Công nghệ ảo hóa và ứng dụng (luận văn ths toán học)

Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------------------------

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS.TSLê Trọng
Vĩnh người đã chỉ hướng dẫn em tận tình trong suốt thời gian làm luận văn.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy, cô giáo trong Bộ môn Tin học, Khoa
Toán – Cơ – Tin học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên , Đại học Quốc gia Hà
Nội.Các thầy cô đã dạy bảo, chỉ dẫn em và luôn tạo điều kiện tốt nhất cho em học

NGUYỄN
DŨNG
tập trong suốt quá trình học
và đặc biệtCHÍ
là trong
thời gian làm luận văn tốt nghiệp.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn đối với lãnh đạo Trường Đại học Kỹ thuật - Hậu
Cần CAND đã tạo điều kiện cho em trong suốt thời gian qua.
Hà Nội, ngày…..tháng…..năm 2017
Học viên

CÔNG NGHỆ ẢO HÓA VÀ ỨNG DỤNG
Nguyễn Chí Dũng

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2017
Nguyễn Chí Dũng

Trang 1


Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------------------------

NGUYỄN CHÍ DŨNG

CÔNG NGHỆ ẢO HÓA VÀ ỨNG DỤNG

Chuyên ngành: Cơ sở toán cho tin học
Mã số: 60460110

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢƠI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS LÊ TRỌNG VĨNH

Nguyễn Chí Dũng

Hà Nội - Năm 2017

Trang 2


Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT

Viết tắt

Thuật ngữ tiếng anh

Thuật ngữ tiếng việt

1

VM

Virtual Machine

Máy ảo

2

CPU

Central Processing Unit

Bộ xử lý trung tâm

3

RAID

Redundant Array of

Hệ thống đĩadự phòng

Inexpensive Disks
4

SAN

Storage Area Networks

Mạng lưu trữ

5

VMM

Virtual Machine Monitor

Trình quản lý máy ảo

6

VMFS

Virtual Machine File System

Hệ thống tệp tin máy ảo

7

VMHA

VMware High Availability

Tính sẵn sàng cao

8

VSMP

Virtual symmetric

Đa tiến trình ảo hóa đối

multiprocessing

xứng

9

COS

Console Operating System

Hệ điều hành điều khiển

10

FTP

File Transfer Protocol

Giao thức truyền tệp

11

VCB

VMware Consolidated Backup

Sao lưu máy ảo

12

DRS

Distributed resource scheduler

Lịch phân phối tài nguyên
phân tán

13

DPM

Distributed Power Manager

Quản lýhiện năng phân tán

14

VC

Virtual Center

Trung tâm ảo hóa

Nguyễn Chí Dũng

Trang 3


Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

DANH SÁCH CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ
Bảng 1.1:Mô tả cách ghi dữ liệu của RAID 0 ............................................................... 22
Bảng 1.2:Mô tả cách ghi dữ liệu của RAID 1 ............................................................... 24
Bảng 1.3:Mô tả cách ghi dữ liệu của RAID 0+1........................................................... 25
Bảng 1.4:Mô tả cách ghi dữ liệu của RAID 5 ............................................................... 25
Hình 1.1: Một server vật lý trong hệ thống ảo hóa ....................................................... 11
Hình 1.2: Các thành phần của một hệ thống ảo hóa. .................................................... 13
Hình 1.3: Kiến trúc Host-Based còn được gọi là kiểu ảo hóa Vmm ............................ 15
Hình 1.4: Kiến trúc của kiểu ảo hóa Vmm Hypervisor ................................................ 16
Hình 1.5: Kiến trúc của kiểu ảo hóa Monolithic Hypervisor ........................................ 18
Hình 1.6: Kiến trúc Microkernelized Hypervisor ......................................................... 18
Hình 1.7:Kiến trúc ảo hóa Hybrid ................................................................................. 19
Hình 1.8: Sơ đồ hoạt động của kỹ thuật Striping .......................................................... 22
Hình 1.9:Sơ đồ hoạt động của kỹ thuật Miroring ......................................................... 23
Hình 1.10: Sơ đồ hoạt động kết hợp kỹ thuật Striping&kỹ thuật Miroring .................. 24
Hình 1.11: Sơ đồ hoạt động của kỹ thuật Parity ........................................................... 25

Hình 1.12:Kiến trúc mạng lưu trữ SAN đơn giản ......................................................... 27
Hình 1.13:Sơ đồ hoạt động của VMware High Availability ........................................ 30
Hình 2.1:Kiến trúc của VMware ESX Server ............................................................... 31
Hình 2.2:Sơ đồ tương tác trong ESX Server ................................................................. 33
Hình 3.1: mô hình triển khai hệ thống. ......................................................................... 39
Hình 3.2: Hộp thoại cài đặt ESXi6.0............................................................................. 40
Hình 3.3:Bắt đầu quá trình cài đặt ................................................................................ 41
Hình 3.4: Hộp thoại lựu chọn ngôn ngữ bàn phím ....................................................... 41
Hình 3.5:Hộp thoại cảnh báo mất dữ liệu trên ổ cứng .................................................. 41
Hình 3.6:Quá trình tải các file cần thiết cho việc cài đặt .............................................. 42
Hình 3.7: Hộp thoại thỏa thuận các yêu cầu từ nhà sản xuất ........................................ 42
Hình 3.8: Hộp thoại nhập password người quản trị. ..................................................... 43
Hình 3.9: Quá trình cài hệ điều hành Esx bắt đầu ......................................................... 43
Hình 3.10: Giao diện đăng nhập chính.......................................................................... 44
Hình 3.11: Chương trình Vsphere Client ...................................................................... 45
Hình 3.12:Giao diện sau khi kết nối Esx Server thành công ........................................ 45
Hình 3.13:Tạo máy ảo ................................................................................................... 46
Hình 3.14: Hộp thoại chọn kiểu cấu hình ..................................................................... 46
Hình 3.15: Hộp thoại đặt tên server .............................................................................. 47
Hình 3.16: Hộp thoại chọn nơi lưu trữ .......................................................................... 47
Hình 3.17:Hộp thoại chọn hệ điều hành cho máy ảo .................................................... 48
Hình 3.18: Hộp thoại chọn dung lượng ổ cứng ............................................................. 48
Hình 3.19: Hộp thoại cấu hình đã chọn......................................................................... 49
Nguyễn Chí Dũng

