Atualmente dedica-se à Teleco e à prestação de serviços de consultoria em telecomunicações.

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1 Virtualização: Uma Concepção Alternativa para Sistemas Computacionais Melhorar a utilização dos recursos através da Virtualização de infra-estruturas de TI está se tornando uma prioridade para muitas empresas. A implantação bem-sucedida requer a preparação prévia para determinar os componentes de infra-estrutura e arquitetura. Este tutorial procura explica brevemente os conceitos básicos da virtualização, os benefícios potenciais e a decisões importantes associadas a um projeto de virtualização e como começar uma avaliação de virtualização. Huber Bernal Filho Engenheiro de Teleco (MAUÁ 79), tendo atuado nas áreas de Redes de Dados e Multisserviços, Sistemas Celulares e Sistemas de Supervisão e Controle. Ocupou posições de liderança na Pegasus Telecom (Gerente - Planejamento de Redes), na Compaq (Consultor - Sistemas Antifraude) e na Atech (Coordenador - Projeto Sivam). Atuou também na área de Sistemas de Supervisão e Controle como coordenador de projetos em empresas líderes desse mercado. Tem vasta experiência internacional, tendo trabalhado em projetos de Teleco nos EUA e de Sistemas de Supervisão e Controle na Suécia. Atualmente dedica-se à Teleco e à prestação de serviços de consultoria em telecomunicações. hbernal@teleco.com.br Categorias: Infraestrutura para Telecomunicações, Operação e Gestão Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 26/07/2010 1

2 Virtualização: Introdução Projetos de Virtualização são o foco de muitos profissionais de TI que estão tentando consolidar servidores ou data centers, diminuir custos e implementar iniciativas bem sucedida sistemas verde de TI. A virtualização de recursos de TI pode ser pensada como a diminuição dos recursos computacionais de uma empresa, tais como capacidade de processamento, memória, largura de banda de rede e capacidade de armazenamento, para chegar à menor quantidade possível de plataformas de hardware e depois usar esses recursos para os sistemas operacionais e aplicativos de forma compartilhada por tempo (time-sharing basis). Esta abordagem tem como objetivo tornar o mais eficiente possível o uso dos recursos de TI. Ela difere dos modelos históricos de computação e rede, que tipicamente envolviam a vinculação de um aplicativo de software ou serviço determinado a um determinado sistema operacional (SO), que, por sua vez, foi desenvolvido para rodar em uma plataforma de hardware específica. Pelo contrário, a virtualização separa estes componentes, tornando-os disponíveis a partir de um conjunto de recursos comuns. Neste contexto, a virtualização evita que os departamentos de TI se preocupem com as plataformas de hardware ou software instaladas ao implantar serviços adicionais. A dissociação e a otimização desses componentes é possível se está sendo implementada a virtualização de servidores, desktops, aplicações, dispositivos de armazenamento, ou redes. Para virtualizar alguns ou todos os recursos de infra-estrutura computacional, os departamentos de TI necessitam de um software ou firmware de virtualização especial, ou mesmo de um serviço terceirizado que faz uso de software ou firmware de virtualização. Esse componente de software ou firmware, chamado de hypervisor ou camada de virtualização, realiza o mapeamento entre os recursos físicos e virtuais. É o elemento que permite que vários recursos possam ser dissociados e, em seguida, agregados e distribuídos, independentemente do hardware usado e, em alguns casos, até do sistema operacional. Desta forma, o hypervisor assume o gerenciamento de hardware do sistema operacional. Além da tecnologia de virtualização baseada no Hypervisor, a organização que supervisiona o projeto de virtualização necessita de uma ferramenta de gerenciamento de virtualização que pode ser obtida a partir do mesmo ou de outro fornecedor para configurar e gerenciar dispositivos virtuais e políticas. 2

