenter, vVols non può essere utilizzato su un host ESXi autonomo. Raw Device Mapping (RDM) non è supportato.
- L’hardware del server deve supportare VMware vSphere 6.0 o versioni successive. Consultare la Guida alla compatibilità VMware.
- Un sistema di array di storage deve supportare VMware vVols tramite VASA (VMware APIs for Storage Awareness). Un array di storage potrebbe avere un’implementazione specifica del fornitore di vVols che richiede un upgrade del firmware sul sistema di array di storage.
- L’ora deve essere sincronizzata sugli host ESXi e su tutti i componenti di storage. Si consiglia di utilizzare NTP (Network Time Protocol) per la sincronizzazione dell’ora.
Il flusso di lavoro (panoramica)
Esaminiamo i passaggi principali per la configurazione di VMware vVols. Un amministratore di sistema deve seguire il flusso di lavoro descritto di seguito per utilizzare i volumi virtuali VMware vSphere.
Sincronizzare l’ora su tutti i dispositivi (host VMware ESXi, server vCenter, sistemi di array di storage).
Registrare un provider di storage (VASA Provider) in vCenter utilizzando VMware vSphere Client. È possibile utilizzare un plug-in vSphere Web Client o l’interfaccia utente del sistema di storage per registrare un provider di storage. Una volta registrato il provider di storage, viene stabilita una connessione SSL sicura tra vCenter e il provider di storage.
Creare un archivio dati virtuale per VMware vVols. Un archivio dati vVol viene creato su un contenitore di storage collegato a un provider di storage. Una volta creato un archivio dati, non è possibile estendere e aggiornare un archivio dati vVol perché il sistema di array di storage controlla completamente l’archivio dati vVol. Dopo aver creato un archivio dati vVol, montare l’archivio dati vVol su host VMware ESXi aggiuntivi.
Mappare le funzionalità di storage ai criteri di storage delle VM (le funzionalità di storage devono essere configurate su un sistema di storage prima di configurare i criteri di storage delle VM). Creare criteri di storage in vCenter per soddisfare i requisiti di storage delle VM e fornire il livello di servizio appropriato, incluse le prestazioni di storage, la ridondanza, ecc.
È necessario scegliere un provider di storage (ad esempio, NetApp, Dell EMC o HP 3PAR con supporto per vVols) e selezionare le funzioni necessarie per un criterio.
Creare una VM e, nella fase successiva di configurazione dello storage, selezionare un criterio di storage delle VM. Viene scelto automaticamente un array di storage adeguato e vengono creati i vVol per archiviare i dati delle VM.
È possibile migrare i dischi delle VM dagli archivi dati VMFS, NFS e vSAN ai datastore vVol con Storage vMotion. È possibile gestire VMware vVols in vSphere CLI.
Prima di passare all’utilizzo di vVols al posto dei tradizionali archivi dati vMFS, assicurarsi che il software di backup supporti VMware vVols e sia in grado di eseguire il backup delle VM archiviate su vVols. VMware Virtual Volumes (vVols) supporta il software di backup che utilizza le API vSphere per la protezione dei dati (VADP). NAKIVO Backup & Replication supporta VMware vVols per eseguire il backup dei dati VMware. Se si distribuisce un provider VASA come appliance virtuale (ovvero una VM VMware su un Host VMware ESXi), non dimenticare di eseguire il backup del provider VASA. Senza il provider VASA, la struttura vVols potrebbe andare persa. Nella maggior parte dei casi, è possibile utilizzare le funzioni di ripristino di emergenza o alta disponibilità per eseguire un provider VASA sulle vApp dei fornitori di storage.
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Conclusione
VMware Virtual Volumes (vVols) è una funzione che offre un nuovo approccio al provisioning delle risorse di storage per le VM. Questo approccio offre una maggiore granularità e un livello di automazione più elevato, utili per ambienti virtuali di grandi e grandissime dimensioni con migliaia di VM. Il concetto alla base di vVols è che l’unità di gestione di base è una VM, non un archivio dati o un LUN.
La creazione di criteri che definiscono le caratteristiche degli array di storage e la selezione del criterio necessario per fornire il tipo di storage adeguato per una VM consentono agli amministratori di evitare errori involontari e di utilizzare le risorse hardware in modo più razionale. Con le API VMware (VASA, VAAI), le operazioni di storage come snapshot, replica, clonazione e crittografia vengono scaricate dai server ESXi ai sistemi di array di storage; tuttavia, la gestione dello storage per le VM viene eseguita in vCenter.
Gli endpoint di protocollo forniscono un’interfaccia unificata che aiuta a ridurre il numero di connessioni ed elimina la necessità di scegliere tra storage condiviso basato su blocchi e basato su file quando si fornisce lo storage per archiviare i file delle VM. VMware vVols ti avvicina di un passo alla creazione di un data center definito dal software.
