Nghiên cứu kiến trúc máy ảo hệ thống và triển khai hệ thống đa nền tảng

- NGUYỄN ĐÌNH THIẾT NGHIÊN CỨU KIẾN TRÚC MÁY ẢO HỆ THỐNG VÀ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG ĐA NỀN TẢNG Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Mã đề tài: CNTTVINH13B-12 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Kim Khánh Hà Nội – 2015 1 MỤC LỤC Nội dung Trang Lời cam đoan.
- 8 CHƢƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ MÁY ẢO.
- Giới thiệu về kiến trúc của máy ảo.
- Giao diện kiến trúc.
- Kiến trúc tập lệnh.
- Giao diện ứng dụng nhị phân.
- Giao diện lập trình ứng dụng.
- Máy ảo tiến trình và Máy ảo hệ thống.
- 16 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU CHI TIẾT VỀ MÁY ẢO HỆ THỐNG 19 2.1.
- Nguồn gốc và tổ chức máy ảo.
- Ảo hóa tài nguyên của Vi xử lý.
- Điều kiện để ảo hóa ISA.
- Ảo hóa tài nguyên của bộ nhớ.
- Hỗ trợ bộ nhớ ảo trong một môi trường máy ảo hệ thống.
- Ảo hoá kiến trúc Page Tables.
- Ảo hoá kiến trúc TLB.
- Ảo hóa nguồn tài nguyên vào/ra.
- 45 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU VỀ ẢO HÓA ĐA NỀN TẢNG.
- Nền tảng sản phẩm máy ảo.
- Bộ vi xử lý ảo hóa.
- Ảo hóa vào/ra.
- Ảo hóa Bộ nhớ.
- 56 CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH KIẾN TRÚC ẢO HÓA MÁY CHỦ TẠI CỤC THUẾ TỈNH HÀ TĨNH.
- Nhu cầu sử dụng và hiện trạng hệ thống Công nghệ thông tin 57 4.2.1.
- Hiện trạng Hệ thống CNTT tại Cục thuế.
- Giải pháp kiến trúc hệ thống máy ảo vào hệ thống thông tin của Cục thuế tỉnh Hà Tĩnh.
- Cấu hình thông số máy ảo.
- Gán ổ cho máy ảo.
- Xin cảm ơn Ban Lãnh đạo Cục thuế tỉnh Hà Tĩnh đã giúp tôi trang thiết bị, điều kiện thử nghiệm và triển khai hệ thống.
- Hà Nội, tháng 10 năm 2015 HỌC VIÊN Nguyễn Đình Thiết 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT VM Vitual Machine: máy ảo ISA Instruction Set Architecture: Kiến trúc tập lệnh HW Hardware: Phần cứng SW Sotware: Phần mềm ABI Applicationbinary interface: Giao diện ứng dụng nhị phân API Applicationprogramming interface: Giao diện lập trình ứng dụng HLL High Level Language: Ngôn ngữ cao cấp VMM Vitual Machine Monitor: Giao diện máy ảo LPSW Load the processor status word: nạp vào vi xử lý từ bản sao trạng thái PSW Processor status word : bản sao trạng thái TLB Translation lookaside buffer: cache phần cứng quản lý bộ nhớ ASID Address-space identifers: Không gian địa chỉ DMA Direct Memory Access: Truy bộ nhớ trực tiếp VMApp Vitual Machine Application: ứng dụng chế độ người dùng VMDriver Vitual Machine Driver: trình điều khiển thiết bị ID Identification: dùng để nhận dạng một đối tượng đặc trưng, có tính duy nhất IOPS Input/Output Per Second: IOPS quyết định độ nhanh và nhạy của volume do bản chất IOPS càng cao thì càng nhiều thao tác có thể thực hiện đồng thời một lúc, tốc độ xử lý càng nhanh.
- 7 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, CÁC BIỂU BẢNG Hình 1.1 Các giao diện khác nhau được cung cấp bởi hệ thống máy tính Hình 1.2 Trừu tượng và ảo hóa được áp dụng để lưu trữ đĩa Hình 1.3 Kiến trúc hệ thống máy tính.