3 Figura 1: Modelo de Virtualização 3

4 Virtualização: Motivação Porque Virtualizar? Uma razão importante pela qual as organizações de TI estão considerando a virtualização de alguns ou de todos os recursos de sua infra-estrutura computacional é que a tecnologia possa ajudar a tirar o maior resultado possível de seus investimentos em sistemas computacionais. Considere, por exemplo, o caso da infra-estrutura de servidor. Ao elevar o nível de utilização um ou mais de servidores de aplicação de 15% (cada um) para 85% (cada um), as empresas podem eliminar um número significativo de servidores físicos. É possível simplesmente consolidar os múltiplos servidores físicos em uma única máquina que executa uma série de servidores virtuais, ou logicamente separados. Historicamente, tem havido uma razão de 1:1 na relação servidor software de aplicação, porque interfaces específicas promovem sua interação. Isto deixou muitos ciclos de CPU sem utilização na maior parte do tempo, dedicados a uma aplicação em particular, mesmo quando não existem processamento em andamento para essa aplicação. Agora os departamentos de TI podem executar mais de um sistema operacional (SO) e aplicação ou serviço em uma única máquina física, e acessar através de cada um deles através de janelas separadas em seu console de gerenciamento de virtualização. Os recursos de hardware podem ser alocados, de forma dinâmica, a qualquer aplicação que necessite deles se a ferramenta apropriada de alocação de recursos estiver disponível. Essa configuração oferece vários benefícios em custo e produtividade, os quais são descritos abaixo. Gastos Menores Reduzir o número de dispositivos físicos necessários para realizar o trabalho, naturalmente, reduz os custos de capital. Além disso, diminui as despesas de operação, deixando os departamentos de TI com menos dispositivos físicos para gerenciar. Além disso, a empacotar mais ciclos de processamento em um número menor de elementos de hardware consome menos energia total e requer menor espaço físico, uma maravilha para os esforços atuais das empresas para consolidar data centers em um número menor de localidades e embarcar nas iniciativas de TI verdes. Continuidade de Negócios A virtualização contribui para altos níveis de continuidade do negócio de maneiras diferentes. Por exemplo, com a dissociação de aplicações de software, sistemas operacionais e plataformas de hardware, um número menor de dispositivos físicos redundantes é necessário para servir as máquinas principal. Configurações tradicionais de alta disponibilidade muitas vezes exigem uma proporção de 1:1 entre o dispositivo primário e o dispositivo de backup, além da proporção de 1:1, do software para o hardware, discutida anteriormente. No ambiente virtual, no entanto, vários servidores podem falhar em um conjunto de servidores de backup. Isto permite, então, usar uma razão muitos-para-um na configuração entre dispositivos backup e principal, o que aumenta a disponibilidade do serviço. Alta Disponibilidade Os dispositivos virtuais são completamente isolados uns dos outros, como se estivessem sendo executados em hardwares distintos, o que diminui a paralisação dos sistemas durante as correções e atualizações. Isto significa que mudanças sem impacto pode ser feita em um dispositivo virtual sem afetar os outros que 4

5 compartilham o mesmo hardware. Em outras palavras, mudanças podem ser feitas em um ambiente de produção sem ter que programar o tempo de inatividade. Instalação Rápida Da mesma forma, dispositivos virtuais permitem a instalação mais rápida de aplicações em servidores ou serviços de roteadores ou switches, porque o departamento de TI não necessita comprar equipamento adicional, o que poderia levar dias ou semanas para comprar, chegar e montar. Pelo contrário, os administradores de TI simplesmente configuram um novo dispositivo virtual, seja ele um servidor, desktop, roteador, switch ou dispositivo de armazenamento, usando a ferramenta de gerenciamento de virtualização especial mencionada anteriormente. Esse processo geralmente consiste em clicar em uma imagem existente, copiando e colando-o, reduzindo, assim, o tempo de instalação para alguns minutos. Além disso, no caso da virtualização de servidores e redes, discutido mais adiante, as empresas podem definir políticas de alocação de recursos de servidores e redes de tal forma que os recursos sejam alocados em primeiro lugar para as aplicações de alta prioridade. Governança Corporativa Uma série de procedimentos de governança corporativa, entre eles Sarbanes-Oxley, Gramm Leach Bliley, Healthcare Information Portability e Accounting Act (HIPAA), têm colocado fortes requisitos de privacidade, segurança e auditoria nas organizações. Isto levou as empresas a implementarem uma infraestrutura computacional e de rede mais consolidada. De forma inerente, é mais gerenciável definir e aplicar políticas e configurar software a partir de um console centralizado comum do que de forma distribuída, o que torna difícil manter as versões de software sincronizadas. Com menor número de data centers e de imóveis disponíveis para hospedar o mesmo ou maior poder computacional e de rede, a adoção da solução virtual ajuda a suportar o nível mais alto de gerenciamento, segurança e monitoramento que os rígidos procedimentos exigem, de forma economicamente eficaz. 5

