Visie op Server Virtualisatie: publicatie 9 maart 2007 in LAN Magazine

Volg de achtervolger
Oplaaiende strijd in virtualisatiewereld

Hans Vredevoort

Microsoft zal de komende 1 à 2 jaar een machtsgreep plegen op de markt van servervirtualisatie, zo voorspelt senior consultant Hans Vredevoort van Nobel. Wat heeft Windows Virtualization ons de komende jaren te bieden? Let the games begin!

Microsoft kan niet altijd worden beschuldigd van originaliteit. Er zijn flink wat voorbeelden op te sommen waarbij Microsoft goedschiks dan wel kwaadschiks het idee van een goed product overnam, of, sterker nog, de maker van het product in zijn geheel opslokte. Geld maakt machtig, hoewel dat zeker niet alleen voor Microsoft geldt. Vijfentwintig jaar geleden al achtervolgde Microsoft het immens populaire spreadsheetprogramma Lotus 1-2-3 dat in 1983 op de markt was gekomen. Het succes was zo groot dat Microsoft beslist niet achter kon blijven en werkte aan een eigen spreadsheetprogramma onder het devies van ‘do everything 1-2-3 does and do it better’. De onbetwiste leider werd in de jaren daarna volledig voorbijgestreefd. In de jaren negentig zagen we hoe op nagenoeg vergelijkbare wijze de populaire browser Netscape werd ingehaald en verpletterd door Internet Explorer, simpelweg door de laatste te integreren in Windows zelf. Denk ook in dit verband aan de strijd tussen Novell en Microsoft op het gebied van netwerkbesturingsystemen. We weten wie de uiteindelijke winnaar is geworden. Dit zijn maar een paar sprekende voorbeelden.
Terwijl VMware dezer dagen heer en meester is met hun servervirtualisatieproducten VMware Server en VMware Infrastructure, vormt zich langzamerhand een front waarbij partijen die je normaliter nooit met elkaar in verband zou brengen, samenwerkingsverbanden smeden. Denk aan de reikende hand van Microsoft naar Novell en de samenwerking met XenSource, de open-sourceontwikkelaar die eind 2006 met het para-virtualisatieplatform XenEnterprise op de markt kwam, onder andere als onderdeel van Novells SuSE Linux Enterprise 10. De producten van XenSource zullen gaan werken in combinatie met Windows Virtualization binnen Longhorn Server. Als je verder in overweging neemt dat Red Hat oorspronkelijk van plan was om ook Xen te integreren, maar hier eind 2006 van afzag en richting VMware kroop, moet je concluderen dat we twee kampen zien ontstaan: VMware (inmiddels onderdeel van EMC) en Red Hat aan de ene kant en Microsoft, XenSource en Novell aan de andere kant. Hoewel de vooraanstaande serverleveranciers claimen dat beide platformen volop ondersteund worden, neigen de grote jongens HP, IBM en Dell naar mijn mening meer naar de kant van VMware.

Terug naar de toekomst
Nu dan terug naar de toekomst. Mijn stelling is dat Microsoft het staaltje powerplay, zoals in de inleiding is beschreven, in de komende twee tot drie jaar gaat herhalen op het gebied van servervirtualisatie en mogelijk zelfs gaat beslissen in haar voordeel. Een goede observant zal hebben opgemerkt dat Microsoft zich flink aan het versterken is op verschillende gebieden van de virtualisatiemarkt. De overname van Connectix in 2003 zorgde voor een entree in de virtualisatiewereld met producten zoals Virtual PC en Virtual Server. In 2005 werd Virtual Server doorontwikkeld tot Virtual Server 2005 R2 dat ook gebruik kon maken van op x64 gebaseerde hardware. In 2006 werd Softricity overgenomen, waarmee het superieure applicatievirtualisatieproduct SoftGrid werd binnengehaald. Nu gaan er zelfs geruchten dat Microsoft (wellicht indirect via Novell), een overname overweegt op XenSource, de maker van het veelbelovende Enterprise Virtualisatie systeem XenEnterprise. Wat niet slecht zal uitkomen tijdens de onwikkeling van een hypervisor in de eerstvolgende versie van Windows Server - codenaam Windows Longhorn Server. Er is sprake van grote beroering in de open-sourcemarkt, waarbij Novell door sommigen zelfs als een verrader wordt aangemerkt.
We laten de polemiek en het wapengekletter nu even voor wat het is, zodat we ons kunnen concentreren op wat Windows Virtualization ons de komende jaren te bieden heeft.

De Hypervisor
Een hypervisor, ook wel Virtual Machine Monitor genoemd, is een flinterdunne kernel tussen de hardware en de erboven liggende gevirtualiseerde machines. De term hypervisor komt van origine van IBM waarbij al in 1972 bij VM/370 gesproken werd over een hypervisor als de para-virtualisatie interface, waarbij een gast-OS toegang had tot lager liggende services direct vanuit het hoger liggende control program (Bron: Wikipedia). We kunnen onderscheid maken tussen twee soorten hypervisors. Bij de zogenaamde type 1 hypervisor draait een gastbesturingssysteem (Virtual Machine) in de tweede laag direct boven de hardware. VMware Infrastructure en Xen beschikken over een dergelijke hypervisor. Bij een type 2 hypervisor ligt het gastbesturingssysteem op de derde laag boven de hardware omdat er ook nog een volledig besturingssysteem (Windows of Linux) op de laag boven de hardware ligt. Een voorbeeld van dit type is Microsoft Virtual Server 2005 R2, waarbij de virtualisatiesoftware bovenop Windows Server 2003 draait, ook al zorgt een Virtual Machine Monitor (VMM.sys) voor de afhandeling van kernelmode-operaties. Een ander voorbeeld is VMware Server (voorheen GSX Server) welke zowel bovenop Windows als Linux kan functioneren. Eén van de redenen waarom VMware Infrastructure nu technologisch boven Microsoft uitsteekt, is de implementatie van een type 1 hypervisor.
De hypervisor van VMware heeft echter ook een nadeel. Driver-support maakt deel uit van diezelfde VMware-kernel, hetgeen de hypervisor een monolithisch karakter geeft. VMware Infrastructure draait niet zomaar op willekeurige serverhardware. Er wordt maar een gering aantal SCSI, SAN en netwerkadapters ondersteund. Voor iedere hardwaredriveruitbreiding is dus aanpassing van de VMware-kernel vereist, waardoor nieuwe generaties hardware minder snel geadopteerd kunnen worden. Een voorbeeld hiervan is de trage adoptie van het iSCSI-protocol in VMware Infrastructure 3. Het is dus belangrijk om de betreffende Hardware Compatibility List te controleren alvorens hardware aan te schaffen voor dit virtualisatieproduct.

Longhorn Server
Microsoft introduceert in 2007 een op hypervisor gebaseerde virtualisatiearchitectuur als onderdeel van de opvolger van Windows 2003: Microsoft Longhorn Server. Dit besturingssysteem, dat naar verwachting ook weer in de edities Standard, Enterprise en DataCenter zal uitkomen, kan in twee varianten worden geïnstalleerd. Ten eerste de volledige variant waarbij het complete besturingssysteem wordt geïnstalleerd met al zijn services, drivers, grafische user interface, Internet Information Server, Internet Explorer en overige programma’s zoals Calculator, Media Player en WordPad. Daarnaast kan tijdens installatie tevens gekozen worden voor de Windows Core-variant.
Windows Virtualization wordt als één van een gereduceerde set rollen binnen Longhorn Core geïmplementeerd. De Core wordt zo dun mogelijk gehouden, waarbij alle traditionele Windows-overhead zoveel mogelijk is verbannen. Naast de rol Virtualization zijn ook de rollen domaincontroller, fileserver, DNS-server, DHCP-server, certificateserver mogelijk. Deze lijst is nog niet definitief. Core heeft in ieder geval geen grafische gebruikersinterface en dat is wel even wennen voor een verstokte Windows-gebruiker. Linux- en VMware-beheerders zullen in eerste instantie blij verrast zijn, maar daarna ook weer teleurgesteld omdat de PowerShell, zoals deze in de volledige versies van Windows beschikbaar is, ontbreekt. Dit laatste is het gevolg van het ontbreken van .NET in Longhorn Core.
Longhorn Core oogt als een simpele command prompt maar is absoluut krachtig in al zijn eenvoud. De uiteindelijke doelstelling is het bieden van een hogere betrouwbaarheid, een grotere schaalbaarheid en een hogere performance van de virtual machines, die vanaf nu Partitions worden genoemd. Doordat Longhorn Core een gereduceerde set programmaregels heeft, ligt het in de verwachting dat de code veel minder hoeft te worden gepatcht. Beveiligingsrisico’s, die als gevolg van verplichte installatie van Internet Information Server en Explorer vaak voorkwamen, behoren tot het verleden om de simpele reden dat deze niet in Core kunnen draaien.

