دیتا سنترها و پایان نامه تحلیل زیر ساخت نرم افزاری در دیتا سنترها

تحلیل زیر ساخت نرم افزاری در دیتا سنترها

پایان نامه ارائه یک مدل  فرمال  برای تحلیل زیر ساخت نرم افزاری در دیتا سنترها

عنوان                                        صفحه

فصل اول: مقدمه                              1

1.1.  بيان مسئله و ضرورت تحقيق            1

1.2.  دامنه تحقيق              7

1.3.  پیشینه تحقیق        7

1.4.  اهداف تحقيق       8

1.5.  سوالات تحقيق     8

1.6.  مراحل و روش تحقيق     9

1.7.  دستاوردهاي تحقيق      10

1.8.  نگاهی کلي بر پايان نامه         10

فصل دوم: معرفی و بررسی ابزار فرمال برای مدل سازی سیستم ها          12

• Abstract State Machine (ASM) 14
• LOTOS 17
  • مقدمه ای بر جبر پروسه ها 18
• VDM-SL 22
• شبکه های پتری 23
  • خصوصیات رفتاری 25
    • Reachability 26
    • Boundedness 26
    • Liveness 26
    • Reversibility 28
    • Coverability 28
  • زیر مجموعه های شبکه های پتری 29
    • State Machine (SM) 30
    • Marked Graph (MG) 30
    • Free-choice net (FC) 31
    • Extended Free-choice net (EFC) 31
    • Asymmetric choice net (AC) 31
  • قضایا و فرضیات 32
• مقایسه و جمع بندی 35

فصل سوم: بررسی معماری دیتا سنترها                                                                                     38

• Microsoft Hyper-V 39
  • بررسی اجزاء معماری Hyper-V 42
    • APIC 43
    • Child Partition 43
    • Hypercall 43
    • Hypervisor 43
    • IC 43
    • I/O stack 44
    • Root Partitio    44
    • VID 44
    • VMBus 44
    • VMMS 44
    • VMWP 44
    • VSC 45
    • VSP 45
    • WinHv 45
    • WMI 45
  • نقاط ضعف 46
• Xen 46
  • بررسی اجزاء معماری Xen 48
    • Xen Hypervisor 48
    • Domain 0 48
    • Domain U                                     49
    • Xenstored 50
  • ارتباطات مابین دامنه صفر و دامنه های U 50
• VMware ESXi 50
  • بررسی اجزاء معماری VMware ESX 52
    • VMkernel 52
    • File System 52
    • CIM 53
  • طراحی یک معماری برای دیتا سنتر 54
  • مختصری درباره vSphere         56
    • سرویس های زیر ساختی vSphere 58
    • سرویس های کاربردی vSphere 59
      • سرور VMware vCenter 59
      • Client ها 59
      • ESX 59
      • vCenter Server 59
      • VMFS 59
      • SMP 60
      • VCMS 60
      • VI Client 60
      • VMware VMotion 60
      • Storage VMotion 60
      • VMware HA 61
      • DRS 62
      • Consolidated Backup 63
      • vSphere SDK 63
      • Fault Tolerance 64
    • سرویس های توزیع شده در vSphare 64
    • معماری شبکه 64
    • معماری محل ذخیره سازی داده ها 66
    • معماری سرور مدیریت VirtualCenter 69
      • User Access Control 70
      • Core Service 71
    • جمع بندی 71

فصل چهارم: ارائه مدل فرمال برای دیتا سنتر و تحلیل آن       72

• تشریح دیتا سنتر نمونه 73
• ارائه مدلی از رفتار کلی دیتا سنتر 77
  • ارزیابی و تحلیل مدل فرمال     87

4.2.1.1. Liveness          87

4.2.1.2. Safeness      87

4.2.1.3. Reversibility           89

• بررسی لایه های پایینتر مدل فرمال 90

• بررسی نحوه کار سرویس HA 91
  • شرح سرویس VMware HA 91
  • ارائه مدل فرمال از نحوه کار سرویس HA 95
  • تحلیل و ارزیابی مدل 98

