Зачем бизнесу разделять один физический сервер на несколько виртуальных машин

Современный физический сервер нередко обладает большим запасом вычислительной мощности: многоядерным процессором, значительным объемом оперативной памяти, быстрыми накопителями и производительными сетевыми интерфейсами. Если использовать такую систему только для одной задачи, часть ресурсов может большую часть времени оставаться незадействованной. Для компании это означает, что дорогостоящее оборудование работает не на полную мощность, хотя уже занимает место в серверной, потребляет электроэнергию и требует обслуживания.

При такой модели часть оплаченных вычислительных ресурсов фактически простаивает. Снизить эту неэффективность позволяет виртуализация сервера, при которой мощности одной физической машины распределяются между несколькими независимыми виртуальными средами. Каждая из них получает собственные ресурсы, операционную систему и набор приложений, оставаясь изолированной от соседних систем.</p

Что происходит при разделении физического сервера

Обычный сервер представляет собой набор аппаратных ресурсов: процессор, оперативную память, накопители, сетевые адаптеры и другие компоненты. При классической схеме операционная система устанавливается непосредственно на эту машину и получает доступ практически ко всему доступному оборудованию.

При виртуализации между физическими ресурсами и виртуальными машинами появляется специальный программный слой — гипервизор. Он управляет распределением вычислительных мощностей и создает несколько независимых сред.

Например, физический сервер может иметь:

• 32 процессорных ядра;
• 128 ГБ оперативной памяти;
• несколько терабайт дискового пространства;
• несколько сетевых интерфейсов.

Вместо запуска одной операционной системы на всем этом оборудовании можно создать несколько виртуальных машин. Одной выделить часть процессорных ресурсов и памяти для базы данных, другой — для внутреннего веб-приложения, еще одной — для файлового сервера, а отдельную виртуальную среду оставить для тестирования.

При этом физически все задачи выполняются одним комплектом оборудования.

Почему один мощный сервер часто эффективнее нескольких малозагруженных

Многие корпоративные приложения не создают постоянную высокую нагрузку. Внутренний файловый сервис может активно использоваться утром и днем, система отчетности — в определенные часы, база данных — при формировании документов, а тестовая среда — только во время работы разработчиков.

Если для каждого такого сервиса выделить отдельный физический сервер, значительную часть времени оборудование будет простаивать.

Представим инфраструктуру из четырех серверов, каждый из которых в среднем использует лишь небольшую часть доступной процессорной мощности. Формально компания располагает большим количеством оборудования, но фактическая загрузка вычислительных ресурсов остается невысокой.

После консолидации несколько таких нагрузок можно разместить на одной более производительной машине. Активность сервисов распределяется во времени, а аппаратные ресурсы используются плотнее.

Это не означает, что любую инфраструктуру следует объединять на одном сервере. Для высоконагруженных систем, критически важных сервисов или задач с особыми требованиями могут понадобиться отдельные узлы. Однако для большого числа корпоративных приложений виртуализация позволяет значительно рациональнее использовать оборудование.

Виртуальная машина остается самостоятельной системой

Важное свойство виртуализации — изоляция.

Несмотря на использование общего физического оборудования, виртуальные машины работают как отдельные вычислительные среды. В каждой можно установить собственную операционную систему, задать сетевые параметры, создать пользователей и запустить необходимое программное обеспечение.

Например, на одном сервере могут одновременно работать:

• виртуальная машина с корпоративной базой данных;
• отдельная система для внутреннего сайта;
• файловый сервер;
• сервер бухгалтерского приложения;
• тестовая среда;
• вспомогательная система для резервного копирования.

Проблемы внутри одной виртуальной машины обычно не затрагивают настройки остальных. Перезагрузка одной системы также не требует перезапуска всех соседних виртуальных машин.

Именно эта изоляция позволяет размещать разные сервисы на общем оборудовании без превращения их в единую операционную среду.