6 Virtualização: Elementos a Virtualizar O Que é Possível Virtualizar? Como se observa, existem vários componentes da infra-estrutura computacional que podem ser virtualizados. Quando se agrega computadores e suas redes e dispositivos de armazenamento num conjunto unificado de recursos de TI, a virtualização transforma uma coisa em outra. Por exemplo: Servidores De uma perspectiva de acesso e gerenciamento, um único servidor físico se transformaria em vários servidores, usualmente chamados de servidores virtuais ou máquinas virtuais (VM s). Desktops Semelhante à virtualização de servidores, a virtualização de desktops pode ter dois significados. Em primeiro lugar, é possível que os usuários executem vários sistemas operacionais como o Mac OS Apple e o Microsoft Windows XP ou Vista sobre o mesmo dispositivo computacional. Em segundo lugar, e talvez o mais importante para o departamento de TI da empresa, a virtualização de desktops também pode permitir que os próprios dados e serviços do usuário residam em um computador compartilhado com dados e serviços de outros usuários. O uso de um componente de software chamado de agente de conexão (connection broker) permite que o usuário se conecte ao seu desktop virtual aos dados e serviços associados ao usuário de muitas maneiras diferentes, tais como através de terminais leves (thin clients), de desktops existentes, de laptops e / ou do protocolo Remote Desktop Protocol (RDP). A virtualização apresenta vantagens em termo de custo, tanto de segurança quanto administrativo, para o departamento de TI. Primeiro, o dispositivo cliente do usuário torna-se apenas um dispositivo de acesso, em vez de conter dados confidenciais que poderiam ser facilmente comprometidos por perda ou roubo. Os desktops virtuais podem provavelmente compartilhar o hardware do servidor com servidores virtuais, resultando em 30 a 40 desktops consolidados em um único elemento de hardware a ser comprado e administrado. Além disso, as atuais CPU s dual-core e multi-core permitem que múltiplos processadores possam coexistir no mesmo chip, o que torna o hardware do servidor ainda mais poderoso. Como resultado, os departamentos de TI têm a possibilidade de obter cada vez mais VM s, que pode ser alocadas a desktops virtuais, servidores virtuais ou uma mistura dos dois, em pequenas (1U 4U), mas poderosas, plataformas computacionais com custo mais eficiente. Armazenamento Uma unidade de armazenamento físico aparece como unidades isoladas ou múltiplas sub-unidades virtuais. Em outras palavras, usando janelas separadas de um console de gerenciamento comum, os administradores de TI podem tratar cada unidade virtual como se fosse uma unidade física distinta. Aplicações Quando virtualizadas, aplicações escritas para um sistema operacional podem ser executadas em outro ambiente operacional para melhorar compatibilidade e gerenciamento de aplicativos. Isso acontece porque as aplicações são encapsuladas no sistema operacional em que são executados. As operações são 6