4.3.3.1. Liveness    99

4.3.3.2. Safenes     101

4.3.3.3. Reversibility   102

• بررسی نحوه کار سرویس Fault Tolerance 106
  • تشریح ساختار سرویس Fault Tolerance 106
  • ارائه مدل فرمال از نحوه کار سرویس Fault Tolerance             110
  • تحلیل و ارزیابی مدل 111

4.4.3.1. Liveness   112

4.4.3.2. Safeness    113

4.4.3.3. Reversibility   113

• بررسی نحوه کار سرویس VMotion 114
  • تشریح ساختار سرویس VMotion 114
  • ارائه مدل فرمال از نحوه کار سرویس VMotion 118
  • تحلیل و ارزیابی مدل 119

4.5.3.1. Liveness     120

4.5.3.2. Safeness   121

4.5.3.3. Reversibility  122

• بررسی ساختار داخلی ESX hypervisor 124
  • تشریح ساختار ESX 124
  • ارائه یک مدل فرمال از نحوه کار ESX 125
  • بررسی و تحلیل مدل 129

4.6.3.1. Liveness       129

4.6.3.2. Safeness       131

4.6.3.3. Reversibility       132

• تشریح ساختار سیستم ذخیره سازی در ESX 133
  • تشریح ساختار سیستم ذخیره سازی 133
  • ارائه یک مدل فرمال از نحوه کار سیستم ذخیره سازی در ESX 138
  • بررسی و تحلیل مدل 144

4.7.3.1. Liveness 144

4.7.3.2. Safeness         145

4.7.3.3. Reversibility       146

• معماری ساختار شبکه در ESX 148
  • تشریح ساختار شبکه 148
  • ارائه مدل فرمال برای ساختار شبکه در ESX 155
  • بررسی و تحلیل مدل             161

4.8.3.1. Reversibility       161

4.8.3.2. Liveness      163

4.8.3.3. Safeness   165

• معماری سوئیچ مجازی در ساختار شبکه 165
  • تحلیل ساختار سوئیچ مجازی 165
  • ارائه یک مدل فرمال برای سوئیچ مجازی 169
  • بررسی و تحلیل مدل 172

4.9.3.1. Liveness        172

4.9.3.2. Safeness     173

4.9.3.3. Reversibility     174

• جمع بندی 175

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات    176

مراجع          180

پیوست: مجموعه کامل مدل های پتری طراحی شده در پایان نامه  186

چکیده به زبان انگلیسی    195

بررسی معماری دیتا سنترها

در این بخش لازم است معماری زیر ساخت نرم افزاری دیتا سنترها را بررسی و تحلیل نمائیم. این تحلیل پیش نیاز ما در طراحی مدل فرمال این زیر ساخت خواهد بود. به این منظور، در ابتدا معماری نرم افزارهای مدیریت ماشین های مجازی تحت عنوان نرم افزارهای  Hypervisor  را بررسی و تشریح می نمائیم ]37[ و ]38[.

در حال حاضر سه نرم افزار مطرح در این زمینه، بیشترین سهم بازار سیستم های مجازی سازی را در اختیار دارند. این سه محصول عبارتند از:

• Microsoft Hyper-V
• Xen
• VMware ESXi

از دیدگاه های مختلفی می توان hypervisor ها را با یکدیگر مقایسه نمود. از آن جمله می توان به پیاده سازی سرویس مجازی سازی کامل[1] در مقابل مجازی سازی ضمنی[2] اشاره کرد. در حالت اول، سخت افزار به طور کامل شبیه سازی می گردد و انتزاع کاملی از آن برای ماشین های مجازی ایجاد می گردد. به این ترتیب سیستم های عامل میهمان[3] نیازی به اصلاح برای کار بر روی این ماشین مجازی نخواهند داشت.

همچنین آنها و نرم افزارهای در حال اجرا بر روی آنها هیچ اطلاعی از وجود ماشین مجازی نخواهند داشت. در نتیجه پیاده سازی به شکل کامل امکان مهاجرت نرم افزارها و سیستم های عامل میهمان بین ماشین های فیزیکی را میسر می سازد. همچنین با ایزوله کردن نرم افزارها و سیستم عامل ها، امنیت هر یک از آنها در حد بالایی تامین خواهد شد.

