Cluster Virtualizado com Alta Disponibilidade

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1 Cluster Virtualizado com Alta Disponibilidade Leonardo Rosa da Cruz 1, Eduardo Maroñas Monks 1 1 Faculdade de Tecnologia Senac Pelotas (FATEC) Rua Gonçalves Chaves, 602 Centro CEP: Pelotas RS Brasil Curso Superior de Tecnologia em Redes de Computadores [email protected], [email protected] Resumo. O presente artigo tem como objetivo apresentar um estudo sobre cluster virtualizado com alta disponibilidade, onde serão abordadas soluções de código-fonte aberto e comerciais. Será feito um comparativo entre as ferramentas configuradas para provimento de alta disponibilidade. Abstract. This paper aims to present a study on virtualized cluster with high availability solutions where open source and commercial will be addressed. A comparison between the tools configured for providing high availability will be made. 1. Introdução Nos dias de hoje, cluster, virtualização e alta disponibilidade, tornaram-se temas bastante abordados e comuns. As razões para que isso venha crescendo, são devido a este tipo de solução poder estabelecer um nível de redundância e segurança das informações. As tecnologias, estudadas neste artigo, proporcionam para empresas de qualquer porte, redução de custos, diminuindo o número de servidores físicos, através da virtualização e garantia de continuidade dos servidores e serviços a partir do uso da alta disponibilidade. A fim de prevenir eventuais falhas em algum equipamento, utiliza-se hardware físico redundante e ferramentas de monitoramento que identificam nós deste cluster com falhas, pois se algum dos equipamentos por qualquer motivo vier a falhar, os outros equipamentos ligados a esta solução vão assumir os serviços e aplicações. Deste modo, o objetivo é tornar o processo transparente para o usuário. 2. Conceitos gerais Nesta seção serão vistos conceitos diretamente relacionados ao foco do artigo, tais como: cluster, virtualização e alta disponibilidade Cluster De acordo com [Alecrim 2013], cluster ou clustering é o nome dado a um sistema que relaciona dois ou mais computadores para que estes trabalhem de maneira conjunta no intuito de processar uma tarefa. Estas máquinas dividem entre si as atividades de processamento e executam este trabalho de maneira simultânea. Cada computador que faz parte do cluster, recebe o nome de nó ou nodo. Teoricamente, não há limite máximo de nós, mas independentemente da quantidade de máquinas que o compõe, o cluster deve ser transparente, ou seja, ser visto pelo usuário ou por outro sistema que necessita deste processamento como um único computador.

2 Os nós do cluster devem ser interconectados, preferencialmente [Alecrim 2013] por uma tecnologia de rede conhecida, para fins de manutenção e controle de custos, como a Ethernet. É extremamente importante que o padrão adotado permita a inclusão ou a retirada de nós com o cluster em funcionamento, ao contrário, o trabalho de remoção e substituição de um nó que apresenta problemas, por exemplo, faria a aplicação como um todo parar. A computação em cluster se mostra muitas vezes como uma solução viável, uma vez que os nós podem até mesmo ser compostos por computadores simples, como PCs de desempenho mediano. Juntos, eles configuram um sistema de processamento com capacidade suficiente para dar conta de determinadas aplicações que, se fossem atendidas por supercomputadores ou servidores sofisticados, exigiriam investimentos muito maiores. Não é necessário haver um conjunto de hardware exatamente igual em cada nó. Por outro lado, é importante que todos os nós utilizem o mesmo sistema operacional, de forma a garantir que o software que controla o cluster, consiga gerenciar todos os computadores que o integram Virtualização A virtualização é um processo que, através do compartilhamento de hardware, permite executar diversos sistemas operacionais em um único equipamento [ITCenter 2013]. Cada máquina virtual (VM), criada neste processo, é um ambiente operacional completo, seguro e totalmente isolado como se fosse um computador independente. Segundo [Prado 2012], quando trata-se de virtualização, alguns termos são bastante utilizados, como por exemplo, hospedeiro e máquina virtual. O hospedeiro corresponde ao software de virtualização ou programa que permite emular instruções de uma determinada plataforma, como exemplo, as soluções VMware ESXi [VMware 2013a], XenServer [XenServer 2013] e Proxmox [Proxmox 2013]. O sistema hospedeiro é o responsável por gerenciar os sistemas operacionais convidados (guests) que compartilham o hardware físico. Cada sistema operacional convidado é executado em uma máquina virtual. É possível gerenciar os recursos da máquina física que está disponível para as máquinas virtuais, tais como: quantidade de memória, disco e processadores disponíveis Alta Disponibilidade De acordo com [Alecrim 2013], nos clusters de alta disponibilidade, o foco está em sempre manter a aplicação em pleno funcionamento. Desta forma, não é aceitável que o sistema pare de funcionar, mas se isso acontecer, a paralização deve ser a menor possível, como é o caso de soluções de missão crítica que exigem disponibilidade de, pelo menos, 99,999% do tempo a cada ano, o que representa 5 minutos de parada. Para atender a esta exigência, os clusters de alta disponibilidade podem contar com diversos recursos, ferramentas de monitoramento que identificam nós defeituosos ou falhas na conexão, replicação (redundância) de sistemas e computadores para substituição imediata de máquinas com problemas, uso de geradores para garantir o funcionamento em caso de queda de energia, entre outros. Em determinadas circunstâncias, é tolerável que o sistema apresente algum grau de perda de desempenho, especialmente quando esta situação é consequência de algum esforço para manter a aplicação em atividade.