Trang 4


Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

Hình 3.20: Máy ảo đã được cấu hình xong ................................................................... 50
Hình 3.21: Khởi động máy ảo ....................................................................................... 50
Hình 3.22: Kkết nối với image hệ điều hành ................................................................ 51
Hình 3.23:Tổng quan hệ thống ...................................................................................... 51
Hình 3.24: Hoạt động của máy ảo ................................................................................. 52
Hình 3.25: Quá trình phân phối tài nguyên tới các máy ảo .......................................... 52
Hình 3.26: Sơ đồ quá trình hoạt động của CPU ............................................................ 53
Hình 3.27: Tình trạng phần cứng .................................................................................. 53

Nguyễn Chí Dũng

Trang 5


Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay,với sự tiến bộ vượt bậc của nền khoa học công nghệ,đặc biệt là
công nghệ thông tin.Máy tính đã giúp con người rất nhiều từ tối ưu hóa công
việc,giảm thời gian làm việc,tăng hiệu suất và mang lại hiệu quả cao. Vì vậy, bất cứ
một cơ quan,tổ chức nào cũng cần hệ thống máy chủ để chạy các ứng dụng, lưu trữ
dữ liệu, cung cấp các dịch vụ như web, email,… Với mỗi một ứng dụng như vậy,
theo truyền thống, chúng ta phải trang bị tương ứng một máy chủ vật lý. Tuy nhiên,
thực tế chỉ ra rằng các máy chủ sử dụng rất ít tài nguyên vật lý của nó,chỉ từ 10%
đến 30% cho một loại dịch vụ và phần tài nguyên còn lại thì không dùng đến, điều
này gây sự lãng phí rất lớn.
Vì vậy làm sao thế nào để tận dụng các phần tài nguyên còn lại đó một cách
hiệu quả?Công nghệ ảo hóa ra đời cho phép giải quyết vấn đề này. Có rất nhiều
công nghệ ảo hóa như: Ảo hóa máy chủ, ảo hóa hạ tầng mạng, ảo hóa Desktop, ảo
hóa các ứng dụng, ảo hóa hệ thống lưu trữ.Tuy nhiên trong luận văn này, em chỉ đi

sâu vào nghiên cứu công nghệ ảo hóa máy chủ và các công nghệ liên quan cho việc
ảo hóa máy chủ.
Mặt khác, có rất nhiều công nghệ giúp việc ảo hóa máy chủ như Vmware
hay Windows, tuy nhiên, do hạn chế về mặt thời gian, luận văn này cũng chỉ tập
trung nghiên cứu công nghệ trợ giúp ảo hóa Vmware.
Luận văn có bố cục như sau:
Chương 1: Trình bày về công nghệ ảo hóa và các công nghệ giúp ảo hóa.
Trong chương này, cấu trúc, các thành phần trong mô hình ảo hóa sẽ được trình bày
chi tiết cũng như các công nghệ quan trọng cho phép xây dựng môi trường ảo hóa
hoạt động an toàn và ổn định.
Chương 2: Trình bày việc ảo hóa hệ thống với Vmware ESX Server 6.0.
Chương này tập trung trình bày các đặc trưng chính của công nghệ ảo hóa Vmware

Nguyễn Chí Dũng

Trang 6


Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

ESX Server từ đó chỉ ra các ưu điểm và tính năng vượt trội của sản phẩm này so
với các công nghệ khác.
Chương 3: Xây dựng một ứng dụng cho thư viện trường Đại học Kỹ thuật
Hậu cần Bộ Công An. Chương này ứng dụng mô hình hệ thống của chương 1 và
công nghệ ở chương 2 để ảo hóa máy chủ của thư viện trường ĐH Kỹ thuật – Hậu
cần, Bộ Công An cho phép chạy nhiều ứng dụng khác nhau.

Nguyễn Chí Dũng

Trang 7

Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

MỤC LỤC
LỜ I CẢ M Ơ N .................................................................................................... 1
DANH MỤ C CÁC CHỮ VIẾ T TẮ T .................................................................. 3
LỜ I NÓI Đ Ầ U ..................................................................................................... 6
Chƣ ơ ng 1: CÔNG NGHỆ Ả O HÓA VÀ CÔNG NGHỆ GIÚP VIỆ C Ả O HÓA
............................................................................................................................. 11
1.1 Giớ i thiệ u ............................................................................................... 11
1.2 Tổ ng quan ả o hóa ................................................................................... 12
1.2.1 Khái niệ m ả o hóa .............................................................................. 12
1.2.2 Các thành phầ n củ a mộ t hệ thố ng ả o hóa ................................... 13
1.3 Các kiế n trúc ả o hóa ................................................................................... 15
1.3.1 Kiế n trúc ả o hóa Host-Based ............................................................. 15
1.3.2 Kiế n trúc ả o hóa Hypervisor-Based................................................... 17
1.3.3 Kiế n trúc ả o hóa Hybrid ..................................................................... 20
1.4 Các lợ i ích củ a ả o hóa ............................................................................ 20
1.5 Mộ t số công nghệ

liên quan đế n ả o hóa............................................. 22

1.5.1 Công nghệ RAID ............................................................................... 22
1.5.2 Công nghệ lƣ u trữ mạ ng SAN ..................................................... 29