در عین حال این شکل از مجازی سازی مشکلات کاهش کارایی را نیز به دنبال دارد. زیرا hypervisor مجبور است تصویر کاملی از هر ماشین مجازی و سیستم عامل میهمان نصب شده بر روی آن را نگه دارد. به عنوان مثال حتی BIOS شبیه سازی می گردد. بنابراین منابع بیشتری صرف مدیریت و اجرای hypervisor خواهد شد.

در مقابل، پیازی سازی مجازی سازی به شکل ضمنی اجازه دسترسی سیستم های عامل میهمان را به بخش هایی از منابع بدون شبیه سازی آنها فراهم می کند. در این حالت لازم است روی سیستم های عامل میهمان اصلاحاتی صورت گیرد تا امکان برقراری ارتباط با hypervisor را داشته باشند. در نتیجه آنها از وجود ماشین مجازی مطلع خواهند بود. این روش در کنار برخی از مشکلات امنیتی، عموما از سیستم های عامل closed-source پشتیبانی نمی کند زیرا امکان انجام اصلاحات لازم برای کار در ماشین مجازی در مورد آنها وجود ندارد ]39[.

نرم افزارهای Hyper-V و Xen به صورت مجازی سازی ضمنی و ESX به صورت مجازی سازی مطلق پیاده سازی شده اند.

در ادامه به بررسی معماری هر یک از این سه محصول می پردازم و در نهایت برای مدل سازی روابط بر روی VMware ESX متمرکز خواهیم شد.

• Microsoft Hyper-v

توضیحات زیر از سایت رسمی اسناد فنی شرکت میکروسافت (MSDN) برداشت شده است ]40[.

Hyper-V یک تکنولوژی مجازی سازی مبتنی بر Hypervisor است که برای Windows server 2008 نسخه 64 بیتی ساخته شده است.

اولین مفهوم مطرح در این تکنولوژی نوعی از جدا سازی[4] به نام پارتیشن است. در واقع Hyper-V از این بخش های جدا شده برای نگهداری اطلاعات و اجرای سیستم عامل های مختلف استفاده می کند. وجود حداقل یک پارتیشن ضروری است که پارتیشن ریشه یا والد[5] نامیده می شود. در این پارتیشن یک سیستم عامل Windows server 2008 نصب و اجرا می گردد که وظیفه مدیریت دیگر سیستم عامل های مهمان و برقراری ارتباط آنها با سخت افزارهای فیزیکی را بر عهده دارد. پارتیشن ریشه تنها پارتیشنی است که دسترسی مستقیم به سخت افزار فیزیکی را دارد و از طریق رابط برنامه نویسی[6] hypercall سیستم عامل های میهمان را ایجاد می کند.

طراحی یک معماری برای دیتا سنتر

پس از بررسی نرم افزارهای hypervisor مطرح در بازار و مقایسه آنها، در این بخش با انتخاب یکی از آنها به طراحی یک معماری برای ساخت دیتا سنتر می پردازیم. این معماری پایه طراحی مدل فرمال در فصل بعد خواهد بود.

لازم به یادآوری است که hypervisor های معرفی شده در بخش قبل، با نصب بر روی یک ماشین فیزیکی، به مدیر سیستم اجازه اجرای چندین سیستم عامل را به طور همزمان می داد که هر یک از آنها در یک فضای مجزای حافظه به عنوان یک ماشین مجازی اجرا می شدند. دراین مرحله با فرض اینکه به جای یک ماشین فیزیکی، چندین ماشین فیزیکی مشابه وجود دارد، لازم است طرحی برای مجازی سازی یکپارچه این ماشین ها ارائه گردد. به طوری که بر روی این ماشین های مجازی اهدافی از جمله HA، انتقال ماشین ها و سرویس های در حال کار[1]، مدیریت یکپارچه ماشین های مجازی، مدیریت یکپارچه منابع ذخیره سازی مشترک، مدیریت ساختار شبکه و مدیریت یکپارچه منابع پردازشی حاصل گردد.

در مقایسه hypervisor های معرفی شده با یکدیگر، با توجه به مشخصه های هریک، در این تحقیق از معماری VMware ESX استفاده خواهد شد. برخی از دلایل این انتخاب عبارت است از:

• Vmware ESX نیاز به نصب سیستم عامل میزبان و نیز پارتیشن ریشه یا دامنه صفر برای نگهداری یک رابط سیستم عاملی ندارد. بنابر این به نظر می رسد کاراتر و کم هزینه تر است.
• در معماری Vmware ESX ماشین های مجازی برای استفاده از منابع سخت افزاری به طور مستقیم با VMkernel ارتباط برقرار می کنند و رابط سیستم عاملی در این بین وجود ندارد. بنابراین سیستم های عامل میهمان کاملا مستقل و بدون اطلاع از محیط مجازی کار خواهند کرد. این امر خطاپذیری ماشین های مجازی را کم کرده و نیز به مدیر اجازه می دهد هر نوع سیستم عاملی را بر روی این پلتفورم نصب و راه اندازی نماید. در این میان فقط محدودیت های سخت افزاری مانند معماری ماشین فیزیکی مطرح می باشد.
• با توجه به منحصر بودن حوزه تخصصی شرکت Vmware به تکنولوژی های مجازی سازی و تجاری بودن محصولات آن، می توان راه کارهای ساخت یافته و پخته ای[2] را برای طراحی معماری های گسترده تر مجازی مانند ترکیب چندین دیتا سنتر، ساخت دیتا سنترهای مجازی و در نهایت طراحی معماری های پردازش ابری[3] که مبتنی بر این محصولات باشند یافت. بنابر این راه برای توسعه معماری های مبتنی بر Vmware همیشه باز خواهد بود.

با توجه به توضیحات ارائه شده، در ادامه بحث به معرفی یک معماری عمومی برای دیتا سنترها بر اساس پلتفورم VMware می پردازیم ]60[.

همچنین لازم به یاد آوری است که فرض این تحقیق بر وجود تعدادی ماشین های فیزیکی همگون، مانند سرورهای HP Blade در یک محل فیزیکی است که قرار است بر روی آن به کمک ساختار مناسب، تعداد دلخواهی از ماشین های مجازی قرار گیرد و سرویس های مورد نیاز در یک  دیتا سنتر با اندازه کوچک ارائه گردد. معماری دیتا سنترهای مجازی و پردازش ابری خارج از موضوع این بحث می باشد.

جهت مشاهده نمونه های دیگر از ادبیات ، پیشینه تحقیق و مبانی نظری پایان نامه های مهندسی کامپیوتر و فناوری اطلاعات کلیک کنید.

نمونه ای از مراجع

• Tschudi, T. Xu, D. Sartor, J. Stein “High-Performance Data centers, a research roadmap”, Lawrence Berkeley National Laboratory, University of California, LBNL-53483,
• Bailey, “The Economics of Virtualization: Moving Toward an Application-Based Cost Model”, White Paper. MA, USA: IDC, November 2009.
• Chaubal , “The Architecture of VMware ESXi”, White paper, VMware Inc., Revision: 20080527 WP-030-PRD-01-02 , 2007.
• Jim Woodcock, Peter G. Larsen, Juan Bicarregui, John Fitzgrald, “Formal Methods: Practice and Experience”, ACM Computing Surveys (CSUR), Volume 41 Issue 4, October 2009.
• John D. Gannon, James M. Purtilo, Marvin V. Zelkowitz, “SOFTWARE SPECIFICATION: A Comparison of Formal Methods”, Department of Computer Science, University of Maryland, Feb. 2001.
• Mariagrazia Dotoli, Maria Pia Fanti, “An urban traffic network model via coloured timed Petri nets”, Elsevier, The Seventh Workshop On Discrete Event Systems (WODES2004), Volume 14, Issue 10, October 2006, Pages 1213–1229
• Pouyan, H. T. Shandiz, S. Arastehfar, “Synthesis a Petri net based Control model for a FMS cell”, Elsevier, Computers in Industry, Volume 62, Issue 5, June 2011, Pages 501-508, Elsevier Science Publishers B. V. Amsterdam, Netherlands.
• Examples of Industrial Use of CP-nets, http://www.daimi. au.dk/CPnets/intro/example_indu.html
• Dong Seong Kim, Fumio Machida, Kishor S. Trivedi, “Availability Analysis of a Virtualized Data Center”, ICVCI 2009.
• Ian Sommerville, “Formal Specification”, Software Engineering, 7th edition, School of Computer and Communication, university of Lancaster, 2004.
• …
• …