3 3. Ferramentas utilizadas As ferramentas utilizadas no trabalho, de código-fonte aberto e comerciais, tratam de plataformas de virtualização e sistemas que gerenciam as mesmas. Também foram utilizadas soluções responsáveis por compartilhar as informações, monitorar e replicar as informações do cluster VMware vsphere 5 O VMware vsphere 5 [VMware 2013d], é uma plataforma de virtualização comercial desenvolvida pela empresa VMware Inc. Sendo uma solução completa para pequenas e médias empresas que é baseada em Linux, não sendo necessário nenhum software adicional Processo de instalação O processo de instalação é bem simples, e consiste nos seguintes passos: baixa-se a ISO disponível em [VMware 2013a] e realizar o boot no host hospedeiro. Conforme descrito na Tabela 1, os requisitos mínimos para funcionamento da ferramenta. Tabela 1. Requisitos mínimos. Configurações mínimas Processador 64bits Memória 2GB 3.2. VMware vcenter Server 5 Conforme [VMware 2013b], o VMware vcenter Server permite o gerenciamento unificado de todos os hosts vsphere e máquinas virtuais no data center a partir de um único console, permitindo que os administradores de TI aprimorem o controle, simplifiquem as tarefas diárias e reduzam a complexidade e o custo de gerenciamento dos ambientes de TI. Esta ferramenta roda sobre sistemas operacionais Windows, nas versões Server 2003 e bits. O VMware vcenter Server disponibiliza recursos como Cluster HA (High Availability) e vmotion [VMware 2013c], função que permite a migração das VMs ligadas. Estes recursos são habilitados por 60 dias nas versões trial, sendo que em seguida, seja necessário a aquisição da licença de uso, que é paga Console de gerenciamento VMware vcenter Server A Figura 1, mostra a tela de gerenciamento do VMware vcenter que é acessada pelo VMware vsphere Client [VMware 2013a] VMware vsphere Client Esta ferramenta é utilizada para acessar o VMware vcenter Server, e assim administrar toda a estrutura dos hosts e máquinas virtuais contida nos mesmos. Roda em sistema operacional Windows 32 e 64 bits. Este software é o responsável pela configuração das funcionalidades de HA (High Availability) e vmotion. A Figura 2, mostra um diagrama simplificado da arquitetura de funcionamento da solução VMware vsphere [VMware 2013d].