7 redirecionadas para o sistema operacional apropriado. Redes Em uma rede, um único roteador poderia suportar endereços IP múltiplos e particionados para criar roteadores virtuais. Da mesma forma, um switch Ethernet físico poderia suportar múltiplos controles de acesso ao meio (Media Access Control MAC) para criar switches virtuais. Mais uma vez, um único elemento físico de hardware pode ser dividido em vários roteadores ou switches virtuais para reduzir custos. Além disso, a largura de banda da rede pode ser dividida virtualmente para fins de privacidade, segurança e economia de escala, através do uso de LAN s virtuais (VLAN s) e redes privadas virtuais (VPN s). Ver o destaque abaixo com a discussão detalhada sobre VLAN s e VPN s. Os objetivos das redes virtuais sejam elas locais, regionais, com switches ou roteadores são os seguintes: Otimizar o uso da capacidade total, ou a largura de banda de rede, compartilhando entre grupos de usuários e aplicações, ao invés de construir e gerenciar redes separadas para aplicações separadas. Manter o tráfego como se fosse privado, apesar da natureza comum da rede. Otimizar ainda mais o uso da banda através do compartilhamento por tempo e permitindo a alocação dinâmica de recursos para grupos de usuários e / ou aplicações, de acordo com as suas necessidades. Destinar recursos para o tráfego de alta prioridade com base em políticas da empresa. Junto com a virtualização de aplicações (descrita acima), a virtualização de rede contribui para a tendência emergente em direção ao software como serviço (Software as a Service SaaS). No modelo SaaS, as empresas optam pelo uso de recursos do software aplicativo hospedado no servidor remoto do provedor de serviço, acessado por meio da rede, através do pagamento de uma taxa mensal. Isto evita que a organização tenha que comprar ou desenvolver o software, comprar e instalar o hardware necessário nas suas instalações, e gerenciar e manter todos esses elementos. VM s, sejam elas servidores ou desktops ou até mesmo unidades de armazenamento, roteadores ou switches, cada uma tem sua própria CPU, memória e fonte de alimentação. Como tal, elas estão completamente isoladas umas das outras, logicamente, embora compartilhem o mesmo hardware físico. Os vários tipos de virtualização descritos em conjunto, criam uma infra-estrutura virtual. É possível virtualizar toda a infra-estrutura ou apenas um conjunto selecionado de componentes. VLAN s e VPN s A virtualização de redes permite que operadores de rede possam dividir um conjunto agregado de largura de banda para ser compartilhado entre os diferentes grupos de usuários, unidades de negócio, aplicações ou empresas. Muitos departamentos de TI estão familiarizados com o conceito de LAN virtual, ou VLAN, que separa logicamente o tráfego interno de Ethernet que usa o mesmo cabeamento físico para grupos divididos. Usuários ou aplicações são permitidos em cada VLAN através de uma política corporativa, que os coloca em um grupo lógico comum. O administrador da rede atribui um número de VLAN a cada membro do grupo lógico, conhecido no jargão das normas 802.1Q como uma etiqueta (TAG), bem como as respectivas credenciais de acesso para essa VLAN. Os usuários 7

8 de uma VLAN não podem ver o tráfego de outra VLAN, apesar de enviar e receber tráfego que compartilha o mesmo cabeamento físico com outras VLAN s. O mesmo conceito é aplicado em redes regionais comutadas (switched) ou através de roteadores que usam a tecnologia de rede privada virtual (Virtual Private Network VPN). Esta separação pode ser realizada de várias maneiras. Circuitos Virtuais Um método é através da criação de circuitos virtuais na camada 2 de redes Frame Relay e ATM. A cada circuito virtual é atribuído um número identificador de canal virtual (VCI), e esse número é atribuído a cada tipo de tráfego permitido para o circuito virtual. Este procedimento é conceitualmente semelhante à VLAN, embora ocorra através de uma infraestrutura de rede WAN. Nos serviços Ethernet Metro ou WAN, que também são inerentemente serviços de camada 2, a rede um prestador de serviços com freqüência adicionará uma segunda etiqueta aos tags de um cliente interno de rede Ethernet 802.1Q VLAN. A etiqueta adicional cria a VPN através da WAN, de forma a manter o tráfego do cliente segregado de outros tráfegos WAN. O prestador do serviço preserva as etiquetas das VLAN originais, mantendo assim os grupos de usuários e respectivos direitos de acesso definidos pelos clientes através da WAN. Este re-marcação pode ser pensada como a criação de uma VPN local dentro outra VPN, ou, mais precisamente, uma VLAN em uma VPN. Este serviço de rede virtual é muitas vezes referenciado pela tecnologia baseada em padrões que ele usa, sendo chamado de 802.1Q-in-Q, ou apenas Q-in-Q. Túneis Criptografados Em redes que usam roteadores de camada 3, a criptografia é freqüentemente usada para separar um grupo de usuários dos outros e também para separar as VLAN s de uma única organização das demais através da WAN. A criptografia cria túneis protegidos através de uma rede IP comum para manter o tráfego separado anexando um endereço de IP criptografado ao endereço real do pacote e retirando-o do outro lado da entrega do tráfego. Os fluxos de tráfego criptografados não podem interpretar um ao outro enquanto trafegam pela WAN. 8

9 Virtualização: Avaliação de Processos e Sistemas Começando: Realizando uma Avaliação O início de um processo de virtualização requer alguma tomada de decisão inicial. Em primeiro lugar, determinar quais os componentes da infra-estrutura computacional que se deseja virtualizar. O objetivo é virtualizar apenas a infra-estrutura de servidor? Desktops também? Recursos de armazenamento? Dispositivos e largura de banda da rede? Responder a essas questões exige que sejam coletadas estatísticas atuais sobre a utilização de cada um desses recursos. Para fazer isso, pode-se usar uma ferramenta interna que já tenha desenvolvida ou ferramenta de terceiros de uma empresa especializada em virtualização ou serviços. O uso de um serviço de terceiros, muitas vezes fornece uma visão mais objetiva do ambiente do que uma abordagem interna. Além disso, o uso de terceiros permite que sejam explorados dados que podem não ser acessíveis para pessoas que trabalham dentro da organização de TI, devido as restrições relativas ao seus seus direitos de acesso. É possível que a execução de um projeto interno e que use a equipe de TI já existente seja uma alternativa de menor custo. Conduzir o trabalho internamente pode prolongar o processo de virtualização, porque o pessoal de TI geralmente já tem outras responsabilidades. Prolongar o projeto de virtualização também resultará em atrasos no retorno sobre o investimento associado. Seja qual for o método de medição, os recursos muito pouco utilizados são os melhores candidatos para virtualização e economia de custos. Por exemplo, não é raro ver meros 3% a 6% de utilização em alguns servidores muito robustos. A criação de VM s que juntas chegam a 60% - 70% de uso de um dos servidores físicos permite reduzir as despesas e custos de gerenciamento associados aos servidores desnecessários, ainda assim deixando margem suficiente no dispositivo físico para acomodar picos de tráfego de carga e de falhas. Será importante reunir as estatísticas para um período de tempo que permita capturar valores tanto para a maior como para a menor utilização, o que tornará o período de acompanhamento diferente de organização para organização. As empresas que geralmente obtém os mesmos picos e vales mês após mês, por exemplo, podem reunir estatísticas de uso para um período de 30 dias. Empresas mais sazonais, tais como varejistas que obtém picos nas épocas de festas, podem reunir estatísticas de uso para um período de 60 a 90 dias. 9

10 Virtualização: Alternativas Software ou Serviço? Pode-se optar por comprar alguns ou todos os componentes de virtualização sob a forma de serviço ou de construir a arquitetura de virtualização internamente. Os serviços de virtualização estão cada vez mais disponíveis e podem ser classificados em alguns tipos de modelos diferentes. Por exemplo, a virtualização de servidores pode ser oferecida como um componente, ou subconjunto, de um conjunto mais amplo e abrangente de serviços gerenciados de TI. Nesse modelo, as empresas terceirizam as infra-estruturas de servidor, muitas vezes por uma taxa fixa. Suas infra-estruturas são mantidas nas instalações dos prestadores de serviço, e operadas de acordo com as próprias políticas da empresa de prioridade de alocação dinâmica de recursos. Neste cenário, é a empresa de serviços gerenciados de TI que implanta o hypervisor de virtualização e as ferramentas de gerenciamento na sua própria infra-estrutura. O provedor dedica algumas das infra-estruturas virtualizadas para a empresa cliente, que usaria sua parte da infra-estrutura como se fosse o seu próprio data center. Uma forma que os serviços terceirizados de virtualização podem assumir é o Utility Computing. Virtualização e Utility Computing têm conceitos semelhantes, na medida em que ambos consideram que os recursos são compartilhados em tempo e atendem as solicitações em uma base sob demanda. Utility Computing, no entanto, implica em um modelo de preços centrado na utilização. Este modelo pode ser usado no contexto de um serviço prestado por terceiros, ou, também, por um departamento de TI interno da organização. No último cenário, o departamento de TI pode criar um ambiente de oferta de serviços para as várias unidades de negócio e departamento que também poderiam ser cobrados conforme o uso. O modelo de uso pode considerar a cobrança por cada aumento de recursos, conforme seu uso, ou uma taxa fixa por VM. Se a decisão for construir infra-estrutura própria, deve-se decidir qual será o tipo de arquitetura de virtualização, ou a abordagem tecnológica básica. Existem dois tipos principais utilizados para os servidores, por exemplo, e elas têm relação com a forma como o sistema operacional é afetado pelo hypervisor: Método Bare-metal. Nesta arquitetura, usada na implementação de data centers, o hypervisor é um microkernel, ou pequeno sistema operacional. Este método envolve o carregamento do hypervisor, e depois da VM, no hardware propriamente dito. A VM contém o sistema operacional e aplicações, e o hypervisor controla as necessidades de recursos das VM s. Se for usado um produto ou serviço baseado no software de infra-estrutura virtual mais recente, uma única atualização (patch) no hypervisor pode substituir as antigas e freqüentes atualizações necessárias para sistemas operacionais e aplicativos. A atualização (patching) simultânea de vários componentes é altamente recomendada para o ambiente da empresa para manter os custos de operação (OpEx) baixos e as versões do software sincronizadas. Virtualização hospedada. Nesta arquitetura, há uma interface entre o hypervisor e a aplicação, e o compartilhamento por tempo ocorre nos processadores. O sistema operacional original ainda controla o hardware e hospeda os aplicativos da VM. Esta arquitetura é recomendado para pequenas implementações, tais como testes de virtualização em um servidor de reserva ou outro recurso, porque os sistemas operacionais originais ainda não foram personalizados para a virtualização. Depois de ter decidido acerca da arquitetura, é necessário escolher uma plataforma de software ou firmware de VM. Esta escolha é geralmente dependente do fornecedor. Alguns fabricantes de VM fornecem os seus 10

11 produtos no formato de software e outros usam firmwares, mas a maioria não oferece uma escolha. A partir desse ponto, é possível ver quais fornecedores ou produtos de virtualização se classificam em cada situação citada e iniciar a avaliação dos produtos e serviços compatíveis. 11

12 Virtualização: Considerações finais Há razões convincentes de economia de custos e de energia para virtualizar alguns ou todos os componentes de uma infra-estrutura computacional. Ao empregar um software VM homogêneo ou uma camada de serviço entre softwares tradicionais e plataformas de hardware, os recursos de hardware podem ser utilizados mais eficientemente, através de compartilhamento por tempo para consolidar dispositivos, preservar energia e imóveis, incrementar a continuidade dos negócios e atender aplicações e usuários de alta prioridade. Há muitos aspectos para implementar a virtualização, que podem tirar proveito na forma de um de contratação de serviço ou pela implantação de uma infra-estrutura de virtualização interna da empresa no seu próprio data center. Referências AT&T. Why Virtualize? 2008/2009. Disponível em: /Whitepaper/virtualization/ Acessado em Julho de

13 Virtualização: Teste seu entendimento 1. Qual das alternativas abaixo representa uma das vantagens da Virtualização? Gastos Menores. Alta Disponibilidade. Instalação Rápida. Governança Corporativa. Todas as anteriores. 2. O que é possível Virtualizar? Servidores, Desktops, Armazenamento, Aplicações e Redes. Servidores, Desktops, Armazenamento, Aplicações e Cabeamento estruturados da empresa. Servidores, Notebooks, Armazenamento, Aplicações e Redes. Impressoras, Desktops, Armazenamento, Aplicações e Redes. 3. Qual das alternativas abaixo não representa um dos objetivos das redes virtuais? Otimizar o uso da capacidade total, ou a largura de banda de rede, compartilhando entre grupos de usuários e aplicações, ao invés de construir e gerenciar redes separadas para aplicações separadas. Manter o tráfego como se fosse privado, apesar da natureza comum da rede. Habilitar a rede para o tráfego direcionado às redes sociais. Otimizar ainda mais o uso da banda através do compartilhamento por tempo e permitindo a alocação dinâmica de recursos para grupos de usuários e / ou aplicações, de acordo com as suas necessidades. Destinar recursos para o tráfego de alta prioridade com base em políticas da empresa. 13