Nguyễn Chí Dũng

Trang 8

Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

1.5.3 Công nghệ High Availability ............................................................. 31
Chƣ ơ ng 2: Ả O HÓA VỚ I VMWARE ESX SERVER 6.0 .............................. 33
2.1 Tổ ng quan về VMware ESX Server ...................................................... 33
2.2

Hai thành phầ n chính củ a VMware ESX Server ................................. 34

2.2.1 Hệ điề u hành điề u khiể n (Console Operating System) .................. 35
2.2.2 VMkernel ............................................................................................ 36
2.3 Mộ t số tính nă ng củ a VMware ESX Server ...................................... 36
2.3.1 Khả nă ng quả n lý tài nguyên ............................................................. 36
2.3.2 Hiệ u suấ t và khả nă ng mở rộ ng ................................................ 37
2.3.3 Tính sẵ n sàng cao ................................................................................ 38
Chƣ ơ ng 3: Ứ NG DỤ NG CHO THƢ VIỆ N TRƢ Ờ NG Đ HKT HẬ U
CẦ N CAND ....................................................................................................... 40
3.1 Mụ c tiêu củ a giả i pháp ............................................................................ 40
3.2 Mô hình ...................................................................................................... 41
3.3 Yêu cầ u ...................................................................................................... 41
3.4 Triể n khai hệ thố ng ............................................................................. 42
3.4.1 Cài đặ t VMware ESX Server ............................................................... 42
3.4.2 Giao diệ n đă ng nhậ p chính. ........................................................... 45
Nguyễn Chí Dũng

Trang 9


Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

3.4.3 Quả n lý từ xa bằ ng VM vSphere client ........................................ 45
5.4.5 Quả n lý và theo dõi các máy ả o .............................................................. 52
Kế t luậ n và hƣ ớ ng phát triể n ........................................................................ 56
Kế t quả đạ t đƣ ợ c ..................................................................................... 56
Nhữ ng hạ n chế ........................................................................................... 56
Hƣ ớ ng phát triể n .......................................................................................... 56
Tài liệ u tham khả o ............................................................................................ 58

Nguyễn Chí Dũng

Trang 10


Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

Chƣơng 1:CÔNG NGHỆ ẢO HÓA VÀ CÔNG NGHỆ GIÚP VIỆC ẢO HÓA
1.1Giới thiệu
Như đã trình bày trong lời nói đầu, các cơ quan,tổ chức đều có các hệ thống
máy chủ để chạy các ứng dụng, lưu trữ dữ liệu, cung cấp các dịch vụ như web,
email,… riêng của mình. Với mỗi một ứng dụng như vậy, về mặt lý thuyết, các cơ
quan tổ chức phải trang bị tương ứng một máy chủ vật lý. Tuy nhiên, thực tế chỉ ra
rằng các máy chủ sử dụng rất ít tài nguyên vật lý của nó,chỉ từ 10% đến 30% cho
một loại dịch vụ và phần tài nguyên còn lại thì không dùng đến, điều này gây sự
lãng phí rất lớn [1].Do đó cần có các giải pháp để giảm thiểu các chi phí này có
thể.Công nghệ ảo hóa là giải pháp lý tưởng cho các cơ quan và tổ chức giải quyết
bài toán này. Công nghệ ảo hóa giúp giảm thiểu chi phí đầu tư mua nhiều máy
chủ,tiết kiệm điện năng,… cho các cơ quan, tổ chức.
Mục đích chính của công nghệ ảo hóalà tận dụng tối đa hiệu suất làm việc
của các máy chủ bằng cách cho phép cài đặt nhiều máy chủ ứng dụng trên một

máy chủ vật lý duy nhất.Việc quản lý cũng trở nên dễ dàng hơn khi quản lý tập
trung nhiều máy trên một máy chủ duy nhất. Vấn đề khó khăn của công nghệ ảo
hóa là sự an toàn dữ liệu. Tuy nhiên điều này sẽ được khắc phục bằng một loạt các
công nghệ đảm bảo an toàn dữ liệu và hoạt động ổn định của máy chủ như công
nghệ High Availability, RAID (Redundant Array of Independent Disks),công nghệ
lưu trữ mạng SAN (Storage Area Network) [2,3].
Hiện nay, nhiều hãng phần mềm máy chủ đều ra sức tập trung để nghiên cứu
và phát triển công nghệ ảo hóa. Nổi bật là các sản phầm của VMware [4,5,10], của
Citrix

như

Zen

Server,Hyber-V

của

Microsoft,

Solarris

Zones

của

Oracle,...[9,11]Đây là các nhà cung cấp đang nắm giữ phần lớn thị trường ảo hóa
hiện nay.
Tại Việt Nam,ứng dụng công nghệ ảo hóa còn khá hạn chế do chưa có nhiều
doanh nghiệp thấy được nhu cầu cần thiết và nắm được công nghệ này. Vì vậy,

nhiệm vụ chính của luận văn là nghiên cứu về công nghệ ảo hóa nhằm ứng dụng
Nguyễn Chí Dũng

Trang 11


Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

xây dựng mô hình ứng dụng ảo hóa cho các cơ quan, tổ chức chính phủ hoặc các
doanh nghiệp.
1.2Tổng quan ảo hóa
1.2.1 Khái niệm ảo hóa
Ảo hóa là một công nghệ được ra đời nhằm khai thác triệt để khả năng làm việc
của các phần cứng trong một hệ thống máy chủ [1,7,8].Nó hoạt động như một tầng
trung gian giữa hệ thống phần cứng máy tính và phần mềm chạy trên nó.Ý tưởng
của công nghệ ảo hóa máy chủ là từ một máy vật lý đơn lẻ có thể tạo thành nhiều
máy ảo độc lập. Ảo hóa phép tạo nhiều máy ảo trên một máy chủ vật lý, mỗi một
máy ảo cũng được cấp phát tài nguyên phần cứng như máy thật gồm có Ram, CPU,
Card mạng, ổ cứng, các tài nguyên khác và hệ điều hành riêng. Khi chạy ứng
dụng,người sử dụng không nhận biết được ứng dụng đó chạy trên lớp phần cứng
ảo.

Hình 1.1: Một server vật lý trong hệ thống ảo hóa
Các bộ xử lý của hệ thống máy tính lớn được thiết kế hỗ trợ công nghệ ảo
hoá và cho phép chuyển các lệnh hoặc tiến trình của các máy ảo cho hệ điều hành
chủ vật lý xử lý,sau đó lớp ảo hóa sẽ mô phỏng kết quả để trả về cho máy ảo.Tuy
nhiên không phải tất cả bộ xử lý đều hỗ trợ ảo hóa.Các bộ xử lý cũ trên máy để bàn
điều không hỗ trợ chức năng này.Ngày nay hai nhà sản xuất bộ xử lý lớn trên thế
Nguyễn Chí Dũng

Trang 12


Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

giới là Intel và AMD đều tích cố gằn tích hợp công nghệ ảo hóa vào trong các sản
phẩm của họ.Các bộ xử lý có ứng dụng ảo hóa thường là Intel Virtual Technology
hoặc AMD Pacifica.
Công nghệ ảo hóa đem đến cho người dùngnhiều sự tiện ích.Việc có thể
chạy nhiều hệ điều hành đồng thời trên cùng một máy tính thuận tiện cho người sử
dụng.Điều đó làm cho các nhà cung cấp các sản phẩm máy chủ và phần mềm điều
chú tâm đầu tư nghiên cứu và phát triển công nghệ này như: HP,IBM,Microsoft và
VMware.Nhiều dạng ảo hóa được đưa ra và có thể chia thành hai dạng chính là ảo
hóa cứng và ảo hóa mềm.
Ảo hóa cứng: Dạng ảo hóa này cho phép tạo nhiều máy ảo trên môt máy
chủ vật lý. Mỗi máy ảo chạy hệ điều hành riêng và được cấp phát các tài nguyên
phần cứng như CPU, dung lượng ổ cứng,dung lượng bộ nhớ trong RAM,... Các tài
nguyên của máy chủ vật lý cấp phát động một cách linh động tùy theo nhu cầu của
từng máy ảo. Giải pháp này cho phép hợp nhất các hệ thống máy chủ cồng kềnh
thành một máy chủ duy nhất và các máy chủ trước đây bây giờ đóng vai trò là máy
ảo ứng dụng chạy trên nó.
Ảo hóa mềm: Thực sự là sự bản sao của một hệ điều hành chính làm nhiều
hệ điều hành con và cho phép các máy ảo ứng dụng có thể chạy trên nó. Ví dụ,
nếuhệđiều hành cảu máy chủ vật lý là Windows thì cách ảo hoá này sẽ cho phép tạo
thêm nhiều bản Windows làm việc trên cùng máy.Cách này có ưu điểm là chỉ cần
một bản quyền cho một hệ điều hành và có thể sử dụng cho các máy ảo còn
lại.Nhược điểm của nó làkhông thể sử dụng nhiều hệ điều hành khác nhau trên
cùng một máy chủ.
1.2.2 Các thành phần của một hệ thống ảo hóa
Với nhu cầu sử dụng máy chủ ảo ngày càng nhiều của các cơ quan, doanh nghiệp

thì việc ảo hóa máy chủ từ máy chủ vật lý có sẵn là điều mà mọi cơ quan, tổ chức
đều hướng tới để tiết kiệm tài nguyên và tiết kiệm chi phí thay vì thuê máy chủ.
Hệ thống ảo hóa giúp doanh nghiệp tạo ra nhiều máy chủ ảo từ máy chủ vật lý
Nguyễn Chí Dũng

Trang 13


Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

thông thường. Một hệ thống ảo hóa gồm có 4 thành phần chính: tài nguyên vật
lý, phần mềm ảo hóa, máy chủ ảo và hệ điều hành khách [5].