4 Figura 1. Gerenciamento VMware vcenter Server. Figura 2. Arquitetura do funcionamento do VMware vsphere Proxmox 3.1 Segundo [Proxmox 2013], o Proxmox 3.1 é uma solução completa de virtualização para servidores. Os métodos de virtualização são KVM [KVM 2013] e Containers, que utilizam kernel Linux. O código-fonte do Proxmox é distribuído sob a licença GNU Affero General Public License, versão 3 [GPL3 2013]. Isso significa que se pode inspecionar o código-fonte e contribuir para o projeto. Por sua vez, a virtualização baseada em Kernel (KVM) é uma solução completa para Linux em hardware x86 que contém extensões de virtualização (Intel VT ou AMD-

5 V). Com KVM pode-se executar várias máquinas virtuais rodando imagens não modificadas do Linux ou Windows. Por fim, a virtualização baseada em Container utiliza o OpenVZ [OpenVZ 2013] para criar vários recipientes seguros, isolados conhecidos como VEs (Virtual Environments) ou VPS (Virtual Private Server), em um único hospedeiro, permitindo uma melhor utilização do hardware do servidor e assegurando que as aplicações compartilhem os recursos Processo de instalação O processo de instalação da ferramenta Proxmox pode ser feito através da ISO disponível em [Proxmox 2013], ou por meio de repositórios em uma distribuição Linux Debian Wheezy. Conforme descrito na Tabela 2, os requisitos mínimos para funcionamento da ferramenta. Tabela 2. Requisitos mínimos. Configurações mínimas Processador 64bits Memória 1GB Console de gerenciamento Proxmox A Figura 3 mostra a tela de gerenciamento do Proxmox que tem acesso por uma interface Web na porta padrão Figura 3. Gerenciamento Proxmox.

6 3.5. NFS - (Network File System) De acordo com [Mitchell 2013], NFS é um protocolo que disponibiliza um sistema de arquivos de rede. O NFS é uma tecnologia de compartilhamento de recursos entre os dispositivos em uma rede LAN. O NFS permite que os dados sejam armazenados em servidores centrais e de fácil acesso a partir de dispositivos de cliente em uma rede através de um processo chamado de montagem Heartbeat Conforme [Ferreira 2008], Heartbeat [Heartbeat 2013], significa batimento cardíaco. Esse termo é usado para definir os pulsos enviados entre dois computadores, indicando que estão vivos, ou seja, estão funcionando e disponíveis para executar tarefas. Trabalha enviando um pulso entre dois computadores através de uma porta serial, uma placa de rede ou ambas. Se o pulso falha, o computador secundário irá assumir que o computador primário falhou e tomar os serviços que estavam rodando no computador primário. O Heartbeat define um endereço IP para o cluster, que deve ser diferente dos endereços IP dos computadores primário e secundário, e que será o endereço IP procurado pelos clientes DRBD - (Data Replicator Block Device) Segundo [Ferreira 2008], o DRBD [DRBD 2013] é um módulo de kernel e scripts associados que oferece um dispositivo de bloco projetado para construir clusters de alta disponibilidade. Isso é feito espelhando um conjunto de blocos entre dois hosts, sendo um dos hosts o nó primário, que recebe a solicitação de escrita do sistema operacional que executa a aplicação, e o nó secundário, que recebe a replicação dos blocos. 4. Comparativo entre as soluções A Tabela 3 mostra alguns recursos que cada ferramenta possui e custos com licenças de uso. O custo apresentado pela ferramenta VMware é o custo da licença anual e suporte básico de um ano. O kit inclui seis licenças de CPUs do vsphere e uma licença do vcenter Server. Tabela 3. Comparativo. 5. Contextualização do cenário Com o estudo realizado sobre cluster virtualizado com alta disponibilidade, foi preparado o ambiente para começar a por em prática todas as ferramentas estudadas. O diagrama apresentado na Figura 4 foi montado em um ambiente com máquinas virtuais. O hospedeiro nomeado Host-01, representa as soluções Proxmox e VMware