Windows Virtualization
In tegenstelling tot VMware Infrastructure zijn de hardwaredrivers niet opgenomen in de hypervisor. Iedere server met een Windows Server-driver zal kunnen dienen als host voor Windows Virtualization. De verwachting is dat deze support uitermate breed zal zijn.
In de architectuur van Windows Virtualization ligt de hypervisor net als bij VMware Infrastructure direct boven de hardware. Vanuit Longhorn Core wordt deze middels een setup command tussen Longhorn Core en de hardware geplaatst. Boven de hypervisor wordt in eerste instantie één Parent Partition geïnstalleerd. Naast virtualisatiemanagementtaken verzorgt deze Parent Partition de afwikkeling van I/O (naar en van cpu, geheugen, disk en netwerk) voor alle Child Partitions. Het is uiteindelijk de Parent Partition die de fysieke hardware controleert. De term Guest of Virtual Machine is door Microsoft dus vervangen door het begrip Partition en doet denken aan de functionaliteit van de zeer kostbare BigIron-servers met 32 of 64 processors. Hierbij kan de server naar keuze worden gepartitioneerd in verschillende geïsoleerde sub-servers met ieder één of meer processors, een hoeveelheid geheugen en I/O-slots. Microsoft heeft hetzelfde voor ogen maar dan met de flexibiliteit en dynamiek van virtualisatie. Niet de fysieke devices worden opgedeeld, maar de virtuele pool van processors, geheugen, disk en netwerkbronnen. Deze architectuur biedt door zijn fijnmazigheid een zeer grote flexibiliteit en bezettingsgraad. De partities kunnen onderling op hoge snelheid communiceren via een transportsysteem, de zogenaamde VMBus. Het datatransport dat plaatsvindt over deze VMBus wordt afgehandeld door de Virtual Storage Client (VSC) in de Child Partition en de Virtual Storage Provider (VSP) in de Parent Partition. De Hypervisor hoeft eigenlijk alleen in actie te komen voor het opzetten van een kanaal naar de hardware en het afhandelen van de hardware interrupts. Een VSP is een servercomponent die overigens zowel kan voorkomen in de Parent Partion als in de Child Partition. De VSP levert I/O-verzoeken af bij een service zoals een filesysteem. De Hypervisor kan I/O-verzoeken direct bij de fysieke hardware afleveren en kan in zowel kernelmode als usermode opereren. De VSC is een clientcomponent die zich altijd in de Client Partition bevindt en dient als de onderkant van een I/O-stack binnen die partitie. Binnen Windows Virtualization zullen we spreken van Virtual Devices (VDevs) die tot uiting komen in twee varianten: Core VDevs die als device emulator functioneren en die door Microsoft geschreven zijn en de Plug-in VDevs die zowel door Microsoft als de rest van de industrie geschreven worden. Het beheer van deze Virtual Devices verloopt via Windows Management Instrumentration (WMI), waar ze als COM-objecten worden aangeboden. Deze COM objecten draaien feitelijk in het VM Worker Process van de Parent Partition.

Emulatie en Enlightenment
De Child Partitions kunnen de hardware wel zien, maar niet controleren. We spreken in dit geval ook wel van device-emulatie waarbij altijd een actie van de Parent Partition nodig is indien de hardware moet worden ingeschakeld. Het zal duidelijk zijn dat dit enige performance consequenties heeft. Deze device-emulatie is noodzakelijk om compatibel te kunnen blijven met oudere Virtual Machines die met Virtual Server 2005 R2 zijn gecreëerd. Een ander voordeel is dat emulatie een hoge compatibiliteit voor applicaties biedt. De applicatie denkt met echte hardware te maken te hebben. Tevens kunnen fysieke devices middels emulatie efficiënt door meerdere partitions worden gedeeld.
Windows Virtualization zal natuurlijk compatibel moeten zijn met Virtual Server, maar de introductie van het concept I/O Enlightenment biedt zeer interessante nieuwe mogelijkheden. I/O Enlightenment is een verzameling abstracte protocollen waarmee I/O kan worden beschreven. Bruikbare protocollen zijn SCSI, iSCSI, R(emote)NDIS en RDP. Ook toekomstige device stack-implementaties in de Child Partitions zullen dusdanig worden geschreven dat deze gebruik kunnen maken van de hardware-abstracties. In de Parent Partition draait een protocolserver waardoor meerdere child partitions de services van een bepaald hardwaredevice kunnen delen. De noodzaak van een device-emulator kan langzamerhand overboord worden gezet. Dit betekent dat de afhankelijkheid en bemiddelende taak van de Parent Partition langzaam minder zal worden. De Child Partitions kunnen hun devices direct controleren, maar zijn in dat geval wel exclusief eigenaar van het device. Via Device Assignment wordt het hardwaredevice toegekend aan één van de Child Partitions. Het grootste voordeel is dat de performance die van een niet gevirtualiseerde machine kan evenaren. Tevens kan de onderlinge afhankelijkheid van partities hiermee worden beperkt. Ook kan een sterke mate van isolatie tussen de partities worden bewerkstelligd. Hoewel de term I/O Enlightenment in eerste instantie een wat lastig te bevatten concept is, zouden we het kunnen voorstellen als een techniek die licht brengt in het donker; de Child Partition kan het fysieke device, met andere woorden, niet alleen zien maar ook totaal bezitten.

Deviceemulatie
Biedt migratiepad voor Virtual Server-gebruikers
Directe toegang voor storage, netwerk, video en USB
Herkenbare ‘10 jaar oude’ devices in een virtueel moederbord
I/O-Enlightenment

Vrijwel even snel als fysieke machines
Voor compatibiliteit met oude besturingssystemen
Door hardwareabstractie open voor vernieuwing zonder aanpassing van Hypervisor

The Winner Takes All
We zagen in het afgelopen jaar VMware met rasse schreden uitlopen op Microsoft Virtual Server. Er was binnen een Microsoft VM geen support voor meer dan één processor, het adresseerbare geheugen binnen een VM was beperkt tot 3,6 GB, ondersteuning van de x64 Windows-varianten was beschikbaar voor de host maar niet voor de VM, beheersoftware was beperkt tot een minimale webconsole. De strijd was een beetje ongelijk geworden. Daar komt met Windows Virtualization nu eindelijk een einde aan. Virtualisatie zit bij de volgende incarnatie van Windows Server in alle versies gewoon standaard in de doos en zal naar verwachting uitsluitend op x64-processortechnologie van Intel en AMD draaien. Virtual Server 2005 R2 zou te veel op de schop moeten om alle wensen van klanten te kunnen realiseren. Met het risico van een nog grotere achterstand op haar concurrent VMware, zullen we moeten wachten op iets wat we mogelijk Windows Server 2007 zullen noemen.
Anderzijds begint de virtualisatievisie van Microsoft zo langzamerhand steeds duidelijk te worden. Bedrijven die niet direct binnen twee jaar hun fysieke serverpark grotendeels willen virtualiseren, hebben misschien nog wat tijd om de achtervolger in te laten lopen. Virtualisatie is wat laat op de agenda gekomen bij Microsoft, maar als ze ergens in geloven kan het ook heel erg hard gaan. Er worden miljarden dollars gestoken in ontwikkeling, allianties en overnames. De strijd om de virtualisatiemarkt zal met Windows Virtualization versus VMware Virtualization pas echt goed losbreken. De winnaar is de klant, de consument van virtualisatie. En bij servers zal het zeker niet blijven. Net als bij Intel en AMD, die allebei proberen op elkaar voor te lopen, ontstaat een gezonde concurrentie waarbij de prijs daalt en de kwaliteit stijgt. Voor Windows-virtualisatie zullen we niet extra hoeven te betalen, wel voor het beheer ervan. In de Microsoft System Center-reeks zullen in 2007 producten verschijnen die Windows Virtualization perfect kunnen monitoren, beheren en veiligstellen (onder andere Operations Manager, Virtual Machine Manager, Data Protection Manager, Configuration Manager). We zullen gaan genieten van SMP binnen de Child Partition (1, 2, 4 of 8 cpu’s), meer dan 32GB geheugen per partitie, direct hardware kunnen adresseren die nu ontoegankelijk is voor virtualisatie en er komt ondersteuning voor zowel 32-bit als x64 OS in de Child Partition. Het wordt zélfs mogelijk om online en realtime hardware toe te voegen aan een virtuele server. We kunnen daarnaast niet alleen het geheugen dynamisch laten vergroten of online extra disks of netwerkdevices beschikbaar stellen, we zullen zelfs één of meerdere processors kunnen bijschakelen terwijl de Child Partition operationeel is. We zouden ons kunnen voorstellen dat System Center MOM op enig moment registreert dat een databaseserver als gevolg van een toename in het aantal gebruikers al een tijdje tegen tachtig procent van zijn geheugen- en processorgebruik aanzit. Op basis van policy’s en scripts zou de Child Partition extra geheugen en processors toegewezen kunnen krijgen. Dit is een goed voorbeeld van automatisering van de automatisering; onderdeel van de visie van het dynamische datacenter.
Dat virtualisatie een belangrijk middel is om daar te komen wisten we al. Wat nog niet veel mensen zich realiseren is dat de achtervolger met rasse schreden nadert en binnen twee jaar zijn eerste inhaalpoging waagt. Zeker voor bedrijven die grotendeels op Windows gebaseerde servers draaien en nog wat tijd hebben om hun visie op ICT-infrastructuur bij te stellen, kan het aanstormende Windows Virtualization nog tijdig een paradigma-omschakeling veroorzaken.

Hans Vredevoort (hans.vredevoort@nobel.nl) is senior consultant infrastructure bij Nobel te Naarden.