- Các lớp giao tiếp hoạt động chủ yếu theo chiều đứng qua các kiến trúc tập lệnh (ISA), giao diện ứng dụng nhị phân (ABI), và giao diện lập trình ứng dụng (API).
- Hình 1.4 Máy ảo tiến trình và hệ thống Hình 2.1 Các phương pháp duy trì trạng thái ảo minh họa cho một File đăng ký.
- Hình 2.2 Hoạt động chụp bởi VMM trong một Virtual Machine nghỉ và kích hoạt máy ảo tiếp theo Hình 2.3 Nguồn gốc và tổ chức máy ảo hệ thống Hình 2.4 Các thành phần của VMM Hình 2.5 Xử lý một lệnh đặc quyền trong một hệ điều hành máy khách Hình 2.6 Sự tái lập quá trình ảo hóa Hình 2.7 Mã caching (Bộ đệm) để tăng cường hiệu suất của các lệnh mô phỏng quan trọng Hình 2.8 Bản đồ bộ nhớ của máy ảo khách Hình 2.9 Bảng trang bóng (shadow) minh hoạ việc lập bản đồ bộ nhớ Hình 2.10 Ảo hoá các TLB trong hệ thống Hình 2.11 Spooling trong một máy ảo hệ thống Hình 3.1 Quan điểm người dùng về VMware System Hình 3.2 Các thành phần của hệ thống VMware.
- Hình 3.3 Sử dụng các chức năng giao diện hệ điều hành thư viện để ánh xạ một thiết bị Giao diện ảo đến một giao diện thiết bị phần cứng Hình 4.1 Mô hình phân bố hệ thống ứng dụng tại Cục thuế tỉnh Hà Tĩnh Hình 4.2 Mô hình phân bố kiến trúc hệ thống máy ảo tại Cục thuế tỉnh Hà Tĩnh 8 PHẦN MỞ ĐẦU 1.
- Lý do chọn đề tài Ảo hoá hiện đang phát triển manh mẽ và là xu hướng của nhiều hệ thống công nghệ thông tin tại Việt Nam và thế giới nhằm tiết kiệm tối đa chi phí tài nguyên phần cứng và vận hành hệ thống.
- Kiến trúc ảo hoá là nền tảng cho các công nghệ ảo hóa nhằm tăng mức độ ảo hóa hệ thống, cho phép tăng hiệu suất làm việc của máy tính.
- Một máy ảo là một môi trường máy tính được hiện thực bằng phần mềm và nhờ vào sự chia sẽ tài nguyên phần cứng máy vật lý từ đó cho phép nhiều hệ điều hành cùng chạy trên một máy tính được phân bố ổ cứng, card mạng và các tài nguyên phần cứng khác một cách hợp lý.
- Lúc này mỗi hệ điều hành trên máy ảo thực thi các tác vụ trong môi trường ảo được tạo riêng cho chúng và tạo cảm giác như đang làm việc trực tiếp với môi trường phần cứng máy thật.
- Ví dụ về một ích lợi của ảo hóa là đơn giản hóa quá trình nâng cấp các hệ thống (trong một số trường hợp, không cần nâng cấp hệ thống), bằng việc cho phép người sử dụng nắm bắt được trạng thái của máy ảo và sau đó chuyển trạng thái đó trong tình trạng nguyên vẹn từ hệ thống cũ sang một hệ thống mới.
- Số lượng thực các bộ xử lý, bộ nhớ và các nguồn lưu trữ … cần có cho hệ thống sẽ được điều chỉnh và quyết định bởi các khả năng tính toán của ảo hóa để tối ưu hóa công suất sử dụng phần cứng, thông thường, một hệ thống máy chủ ở các trung tâm dữ liệu thường hoạt động chỉ với một tỷ lệ % nào đó trên tổng hiệu suất của hệ thống.
- Nói cách khác, tài nguyên hệ thống còn dư thừa, công suất của máy không được dùng đến có thể còn khá lớn.