Как распределяются ресурсы

Процессор

Виртуальной машине назначается определенное количество виртуальных процессоров. Гипервизор распределяет вычислительное время физических ядер между работающими системами.

Не каждая виртуальная машина постоянно использует все назначенные ей мощности. Если один сервер приложений временно почти не создает нагрузку, вычислительные ресурсы могут активнее использоваться другими виртуальными системами.

Так достигается более гибкое использование процессора по сравнению со схемой, где отдельное оборудование закреплено за каждой задачей.

Оперативная память

Каждой виртуальной машине выделяется необходимый объем RAM. Его выбирают в зависимости от требований операционной системы и приложений.

База данных может получить больше памяти, чем небольшой внутренний сервис. Тестовой машине можно выделить минимальный объем, а затем увеличить его при необходимости.

Такое распределение помогает точнее сопоставлять ресурсы с реальными потребностями приложений.

Дисковое пространство

Виртуальная машина обычно получает виртуальный диск. Для операционной системы он выглядит как обычный накопитель, хотя физически данные могут находиться на локальных дисках сервера или внешней системе хранения.

Размер виртуального диска можно подобрать под конкретную задачу. Это удобнее, чем устанавливать отдельные физические накопители для каждого сервиса.

Сеть

Виртуальные машины могут иметь собственные виртуальные сетевые адаптеры и IP-адреса. Между ними можно организовывать отдельные виртуальные сети, разграничивать доступ и создавать собственную структуру взаимодействия.

Таким образом, несколько систем, размещенных внутри одного физического сервера, могут функционировать так, будто подключены к обычной корпоративной сети как отдельные компьютеры.

Что получает компания от консолидации серверов

Основная ценность виртуализации заключается не просто в сокращении числа физических машин. Меняется сам подход к эксплуатации ИТ-инфраструктуры.

Более полное использование оборудования

Мощный сервер стоит заметно дороже обычного рабочего компьютера. При низкой загрузке значительная часть инвестиций в его процессоры и память фактически не используется.

Размещение нескольких виртуальных машин увеличивает среднюю загрузку оборудования и позволяет задействовать приобретенные вычислительные мощности для разных задач.

Меньше физических устройств

Без виртуализации каждой новой задаче потенциально требуется отдельный сервер. Со временем серверная может заполняться большим количеством машин, каждая из которых выполняет сравнительно небольшую функцию.

Консолидация позволяет сократить количество физических узлов без обязательного сокращения числа сервисов.

Вместо десяти физических серверов компания может использовать несколько более мощных машин, на которых размещены десятки виртуальных систем. Конкретная схема зависит от нагрузки, требований к надежности и архитектуры приложений.

Снижение нагрузки на инженерную инфраструктуру

Каждый физический сервер потребляет электроэнергию и выделяет тепло. Серверная должна не только обеспечивать питание оборудования, но и отводить выделяемое им тепло.

Чем больше физических машин, тем выше требования к:

• электроснабжению;
• системам охлаждения;
• источникам бесперебойного питания;
• сетевому оборудованию;
• стойкам и свободному пространству.

Уменьшение количества серверов может снижать нагрузку на всю эту инфраструктуру.

Новые серверы можно создавать быстрее

В физической инфраструктуре развертывание дополнительного сервера связано с оборудованием. Нужно подобрать машину, установить ее в стойку, подключить питание и сеть, настроить диски, установить операционную систему.

В виртуальной инфраструктуре новая система создается программно.

Администратор определяет параметры будущей виртуальной машины: объем памяти, количество процессоров, размер диска и сетевое подключение. После этого устанавливается операционная система или используется заранее подготовленный шаблон.

Такой подход особенно удобен для компаний, где регулярно появляются новые внутренние сервисы, тестовые среды или временные проекты.

Ресурсы проще изменять при росте нагрузки

Потребности приложений меняются. Система, которой на старте хватало нескольких гигабайт оперативной памяти, через год может обслуживать значительно больше пользователей.

При использовании отдельного физического сервера расширение ресурсов иногда связано с установкой новых компонентов или заменой всей машины.

Для виртуальной системы многие параметры меняются значительно проще. Ей можно назначить больше оперативной памяти, процессорных ресурсов или увеличить виртуальный диск, если физическая инфраструктура располагает свободной емкостью.

За счет этого вычислительную среду легче адаптировать к росту или снижению нагрузки.

Виртуальные машины удобнее переносить

Физический сервер тесно связан с конкретным комплектом оборудования. Операционная система установлена на его дисках, использует определенные контроллеры, сетевые устройства и другие компоненты.

Виртуальная машина значительно меньше зависит от конкретного физического узла. Ее состояние представлено набором виртуальных дисков, конфигурационных данных и других файлов.

Это позволяет переносить виртуальные системы между совместимыми физическими серверами.

Такая возможность полезна при плановом обслуживании оборудования. Если требуется заменить компонент или провести технические работы на одном узле, виртуальные машины можно заранее переместить на другие серверы при наличии соответствующей инфраструктуры.

Что происходит при отказе физического сервера

Консолидация создает важный архитектурный вопрос. Если на одном физическом сервере работает несколько виртуальных машин, поломка этого сервера способна одновременно остановить все размещенные на нем сервисы.

Именно поэтому серьезная виртуальная инфраструктура редко строится вокруг единственной физической машины.

Обычно используют несколько серверов, объединенных в общую систему. Виртуальные машины распределяются между ними, а критически важные данные хранятся и резервируются с учетом возможных аппаратных отказов.

В зависимости от архитектуры могут применяться:

• резервные физические узлы;
• кластеры;
• системы общего хранения;
• репликация данных;
• резервное копирование виртуальных машин;
• механизмы автоматического перезапуска сервисов.

Виртуализация сама по себе не устраняет риск аппаратных неисправностей. Она дает инструменты, позволяющие строить более гибкие схемы восстановления и перераспределения нагрузки.

Изоляция не отменяет необходимость контроля нагрузки

Разместить на сервере большое количество виртуальных машин технически возможно, но это не означает, что такое решение будет эффективным.

Все виртуальные системы в конечном итоге используют общий физический процессор, память, диски и сетевые интерфейсы. Если суммарная нагрузка превышает возможности оборудования, производительность снизится.

Особенно важен дисковый ввод-вывод. Несколько виртуальных машин могут одновременно обращаться к хранилищу, и даже мощного процессора будет недостаточно, если дисковая подсистема не справляется с количеством операций.

При проектировании учитывают не только число виртуальных машин, но и характер их нагрузки:

• сколько процессорного времени требуется приложениям;
• какой объем памяти реально используется;
• насколько интенсивно системы работают с дисками;
• какой сетевой трафик создают;
• возникают ли пиковые нагрузки одновременно.

Правильная консолидация основана на измерениях и резерве ресурсов, а не на стремлении разместить максимальное количество систем на одном сервере.

Когда виртуализация особенно полезна

Корпоративные сервисы с умеренной нагрузкой

Внутренние приложения, файловые сервисы, небольшие базы данных и административные системы часто не используют всю мощность отдельного современного сервера.

Объединение таких задач на виртуальной платформе позволяет снизить количество оборудования и сохранить разделение сервисов.

Тестирование и разработка

Разработчикам могут требоваться разные версии операционных систем, отдельные базы данных или временные стенды.

Покупать физический сервер для каждой тестовой среды неудобно. Виртуальные машины можно создавать на период проекта, изменять и удалять после завершения работы.

Устаревшие приложения

Некоторые корпоративные программы зависят от определенной версии операционной системы. Перенос на новую платформу может потребовать серьезной переработки.

Виртуальная машина позволяет сохранить отдельную среду для такого приложения, не выделяя ему самостоятельный физический компьютер.

Системы с разными требованиями

На одном физическом узле могут одновременно находиться несколько сервисов, которым нужны разные настройки и программное окружение. Виртуализация позволяет разделить их без необходимости объединять приложения внутри одной операционной системы.

Чем виртуальная машина отличается от обычного приложения

Иногда виртуализацию воспринимают просто как способ запустить несколько программ на одном компьютере. Разница значительно глубже.

Если несколько приложений работают в одной операционной системе, они используют общие системные библиотеки, настройки и ядро ОС. Ошибка конфигурации или обновление одного компонента может повлиять на другие программы.

Виртуальная машина содержит собственную операционную систему. Для соседней виртуальной среды она практически является отдельным компьютером.

Это увеличивает изоляцию и позволяет независимо управлять программным окружением.

Обратная сторона — дополнительные расходы ресурсов: каждой виртуальной машине требуется собственная операционная система, память и место на диске. По этой причине количество виртуальных систем также должно быть обоснованным.

Виртуализация не всегда означает экономию любой ценой

Переход от физических серверов к виртуальным не сводится к задаче разместить как можно больше систем на минимальном количестве оборудования.

Слишком плотная консолидация повышает зависимость от отдельных физических узлов. Если сервер постоянно работает близко к пределу производительности, любой скачок нагрузки может привести к замедлению сразу нескольких сервисов.

Кроме того, инфраструктуре требуется запас для технических работ и отказов. Если имеются три физических сервера, желательно учитывать возможность временной работы без одного из них. Иначе плановое обслуживание может потребовать остановки части виртуальных машин.

Грамотная архитектура предусматривает баланс между плотностью размещения, стоимостью оборудования, производительностью и устойчивостью к сбоям.

Как меняется работа системного администратора

При физической инфраструктуре значительная часть работы связана с отдельными серверами: установкой оборудования, подключением кабелей, заменой дисков, настройкой каждой машины.

После виртуализации часть процессов переходит в программный уровень.

Администратор управляет уже не только физическими узлами, но и виртуальными ресурсами. Нужно следить за загрузкой гипервизоров, распределением оперативной памяти, дисковым пространством, состоянием хранилищ и сетевыми настройками виртуальных машин.

При этом многие типовые операции упрощаются. Создать тестовую систему, скопировать виртуальную машину или перенести ее на другой узел можно без работы с новым физическим оборудованием.

Почему разделение одного сервера на несколько виртуальных машин стало распространенной практикой

Главная причина заключается в несоответствии между мощностью современного оборудования и потребностями многих отдельных корпоративных приложений. Один физический сервер способен выполнять гораздо больше задач, чем требуется небольшому файловому сервису, внутреннему сайту или вспомогательной базе данных.

Виртуализация позволяет разделить эту мощность на несколько независимых вычислительных сред. Компания получает возможность сохранить логическое разделение сервисов, при этом не выделяя отдельную физическую машину для каждой задачи.

Такой подход дает несколько практических преимуществ одновременно: повышается использование оборудования, уменьшается количество физических серверов, проще создаются новые вычислительные среды, ресурсы гибче перераспределяются между приложениями, а виртуальные системы можно переносить между физическими узлами.

При этом виртуализация требует грамотного планирования. Необходимо контролировать общую нагрузку, оставлять резерв производительности, учитывать возможные аппаратные сбои и строить систему резервного копирования. Один физический сервер становится основой сразу для нескольких сервисов, поэтому требования к его надежности и к архитектуре всей инфраструктуры возрастают.

Разделение физического сервера на виртуальные машины имеет смысл не само по себе, а как способ точнее сопоставить имеющиеся вычислительные ресурсы с реальными задачами бизнеса. Вместо жесткой модели «одно приложение — один сервер» формируется более гибкая инфраструктура, где процессор, память, диски и сеть распределяются между системами в зависимости от их потребностей.