Hình 1.2: Các thành phần của một hệ thống ảo hóa.
i) Tài nguyên vật lý hay phần cứng (lớp 0): Phần cứng hay tài nguyên vật lý
chính là CPU, ổ đĩa cứng HDD, RAM,… trên máy chủ vật lý có vai trò cung cấp
tài nguyên hoạt động cho các máy ảo mới. Các tài nguyên của máy chủ vật lý sẽ
được chia ra để cung cấp cho các máy ảo.
ii) Các phần mềm ảo hóa (lớp 1): Phần mềm ảo hóa là yếu tố không thể thiếu
trong hệ thống ảo hóa. Các phần mềm này có vai trò cung cấp truy cập cho mỗi
máy chủ ảo đến tài nguyên của máy chủ vật lý.Nền tảng của môi trường ảo hóa
chính là các phần mềm ảo hóa. Mọi hoạt động cấp phát, quản lý tài nguyên máy
chủ ảo đều do phần mềm ảo hóa thực hiện.
iii) Máy chủ ảo (lớp 2): Máy chủ ảo chính là sản phẩm của công nghệ ảo hóa. Nhờ
vào phần mềm ảo hóa mà tạo ra các máy chủ ảo từ máy chủ vật lý.Máy chủ ảo hoạt
động như một máy chủ vật lý bình thường với tài nguyên, hệ điều hành, giao diện
riêng.
Nguyễn Chí Dũng

Trang 14

Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

iv) Hệ điều hành khách (lớp 3): Hệ điều hành khách là một phần mềm được cài
đặt trên một máy chủ ảo. Hệ điều hành khách giúp cho người dùng dễ dàng sử dụng
và xử lý các sự cố trên máy chủ ảo.Các thao tác trên hệ điều hành khách tương tự
như các thao tác trên hệ điều hành thông thường.
1.3 Các kiến trúc ảo hóa
Xét về kiến trúc hệ thống, các kiến trúc ảo hóa hệ thống máy chủ có thể chia thành
các dạng dạng chính sau:
-

Host-based
Hypervisor-based (còn gọi là bare-metal hypervisor, nó được chia nhỏ ra
làm hai loại là Monothic Hypervisor và Microkernel Hypervisor)
Hybrid.

Sau đây luận văn sẽ trình bày chi tiết về các kiến trúc ảo hóa máy chủ, đồng thời
xem xét khái niệm Hypervisor là gì.
1.3.1 Kiến trúc ảo hóa Host-Based
Còn gọi là kiến trúc hosted hypervisor, kiến trúc này sử dụng một lớp hypervisor
chạy trên nền tảng hệ điều hành của máy chủ vật lý (gọi tắt là hệ điều hành máy
chủ), sử dụng các dịch vụ được hệ điều hành máy chủ cung cấp để phân chia tài
nguyên tới các máy ảo. Nếu ta xem hypervisor này là một lớp phần mềm riêng biệt,
thì các hệ điều hành khách của máy ảo sẽ nằm trên lớp thứ 3 so với phần cứng máy
chủ.
Một hệ thống ảo hóa sử dụng mô hình Hosted-based được chia làm 4 lớp hoạt động
như sau:
-

-

Nền tảng phần cứng: Bao gồm các thiết bị nhập xuất, thiết bị lưu trữ
(HDD, RAM), bộ vi xử lý CPU, và các thiết bị khác (các thiết bị mạng,
vi xử lý đồ họa, âm thanh…).
Hệ điều hành máy chủ: Hệ điều hành này thực hiện việc liên lạc trực tiếp
với phần cứng để cung cấp các dịch vụ và chức năng truy nhập đến nền
tảng phần cũng. Cùng với lớp nền tảng phần cứng, lớp này đảm bảo
chức năng của lớp 0 như trong hình 1.2 ở trên.

Nguyễn Chí Dũng

Trang 15


Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

-

-

Hệ thống virtual machine monitor (hypervisor): Chạy trên nền tảng hệ
điều hành máy chủ, các hệ thống này lấy tài nguyên và dịch vụ do hệ
điều hành máy chủ cung cấp, thực hiện việc quản lý, phân chia trên các
tài nguyên này. Lớp này tương đương với lớp 1 như trong hình 1.2 ở
trên.
Các ứng dụng máy ảo: Sử dụng tài nguyên do hypervisor quản lý. Lớp
này bao gồm lớp 2 và 3 như trong hình 1.2 ở trên.

Hình 1.3: Kiến trúc Host-Based còn đƣợc gọi là kiểu ảo hóa Vmm
Mối liên lạc giữa phần cứng và trình điều khiển thiết bị trên hệ điều hành máy chủ
trong kiểu ảo hóa này được mô tả như sau:
-

-

-

Bước đầu tiên mô phỏng phần cứng: Lớp ảo hóa hypervisor sẽ tạo ra một
phân vùng trên ổ đĩa cho các máy ảo. Phân vùng này bao gồm các phần
cứng ảo như ổ đĩa, bộ nhớ….
Hypervisor xây dựng mối liên lạc giữa lớp ảo hóa với hệ điều hành máy
chủ: Khi một máy ảo truy xuất tài nguyên thì lớp hypervisor sẽ thay thế
máy ảo đó gởi các yêu cầu tới hệ điều hành máy chủ để yêu cầu thực
hiện. Khi hệ điều hành máy chủ nhận được các yêu cầu này. Nó liên lạc
với trình điều khiển thiết bị phần cứng.
Các trình điều khiển thiết bị phần cứng liên lạc đến các phần cứng trên
máy thực.

Nguyễn Chí Dũng

Trang 16


Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

Quá trình này sẽ xảy ra ngược lại khi có các trả lời từ các phần cứng đến hệ điều
hành khách.Một số hệ thống hypervisor dạng Host-based có thể kể đến như
Vmware Server, Microsoft Virtual PC.