- Xuất phát từ nhu cầu và bài toán thực tế tại cơ quan, học viên chọn đề tài “Nghiên cứu kiến trúc máy ảo hệ thống và trển khai hệ thống đa nền tảng” để làm cơ sở kiến trúc và xây dựng mô hình ảo hóa tại Cục thuế tỉnh Hà Tĩnh.
- Lịch sử nghiên cứu Như vậy, trong một hệ thống chưa dùng hết công suất đã nói ở phần 1, chính là sự lãng phí tài nguyên thiết bị, lãng phí chi phí vận hành hoạt động.
- Các công nghệ trước đây chưa giải quyết được và đến bây giờ với kiến trúc máy ảo hệ thống cộng với hệ thống xử lý đa nền tảng đã khắc phục được điều này.
- Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Luận văn này nghiên cứu về kiến trúc máy ảo hệ thống và xử lý đa nền tảng để có cơ sở kiến trúc, thiết kế và xây dựng nền tảng cho việc ảo hóa, điện toán đám mây, là cơ sở cho việc xử lý đa nền tảng các hệ ứng dụng trên tài nguyên hệ thống phần cứng, sử dụng tối ưu nguồn tài nguyên đó.
- Thông qua kiến trúc máy ảo hệ thống và xử lý đa nền tảng để đáp ứng nhu cầu lưu trữ và xử lý dữ liệu ngày càng lớn, dễ quản trị, giúp triển khai các máy chủ nhanh chóng, dễ dàng và tự động quản lý các tài nguyên trong máy chủ tối ưu hơn như: Đơn giản hóa việc quản lý hạ tầng bằng cách quản lý tập trung, tự động hóa việc quản lý các nguồn tài nguyên máy chủ giúp các nhân viên IT không còn tốn quá nhiều thời gian vào việc quản lý các máy chủ và đặc biệt là giảm các chi phí tốn kém trong việc mua sắm, trang bị các máy chủ và thiết bị đi kèm.
- Tóm tắt các luận điểm cơ bản và đóng góp của luận văn Về lý thuyết: làm cơ sở để kiến trúc, thiết kế và xây dựng nền tảng cho việc ảo hóa, điện toán đám mây trên tài nguyên hệ thống phần cứng, sử dụng tối ưu nguồn tài nguyên hệ thống và thiết bị.
- Luận văn cũng đã đưa ra cái nhìn tổng quát về sự tích hợp và đồng bộ hóa các ứng dụng chạy trên các môi trường kiến trúc máy tính hay các hệ điều hành khác nhau, là cơ sở cho việc triển khai đa nền tảng các hệ ứng dụng Về ứng dụng: từ cơ sở lý thuyết trên, luận văn đã đi sâu vào thiết kế mô hình kiến trúc và xây dựng hệ thống máy ảo tại Cục thuế tỉnh Hà Tĩnh với việc đánh giá tài nguyên hệ thống hiện có của các máy chủ để thiết kế hợp lý các máy chủ ảo trên hệ thống.
- Từ đó làm nền tảng cho việc triển khai hệ thống ứng dụng của cơ quan đảm bảo toàn vẹn dữ liệu, dễ dàng quản trị và sử dụng.
- 10 * Chương 1: Tìm hiểu tổng quan về máy ảo.
- Giới thiệu về kiến trúc và các giao diện của máy ảo.
- Đồng thời cũng đưa ra cái nhìn tổng quan về máy ảo tiến trình và máy ảo hệ thống.
- Chương 2: Nghiên cứu chi tiết về máy ảo hệ thống.
- Chương 3: Nghiên cứu về ảo hóa đa nền tảng.
- Cung cấp thêm kiến thức về đa nền tảng trong ảo hóa, cơ chế làm việc của một hệ thống kép máy ảo trong môi trường nhiều hệ điều hành.
- Chương 4: Tập trung về xây dựng mô hình kiến trúc máy ảo, đưa ra giải pháp phân chia các Host sau khi ảo hóa trên hệ thống máy chủ hiện tại của Cục thuế tỉnh Hà Tĩnh và từ đó đưa ra mô hình phân bố hệ thống ứng dụng cho hợp lý.