7 primárias e o hospedeiro nomeado Host-02 representa as soluções Proxmox e VMware secundárias, estando eles configurados para trabalhar em um cluster de alta disponibilidade. Logo, isso significa que caso o Host-01 falhar, o Host-02 assumirá todos os serviços e máquinas virtuais gerenciadas pelo Host-01. Em relação aos storages, foi instalada uma distribuição Linux Debian Wheezy com a função de armazenamento das máquinas virtuais gerenciadas pelas soluções Proxmox e VMware. Também possuem uma configuração de alta disponibilidade, replicando as informações entre eles, caso algum dos storages venha a falhar, as máquinas virtuais que estiverem no disco que falhou, serão replicadas automaticamente para o outro storage. Esse mecanismo funciona devido à ferramenta Heartbeat monitorar os serviços e o DRBD efetuar a replicação dos dados. O Heartbeat também cria um IP virtual que é comum entre os storages. Este IP é o endereço que o Host-01 e Host-02 se comunicam com os storages, através do compartilhamento NFS. Figura 4. Diagrama de testes. 6. Testes e resultados Para realização dos testes foram utilizadas quatro máquinas físicas, conforme configurações descritas na Tabela 4. A máquina 1 é responsável por virtualizar os storages. A máquina 2 é responsável por virtualizar as soluções Proxmox e VMware primárias. A máquina 3 é responsável por virtualizar as soluções Proxmox e VMware secundárias. A máquina 4 foi instalado o sistema operacional Windows Server 2008, para utilização do VMware vcenter Server e administração geral das soluções.

8 Tabela 4. Configurações. Máquina Processador Memória 1 Quadcore 64bits 4GB 2 Core 2 Duo 64bits 4GB 3 Core 2 Duo 64bits 4GB 4 Dual Core 64bits 2GB Nos testes realizados de forma comparativa entre as soluções de cluster, foram coletadas informações de tempos de instalação Linux e Windows, boot dos sistemas operacionais, backup de banco de dados, restauração de banco de dados, compartilhamento de arquivos, migração e backup de máquinas virtuais em funcionamento. Alguns tempos foram coletados em três cenários diferentes, um cenário utilizando o recurso de alta disponibilidade, outro sem a utilização da alta disponibilidade e por fim, testes locais Resultados dos testes A Tabela 5 mostra os tempos coletados em um ambiente com alta disponibilidade, comparando as duas soluções de cluster. Tabela 5. Resultados com alta disponibilidade Análise dos resultados Baseado nos resultados da Tabela 5, foi realizada a análise dos resultados. Teste 1: Pode-se observar o tempo de instalação do Linux no Proxmox de 1 minuto contra 17 minutos no VMware. Essa diferença existe por que o Proxmox trabalha com o OpenVZ que é uma tecnologia de containers. A máquina virtual trabalha como se fosse uma aplicação dentro do Linux. Desta forma pode-se dizer que é uma vantagem a utilização de sistemas operacionais Linux no Proxmox.

9 Teste 2: Pode-se ver o tempo de instalação do Windows no Proxmox de 1 hora contra 29 minutos no VMware. Conclui-se que essa diferença exista devido à escrita no Windows dentro do Proxmox não ser muito eficiente. Teste 3: Observou-se o tempo de boot do sistema operacional Linux, o Proxmox leva vantagem quando o SO é Linux devido à tecnologia de containers. Teste 4: Pode-se ver o tempo de boot do sistema operacional Windows e os tempos não são muito diferentes entre as duas soluções. Teste 5: Pode-se ver que os tempos de backup e restore de banco de dados em Linux. As duas soluções apresentam praticamente os mesmos tempos. Teste 6: Pode-se observar que os tempos de backup e restore de banco de dados em Windows. Novamente aparece uma diferença grande em relação ao Windows no Proxmox devido a escrita não ser muito eficiente. Teste 7: É visto os tempos de disponibilidade do compartilhamento de arquivos no momento em que o host primário do cluster é desligado. A partir disto, o host secundário assumirá os serviços do host que foi desligado. O tempo que leva para este compartilhamento voltar a estar ativo no Proxmox foi de 2 minutos e 4 segundos contra 1 minuto e 20 segundos no VMware. Teste 8: Percebe-se os mesmos tempos que no teste sete, porém é testado o desligamento de um dos storages, que é responsável por armazenar as VMs. No momento do desligamento do storage primário o compartilhamento não é afetado em nenhuma das soluções. Dessa forma, é mantida a disponibilidade do serviço. Teste 9: É analisada uma conexão com o banco de dados. O cliente está conectado ao banco de dados, e neste momento é desligado o host primário responsável por esta conexão. Esta conexão é interrompida, e fica disponível após o host secundário assumir o serviço. O tempo para o serviço responder novamente foi de 25 segundos no Proxmox e 1 minuto e 16 segundos no VMware. Teste 10: É analisada a mesma situação do teste nove. Porém o teste é feito efetuando o desligamento no storage primário. E o resultado foi que a conexão com o banco de dados não foi interrompida em nenhuma das soluções devido à replicação dos dados entre os storages. Teste 11: É utilizado o recurso de Live Migration, que corresponde à migração das VMs entre os hosts. Neste teste, foi analisado o tempo de migração entre as duas soluções, utilizando VMs Linux e Windows. O tempo de migração de VMs Linux no Proxmox foi de 29 segundos contra 15 segundos no VMware. A migração de máquinas Windows foi de 31 segundos contra 1 minuto no VMware. As diferenças de tempos entre as soluções são relativamente pequenas. Teste 12: Verificou-se o tempo de backup com as VMs ligadas. O tempo de backup entre as duas soluções foram os mesmos, sem percepção ao usuário. Teste 13: Foi visto o tempo de restauração das VMs. No Proxmox o processo de restauração foi de 2 minutos e no VMware o tempo é somente de adicionar a VM ao inventário do cluster Comparativo de testes em cenários diferentes As Figuras 5 e 6, mostram os tempos de backup e restore das soluções Proxmox e VMware, em cenários com alta disponibilidade, sem alta disponibilidade e local (sem o uso de armazenamento externo em storage).