1.3.2 Kiến trúc ảo hóa Hypervisor-Based
Còn gọi là kiến trúc bare-metal hypervisor. Trong mô hình này, lớp phần mềm
hypervisor chạy trực tiếp trên nền tảng phần cứng của máy chủ, không thông qua
bất kì một hệ điều hành hay một nền tảng nào khác. Qua đó, các hypervisor này có
khả năng điều khiển, kiểm soát phần cứng của máy chủ.Đồng thời, nó cũng có khả
năng quản lý các hệ điều hành chạy trên nó.Nói cách khác, các hệ điều hành sẽ
chạy trên một lớp nằm phía trên các hypervisor dạng bare-metal.Hình 1.3 dưới đây
minh họa cho kiến trúc dựa trên hypervisor

Hình 1.4: Kiến trúc của kiểu ảo hóa Vmm Hypervisor
Một hệ thống ảo hóa máy chủ sử dụng nền tảng Bare-metal hypervisor bao gồm 3
lớp chính:
-

-

Nền tảng phần cứng: Bao gồm các thiết bị nhập xuất, thiết bị lưu trữ
(Hdd, Ram), bộ vi xử lý CPU, và các thiết bị khác (các thiết bị mạng, vi
xử lý đồ họa, âm thanh…). Tương ứng với lớp 0 như trong hình 1.2.
Lớp nền tảng ảo hóa Virtual Machine Monitor (còn gọi là hypervisor),
thực hiện việc liên lạc trực tiếp với nền tảng phần cứng phía dưới, quản
lý và phân phối tài nguyên cho các hệ điều hành khác nằm trên nó.
Tương ứng với lớp 1 như trong hình 1.2.

Nguyễn Chí Dũng

Trang 17


Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

-

Các ứng dụng máy ảo: Các máy ảo này sẽ lấy tài nguyên từ phần cứng,
thông qua sự cấp phát và quản lý của hypervisor. Tương ứng với lớp 2 và
3 như trong hình 1.2.

Khi một hệ điều hành khách thực hiện truy xuất hoặc tương tác tài nguyên phần
cứng trên hệ điều hành máy chủ thì công việc của một Hypervisor sẽ là:
-

Hypervisor mô phỏng phần cứng. Nó làm cho các hệ điều hành khách
tưởng rằng mình đang sử dụng tài nguyên vật lý của hệ thống thật.
Hypervisor liên lạc với các trình điều khiển thiết bị.
Các trình điều khiển thiết bị phần cứng liên lạc trực tiếp đến phần cứng
vật lý.

Mô hình Hypervisor - Base có 2 dạng là Monothic Hypervisor và Microkernel
Hypervisor.
i) Kiến trúc Monolithic Hypervisor
Monolithic Hypervisor cũng là một hệ điều hành máy chủ.Nó chứa những trình
điều khiển (Driver) thiết bị rong lớp Hypervisor để truy cập tài nguyên phần cứng
bên dưới.Khi các hệ điều hành chạy trên các máy ảo truy cập phần cứng thì sẽ
thông qua lớp trình điều khiển thiết bị của lớp hypervisor.
Mô hình này mang lại hiệu quả cao, nhưng cũng giống như bất kì các giải pháp
khác, bên cạnh mặt ưu điểm thì nó cũng còn có những nhược điểm.Vì trong quá
trình hoạt động, nếu lớp trình điều khiển thiết bị phần cứng của nó bị hư hỏng hay
xuất hiện lỗi thì các máy ảo cài trên nó đều bị ảnh hưởng và nguy hại. Thêm vào đó
là thị trường phần cứng ngày nay rất đa dạng, nhiều chủng loại và do nhiều nhà
cung cấp khác nhau, nên trình điều khiển thiết bị của Hypervisor trong loại ảo hóa

này có thể sẽ không thể hỗ trợ điều khiển hoạt động của phần cứng mới một cách
đúng đắn và hiệu suất chắc chắn cũng sẽ không được như mong đợi. Một trình điều
khiển không thể nào điều khiển tốt hoạt động của tất cả các thiết bị nên nó cũng có
những thiết bị phần cứng không hỗ trợ.Những điều này cho thấy rằng việc phụ
thuộc quá nhiều vào các loại thiết bị dẫn tới sự hạn chế việc phát triển công nghệ
này.
Nguyễn Chí Dũng

Trang 18


Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

Hình 1.5: Kiến trúc của kiểu ảo hóa Monolithic Hypervisor
ii) Kiến trúc Microkernelized Hypervisor
Microkernelized Hypervisor là một kiểu ảo hóa giống như Monolithic
Hypervisor.Điểm khác biệt giữa hai loại này là trong Microkernelized trình điều
khiển thiết bị phần cứng vật lý được cài trên một máy ảo và được gọi là trình điều
khiển chính, trình điều khiển chính này tạo và quản lý các trình điều khiển con cho
các máy ảo khác. Khi một máy ảo có nhu cầu liên lạc với phần cứng thì trình điều
khiển con sẽ liên lạc với trình điều khiển chính và trình điều khiển chính này sẽ
chuyển yêu cầu xuống lớp Hypervisor để liên lạc với phần cứng.

Hình 1.6: Kiến trúc Microkernelized Hypervisor

Nguyễn Chí Dũng

Trang 19

Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

Một số ví dụ về các hệ thống Bare-metal hypervisor như là: Oracle VM, Vmware
ESX Server, IBM's POWER Hypervisor (PowerVM), Microsoft's Hyper-V, Citrix
XenServer…
1.3.3 Kiến trúc ảo hóa Hybrid
Kiến trúc Hybrid là một kiểu ảo hóa mới hơn và có nhiều ưu điểm hơn.Trong đó
lớp ảo hóa hypervisor chạy song song với hệ điều hành máy chủ.Tuy nhiên trong
cấu trúc ảo hóa này, các máy chủ ảo vẫn phải đi qua hệ điều hành máy chủ để truy
cập phần cứng nhưng khác biệt ở chỗ cả hệ điều hành máy chủ và các máy chủ ảo
đều chạy trong chế độ hạt nhân.Khi một trong hệ điều hành máy chủ hoặc một máy
chủ ảo cần xử lý tác vụ thì CPU sẽ phục vụ nhu cầu cho hệ điều hành máy chủ hoặc
máy chủ ảo tương ứng.Lý do khiến Hyrbird nhanh hơn là lớp ảo hóa chạy trong chế
độ hạt nhân (chạy song song với hệ điều hành), trái với Virtual Machine Monitor
lớp ảo hóa chạy trong trong chế độ người dùng (chạy như một ứng dụng cài trên hệ
điều hành).

Hình 1.7:Kiến trúc ảo hóa Hybrid
1.4 Các lợi ích của ảo hóa
Việc áo hóa máy chủ chắc chắn không phải là mới hay mang tính cách mạng. Trên
thực tế, những bước đi đầu tiên hướng tới công nghệ này đã xảy ra hơn hai thập kỷ

Nguyễn Chí Dũng

Trang 20


Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

trước, mặc dù nhiều người vẫn đang hoài nghi về giá trị của nó, sau đây chỉ là một

số ít các lợi ích có thể của công nghệ này.
i) Tiết kiệm chi phí và điện năng: Dường như là sự thật hiển nhiên, nhưng có thể
một số người vẫn không hiểu làm thế nào sự ảo hóa máy chủ sẽ tiết kiệm cho cơ
quan, tổ chức hay các doanh nghiệpmột số tiền đáng kể. Nói một cách đơn giản,
sự ảo hóa máy chủ sẽ cắt giảm các phần cứng vật lý cần thiết để lưu trữ dữ liệu,
cũng như năng lượng cần thiết để chạy tất cả các máy móc đó. Hãy tưởng tượng
tiền và năng lượng cần thiết để cung cấp điện cho trung tâm dữ liệu chứa 500 máy
chủ vật lý.Sau khi sử dụng công nghệ ảo hóa máy chủ, số lượng các máy chủ thực
sự được giảm đến con số 10.Không cần phải có một bằng cấp kinh tế để tính toán
ra rằng số tiền cần thiết để cung cấp năng lượng cho 10 máy chủ thì khá là ít so với
số tiền cung cấp cho 500 máy.Năng lượng ít hơn có nghĩa là chi phí thấp hơn.
ii)Quản lý đơn giản: Như phân tích ở trên, triển khai hệ thống ảo hoá thì số lượng
máy chủ vật lý giảm đi đáng kể và khi đó việc theo dõi và giám sát hệ thống rất dễ
dàng và hầu như được thực hiện bởi công cụ phần mềm quản trị tập trung từ xa do
nhà cung cấp phần mềm ảo hoá hỗ trợ. Nhà quản trị dễ dàng theo dõi tình trạng của
các máy ảo và của cả hệ thống. Nếu máy chủ vật lý bị trục trặc thì có thể chuyển
máy ảo từ máy chủ này sang máy chủ khác, có thể nâng cấp phần cứng bằng cách
gắn thêm RAM, HDD,… một cách nhanh chóng và đơn giản.
iii) Phòng thảm họa xảy ra:Các cơ quan, tổ chức hay các doanh nghiệp, dù lớn
hay nhỏ, đều có một kế hoạch khôi phục dữ liệu được chuẩn bị kỹ khi có thảm họa
xảy ra. Về cơ bản, nhiệm vụ khó khăn là tạo ra một bản sao chính xác trung tâm dữ
liệu của họ, hoàn thành với kiến trúc và mô hình tương tự với các máy chủ ban đầu.
Sự ảo hóa máy chủ cho phép các công ty xây dựng trung tâm dữ liệu dự phòng này
với các máy chủ và các thành phần rẻ hơn, đơn giản bởi vì không phải lo đến sự
tương thích của các phần mềm với phần cứng. Các máy ảo chỉ là một tập tin trên ổ
đĩa nên việc phục hồi rất đơn giản là sao chép lại các tập tin này. Khimột máy ảo
gặp sự cố và hỏng hóc do một lỗi hệ điều hành nào đó thì việc phục hồi đon giản là

Nguyễn Chí Dũng

Trang 21


Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

chép đè tập tin đã được sao chép lên tập tin cũ và hệ thống có thể hoạt động bình
thường lại ngay như lúc chưa bị lỗi.
iv) Cân bằng tải và phân phối tài nguyên linh hoạt:Cácnhà cung cấp phần mềm
ảo hoá hỗ trợ thường cung cấp các công cụ quản lý từ xa cho các máy chủ và máy
ảo. Vì vậy, người quản trị có thể quản lý tình trạng của toàn bộ hệ thống mọi lúc,
mọi nơi. Do đó người quản trị sẽ dễ dàng tăng CPU, RAM, HDD,… cho máy chủ
máy ảo hoặc di chuyển máy ảo từ máy chủ vật lý đang quá tải đó sang máy chủ vật
lý có cấu hình mạnh hơn, có nhiều tài nguyên còn trống hơn để hoạt động.
1.5Một số công nghệ liên quan đến ảo hóa
Rõ ràng các máy ảo là các tệp tin mô tả “các máy tính” được cài trên một máy tính
vật lý. Các tệp tin này được lưu trữ trên các bộ nhớ ngoài. Khi các bộ nhớ ngoài
hỏng thì các tệp tin này cũng hỏng theo và các máy ảo sẽ “chết”. Chính vì vậy, để
đảm bảo an toàn cho các máy ảo, chúng ta cần bảo vệ các tệp tin trên các thiết bị
lưu trữ ngoài. Có rất nhiều công nghệ đảm bảo an toàn và tính linh động cho các
tệp tin (dữ liệu), nhưng trong khuôn khổ của luận văn này, chúng tôi chỉ tập trung
vào hai công nghệ chính hiện nay là RAID và SAN.
1.5.1 Công nghệ RAID
RAID là viết tắt của Redundant Array of Inexpensive Disks (Hệ thống đĩa dự
phòng).Sự dự phòng là nhân tố quan trọng nhất trong quá trình phát triển RAID
cho môi trường máy chủ.Dự phòng cho phép sao lưu dữ liệu bộ nhớ khi gặp sự cố.
Nếu một ổ cứng trong dãy bị trục trặc thì nó có thể hoán đổi sang ổ cứng khác mà
không cần tắt cả hệ thống hoặc có thể sử dụng ổ cứng dự phòng. Phương pháp dự
phòng phụ thuộc vào phiên bản RAID được sử dụng.
RAID 0:

Nguyễn Chí Dũng

Trang 22


Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

RAID 0 thực ra không phải là cấp độ RAID hợp lệ. Cấp độ 0 được đưa ra không
thể cung cấp cấp độ dự phòng nào cho các dữ liệu được lưu trữ. Do vậy nếu một ổ
cứng bị lỗi thì sẽ gây nguy hiểm cho dữ liệu.
RAID 0 sử dụng một kĩ thuật gọi là “striping”. “Striping” phân chia khối dữ liệu
đơn như trong hình vẽ và trải chúng qua các ổ cứng. Tác dụng của striping là làm
tăng hiệu quả thực thi.Có thể ghi được hai khối dữ liệu cùng lúc tới hai ổ cứng, hơn
hẳn so với một ổ cứng như trước đây.

Hình 1.8: Sơ đồ hoạt động của kỹ thuật Striping

Bảng 1.1 dưới đây là ví dụ cho thấy dữ liệu đã được ghi trong kiểu RAID 0 như thế
nào.Mỗi dòng biểu diễn một khối dữ liệu và mỗi cột biểu diễn một ổ cứng khác
nhau.Những số trong bảng đại diện cho các khối dữ liệu.Các số giống nhau biểu thị
một khối dữ liệu được lặp lại.

Nguyễn Chí Dũng

Ổ cứng 1

Ổ cứng 2

Khối 1

1

2

Khối 2

3

4

Khối 3

5

6
Trang 23


Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

Bảng 1.1:Mô tả cách ghi dữ liệu của RAID 0
Do vậy, nếu cả 6 khối dữ liệu trong bảng kết hợp thành một file dữ liệu duy nhất thì
có thể đọc và ghi tới các ổ cứng nhanh hơn nhiều so với đọc trên một ổ. Mỗi ổ khi
hoạt động song song với nhau chỉ có thể đọc được 3 khối dữ liệu trong khi nó cần
sử dụng thêm một ổ đơn để đọc hết 6 khối dữ liệu. Hạn chế của kĩ thuật này là nếu
một ổ gặp sự cố thì dữ liệu sẽ không hoạt động.Cần phải truy cập tất cả 6 khối dữ
liệu mới có thể đọc được dữ liệu nhưng chỉ có thể truy cập vào 3 khối.
Thuận lợi:
-

Tăng hiệu quả lưu trữ.
Không làm mất dung lượng dữ liệu.

Bất lợi:
-

Không có ổ dự phòng.

RAID 1:
RAID 1 mới là phiên bản thực sự đầu tiên. RAID 1 cung cấp phương pháp dự
phòng dữ liệu đơn giản bằng kĩ thuật “mirroring” (nhân bản dữ liệu). Kĩ thuật này
cần 2 ổ cứng riêng biệt có cùng dung lượng. Một ổ sẽ là ổ hoạt động, ổ còn lại là ổ
dự phòng.Khi dữ liệu được ghi vào ổ hoạt động thì đồng thời nó cũng được ghi vào
ổ dự phòng.

Nguyễn Chí Dũng

Trang 24


Công Nghệ Ảo Hóa và Ứng Dụng

Hình 1.9:Sơ đồ hoạt động của kỹ thuật Miroring
Bảng 1.2 dưới đây là ví dụ cho thấy dữ liệu được ghi vào RAID 1 như thế nào.Mỗi
dòng trong biểu đồ biểu diễn một khối dữ liệu và mỗi cột biểu diễn một ổ cứng
khác nhau.Những số trong bảng đại diện cho các khối dữ liệu.Các số giống nhau
biểu thị một khối dữ liệu được lặp lại.
Ổ cứng 1 Ổ cứng 2
Khối 1

1

1

Khối 2

2

2

Khối 3

3

3

Bảng 1.2:Mô tả cách ghi dữ liệu của RAID 1
RAID 1 cung cấp một phiên bản dự phòng dữ liệu đầy đủ cho hệ thống. Nếu một ổ
gặp sự cố, ổ còn lại vẫn còn hoạt động. Hạn chế của kĩ thuật này là dung lượng
RAID chỉ bằng dung lượng nhỏ nhất của hai ổ cứng nếu như dung lượng lưu trữ
trên hai ổ được sử dụng độc lập.
Thuận lợi:
-

Cung cấp dự phòng dữ liệu toàn diện.

Nguyễn Chí Dũng

Trang 25