- Phƣơng pháp nghiên cứu Về lý thuyết: với phương pháp nghiên cứu phân loại, hệ thống hóa lý thuyết cùng với phương pháp mô hình hóa, sắp xếp các nội dung khoa học theo từng mãng, từng lĩnh vực, từng nhóm vấn đề có cùng chức năng và bản chất kiến trúc.
- cùng một hướng phát triển tri thức thành một hệ thống trên cơ sở một mô hình lý thuyết làm cho sự hiểu biết về lĩnh vực và đối tượng đầy đủ hơn bằng cách xây dựng gần giống với đối tượng, mô tả, tái hiện lại đối tượng theo các cơ cấu, chức năng của đối tượng.
- Về thực nghiệm: Học viên đã tiến hành khảo sát, đánh giá hệ thống công nghệ thông tin hiện tại của đơn vị, với tình trạng manh mún trong quy hoạch, bố trí các máy chủ, các ứng dụng.
- Từ đó, nắm vững các nguyên tắc tổ chức và thiết kế hệ thống của đơn vị, đề xuất và thử nghiệm mô hình nghiên cứu mới 11 Chƣơng 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ MÁY ẢO 1.1.
- Giới thiệu về kiến trúc của máy ảo Ảo hóa đã trở thành một công cụ quan trọng trong việc thiết kế hệ thống máy tính và các máy ảo được sử dụng trong một số lĩnh vực khác nhau, từ hệ điều hành đến các ngôn ngữ lập trình và kiến trúc vi xử lý.
- Được thiết kế bởi các nhà phát triển và người dùng bằng cách giải phóng các giao diện và tài nguyên truyền thống còn hạn chế, máy ảo nâng cao khả năng tương tác giữa các phần mềm và là hệ thống đảm bảo vững chắc và nền tảng linh hoạt.
- Máy ảo (VM) là sản phẩm của các nhà phát triển với mục tiêu khác nhau.
- Tuy nhiên, hiện vẫn có rất ít sự thống nhất về khái niệm máy ảo.
- Do đó, sẽ là hữu ích để có một bước trở lại, xem xét sự đa dạng của kiến trúc máy ảo và mô tả chúng một cách thống nhất, đưa các khái niệm ảo hóa và các loại máy ảo trong cùng một quan điểm.
- Để hiểu được vấn đề, chúng ta cần nắm vững 4 loại giao diện tương ứng với 4 mức khác nhau trong một hệ thống máy tính.
- Giao diện giữa phần cứng và phần mềm, gồm các lệnh máy, được đưa ra bởi bất kỳ chương trình nào.
- Giao diện giữa phần cứng và phần mềm, gồm các lệnh máy, chỉ được gọi bởi một số chương trình đặc biệt, ví dụ như hệ điều hành.
- Giao diện giữa hệ điều hành và chương trình người dùng: gồm các lời gọi hệ thống (system call) được cung cấp bởi hệ điều hành.
- Giao diện giữa các thư viện: tập các giao diện chương trình ứng dụng (APIs).
- Trong nhiều trường hợp các lời gọi hệ thống được che dấu bởi APIs.
- Bản chất của ảo hoá là sự mô tả lại hành vi của các giao diện này.
- Các giao diện khác nhau được cung cấp bởi một hệ thống máy tính [2] Hướng tiếp cận ở đây là ảo hoá diễn ra theo cách là cung cấp một tần suất phần cứng có đầy đủ các tập lệnh như một giao diện thật sự.
- Điểm cốt yếu là giao diện này cung cấp đồng thời cho các chương trình khác nhau, kết quả là các hệ điều hành khác nhau có thể chạy độc lập và đồng thời trên cùng một nền tảng (platform).
- Ví dụ điển hình của dạng này là VMware, VMware ngày càng đáp ứng tính tin cậy và bảo mật của các hệ phân tán, chúng cho phép cách ly một ứng dụng hoàn thiện với môi trường của nó, sai sót xảy ra do lỗi hay tấn công về bảo mật sẽ không thể tác động lên toàn bộ hệ thống.
- Mặc dù tính phức tạp khó tin của chúng, song hệ thống máy tính vẫn tồn tại và tiếp tục phát triển vì chúng được thiết kế với các giao diện như hệ thống phân cấp có mức độ trừu tượng riêng biệt.