10 Figura 5. Backup. Figura 6. Restore. 7. Conclusões As soluções apresentadas neste trabalho são de extrema importância dentro de uma empresa ou em qualquer ambiente que se queira garantir a disponibilidade de servidores e serviços o máximo de tempo possível. As informações dentro de uma organização são como se fossem o coração dela, não pode parar e se parar, necessita-se ter a possibili-

11 dade de recuperar rapidamente estas informações. Existem empresas que não possuem um cenário com esse tipo de solução e mantém suas informações sendo disponibilizadas por um único servidor. Desta forma, estas empresas correm o risco de, se parar este servidor, toda a empresa irá parar e como consequência, informações poderão ser perdidas e grandes prejuízos irão ser contabilizados. Com base nos testes realizados, em cenários com alta disponibilidade, sem alta disponibilidade e locais, pode-se perceber que, apresentaram tempos de execução de tarefas relativamente parecidos. Isso mostra que uma solução com alta disponibilidade, não causa perdas significativas, desta forma, considera-se o cenário ideal para ser utilizado. Quanto as ferramentas Proxmox e VMware vsphere, o Proxmox não apresenta muita eficiência quando virtualiza sistemas Windows. Esse foi o único ponto negativo da ferramenta nos testes realizados. Em sistemas Linux, o Proxmox superou o desempenho do VMware vsphere. Todos os recursos necessários para utilização de um cluster virtualizado com alta disponibilidade, as duas ferramentas possuem e a diferença de desempenho entre elas pode-se dizer que é muito pequena. Desta forma, o Proxmox pode ser considerado um forte concorrente do VMware vsphere, por disponibilizar os mesmos recursos em questão e por ser uma solução de código fonte-aberto. Referências Alecrim, E. (2013). Cluster: conceito e características. Disponível em: Acesso em: Outubro DRBD (2013). Disponível em: Acesso em: Outubro Ferreira, R. E. (2008). Linux Guia do Administrador do Sistema. 2 Edicão. GPL3 (2013). Disponível em: Acesso em: Outubro Heartbeat (2013). Disponível em: Acesso em: Outubro ITCenter (2013). Virtualização de servidores. o que é? Disponível em: Acesso em: Outubro KVM (2013). Disponível em: Page. Acesso em: Outubro Mitchell, B. (2013). Nfs. Disponível em: Acesso em: Outubro OpenVZ (2013) Disponível em: Page. Acesso em: Outubro Prado, F. (2012). Virtualizacao: O que é e para que serve? Disponível em: Acesso em: Outubro 2013.

12 Proxmox (2013). Disponível em: Acesso em: Outubro VMware (2013a). Disponível em: Acesso em: Outubro VMware (2013b). Disponível em: Acesso em: Outubro VMware (2013c). vmotion. Disponível em: Acesso em: Outubro VMware (2013d). Vmware vsphere. Disponível em: Acesso em: Outubro XenServer (2013). Disponível em: Acesso em: Outubro 2013.