- Khi giao diện được sử dụng, thì sẽ xác định cụ thể điều kiện để phát triển hệ thống con (computer subsystems) độc lập của cả hai nhà thiết kế phần cứng và phần mềm tương đương.
- (a) Trừu tượng hóa: cung cấp một giao diện đơn giản hóa các nguồn lực tiềm ẩn.
- (b) Ảo hóa: cung cấp giao diện khác nhau hoặc các tài nguyên khác tại cùng một mức độ trừu tượng.
- Kiến trúc tập lệnh của máy tính (ISA) sẽ minh họa rõ ràng những ưu điểm của các giao diện cụ thể.
- Các giao diện này cho phép phát triển tương tác với hệ thống con của máy tính với các nhà cung cấp và tại các thời điểm khác nhau.
- Không may, giao diện được xác định cũng có những hạn chế của chúng.
- Hệ thống con và các thành phần thiết kế chi tiết kỹ thuật cho giao diện đó sẽ không làm việc với những thiết kế khác.
- Ví dụ, chương trình ứng dụng, khi phân phối như 14 những chương trình biên soạn, được gắn với một ISA cụ thể và phụ thuộc vào một giao diện hệ điều hành cụ thể.
- Ảo hóa một hệ thống hoặc một thành phần như một bộ xử lý, bộ nhớ, hoặc một thiết bị I/O, ở một lớp trừu tượng có thể nhìn thấy các giao diện trên các bản đồ giao diện của nó và các tài nguyên ở mức trên và mức dưới giao diện đó, có thể là một hệ thống thực.
- Do đó, hệ thống thực xuất hiện như một hệ thống ảo khác nhau hoặc thậm chí là nhiều hệ thống ảo.
- Lưu ý rằng mức độ chi tiết được cung cấp tại các giao diện ổ đĩa ảo các sector / track là không có sự khác nhau cho một đĩa thực.
- Giao diện kiến trúc Một cuộc thảo luận về các máy ảo cũng là một cuộc thảo luận về kiến trúc máy tính theo nghĩa thuần túy của thuật ngữ này.
- Bởi vì việc cài đặt máy ảo (VM) nằm ở giao diện kiến trúc, một trong các công việc chủ yếu để xây dựng một VM chính là độ tin cậy mà nó thực hiện các giao diện này.
- Kiến trúc, khi áp dụng cho các hệ thống máy tính, ta đề cập đến một đặc điểm kỹ thuật chính của giao diện trong hệ thống, bao gồm các hành động logic của các nguồn tài nguyên được quản lý thông qua giao diện đó.
- Thực hiện mô tả các phương án thực tế của kiến trúc.
- Mức độ trừu tượng tương ứng với các lớp hoạt động, cho dù trong phần cứng hay phần mềm, mỗi cái kết hợp với giao diện hoặc kiến trúc của riêng mình.
- 15 Hình 1.3 cho thấy một số giao diện quan trọng và các lớp hoat động trong một hệ thống máy tính điển hình.
- Ba trong số các giao diện này là tại hoặc gần ranh giới HW/SW - kiến trúc tập lệnh, giao diện nhị phân ứng dụng và giao diện lập trình ứng dụng, đặc biệt quan trọng cho việc xây dựng VM .
- Kiến trúc hệ thống máy tính.
- Các lớp giao tiếp hoạt động chủ yếu theo chiều đứng qua các kiến trúc tập lệnh (ISA), giao diện ứng dụng nhị phân (ABI), và giao diện lập trình ứng dụng (API)[4].
- Kiến trúc tập lệnh ISA đánh dấu sự phân chia giữa phần cứng và phần mềm, bao gồm các giao diện 3 và 4 trong Hình 1.3.
- Giao diện 4 đại diện cho người sử dụng ISA và bao gồm những khía cạnh có thể nhìn thấy một chương trình ứng dụng.
- Giao diện 3, hệ thống ISA, là một tập cha của người dùng ISA và bao gồm những khía cạnh chỉ để có thể

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt