Cloud computing v akademickom prostredí

	Trenčianska Univerzita Alexandra Dubčeka v Trenčíne Fakulta Mechatroniky
	Cloud computing v akademickom prostredí Diplomová práca

Autor:	Bc. Romana Čáková
Pedagogický vedúci:	Ing. Juraj Ďuďák, PhD.
Študijný odbor:	Manažérstvo kvality produkcie
Akademický rok	2010/2011

Obsah práce

1.	Virtualizácia
2.	Cloud computing
3.	Návrh privátneho cloudu

Abstrakt Obsahom diplomovej práce je vysvetlenie pojmov cloud computing a virtualizácia a ich praktické využitie pri návrhu a implementácii privátneho cloudu v akademickom prostredí. Práca je rozdelená do štyroch kapitol. Prvá kapitola obsahuje teoretické východiská, vysvetľuje princíp, možnosti a druhy virtualizácie. Druhá kapitola sa venuje pojmom cloud computingu, definuje možné výhody a nevýhody. Pojednáva o modeloch služieb ktoré cloud computing poskytuje. V tretej kapitole uvádzame konkrétne príklady jednotlivých služieb, platforiem a operačných systémov pre cloud a následne implementujeme vybrané možnosti do privátneho cloudu. V závere poskytujeme zhodnotenia o súčasnom stave IT infraštruktúry na TnUAD, odporúčame konkrétne možnosti využitia cloudových služieb na univerzite. Poslednou kapitolou je záver.

Abstract The purpose of the academic paper is to explain the concept of cloud computing and virtualization and its practical application in proposal and implementation of private cloud in academic environment. The paper is divided into 4 chapters. Chapter 1 consists of theoretical starting points, explains rationale of possibility and virtualization. Chapter 2 is dedicated to terms of cloud computing, defines possible advantages and disadvantages. It also dealt with service models which cloud computing is providing. In chapter 3, we describe specific examples of particular services, platforms and operating systems appropriate for cloud computing and consequently we implement chosen options for private cloud. In the conclusion, we provide the reader with the evaluation of current IT infrastructure situation in TnUAD. We recommend particular options of cloud services usage for the university. The last chapter represents the conclusion.

Úvod

Pojem cloud computing sa stáva v posledných pár rokoch horúcou témou na poli IT sveta. Je to nový trend v poskytovaní IT služieb. Stal sa účinným nástrojom na zvyšovanie efektivity a kvality procesov v mnohých organizáciách, pretože konkurencieschopnosť dnes znamená permanentné znižovanie nákladov, pohotovejšie prispôsobenie požiadavkám trhu a rýchle reagovanie na zmeny v prístupe k zákazníkom a práve toto sú základné vlastnosti virtualizácie, ktorú využíva už spomínaný cloud computing.

Nemali by sme ho chápať ako revolúciu alebo módny výkrik doby, ktorý rýchlo príde a ešte rýchlejšie sa stratí. Migrácia do cloudu je evolúcia, ktorá obnáša prípravu v podobe osvety a dôkladného plánovania. Touto prácou chcem priblížiť možnosti využitia tohto fenoménu v akademickom prostredí. Cieľom práce bolo vytvoriť privátny cloud v akademickom prostredí na štyroch počítačoch. Následne ukázať tvorbu virtuálnych počítačov a implementovať vybrané služby v tomto cloude.

Práca poskytuje zhodnotenie cloudových riešení z pohľadu efektívnosti, dostupnosti a možnosti využitia v akademickom prostredí a firmách. Keďže Cloud computing je nová téma a na Slovensku ešte nie sú k dispozícií knižné pramene, čerpali sme hlavne z internetu, časopisových článkov a anglicky písanej literatúry. V práci sa nachádzajú anglické výrazy, ktoré sme neprekladali do slovenského jazyka, nakoľko sa aj v odborných článkoch používajú v pôvodnom, teda v anglickom jazyku.

Virtualizácia

Virtualizácia v informatike je proces alebo technika, pri ktorej je nahradený fyzický prostriedok softvérovou vrstvou. Takýto prostriedok je pre systém transparentne definovaný, i keď fyzicky neexistuje. V praxi to znamená, že vďaka virtualizácii je možné nezávisle prevádzkovať niekoľko operačných systémov spolu na rovnakom hardvéri. Podporovaných je obvykle viac operačných systémov, pričom na jednom hostiteľskom systéme môžu bežať aj rôzne operačné systémy [10].

Princíp virtualizácie

Virtualizačný softvér alebo platforma, tzv. hypervisor vytvára štandardizovaný hardvér. Poskytuje ho pre všetky virtuálne stroje, ktoré nad ním bežia. Tento hardvér zahŕňa všetko potrebné k behu počítača, teda CPU, operačnú pamäť, vstupno-výstupné zariadenia, komunikačné prostriedky a podobne. Takýto abstrahovaný hardvér je dostupný operačnému systému, ktorý nepotrebuje byť špeciálne upravený na beh vo virtuálnom prostredí. Virtualizácia je teda transparentná, hardvér poskytnutý hypervisorom je natoľko štandardný, že každý podporovaný operačný systém s ním vie bez problémov pracovať. Inštalácia a beh operačného systému prebiehajú rovnako, ako pri inštalácii na fyzický hardvér. Používateľ má prístupnú konzolu, teda virtuálny monitor a z optického média, prenosného disku alebo zo siete nainštaluje vybraný operačný systém [10].

Virtualizácia je softvérová technológia umožňujúca efektívnejšie využívanie výpočtového výkonu systémov. Súčasné počítače sú navrhované na prevádzku jedného operačného systému a s ním súvisiacich aplikácií. Virtualizácia odstraňuje toto obmedzenie a umožňuje súčasnú prevádzku viacerých operačných systémov na jednom hardvéri.

Výhody virtualizácie:

• efektívnejšie využitie hardvérových prostriedkov,
• nižšia energetická náročnosť,
• jednotná virtualizovaná platforma,
• možnosť spravovať pridelené prostriedky (CPU, RAM, HDD) podľa požiadaviek,
• simulácia testovacích alebo technicky náročných riešení bez potreby vlastniť alebo zabezpečovať dodatočný hardvér,
• jednoduchá migrácia systémov na výkonnejší hardvér bez nutnosti preinštalovať virtuálne počítače,
• zjednodušené zálohovanie, rýchle vytváranie snímok systému (tzv. snapshot),
• rýchla obnova systémov zo zálohy pri zlyhaní hardvéru,
• prevádzkovanie rôznych operačných systémov - Windows, Linux a ďalších - na jednom fyzickom počítači [5].

Hlavnou výhodou virtualizácie je šetrenie nákladov. Server bežne využíva len niekoľko percent svojho výkonu, väčší výkon potrebuje iba nárazovo, takže je väčšinu času nevyužitý. Pri virtualizácii nám napríklad namiesto 15 serverov budú stačiť dva, čím sa nám zmenšia náklady na nákup hardvéru, na údržbu, chladenie, postačí nám menej miesta.

Virtuálne prostredie sa dá jednoducho prehľadne ale najmä centrálne spravovať z jedného bodu. Správca vidí ktoré servery bežia, ako sú zaťažené alebo koľko má voľnej kapacity na centrálnom úložisku dát (storage). Pojem virtualizácia sa chápe skôr ako celoplošné virtualizovanie hardvérových a softvérových zdrojov. Z tohto pohľadu môžeme virtualizáciu rozdeliť na platformovú a aplikačnú.

Platformová virtualizácia

Tento typ virtualizácie zahŕňa komplexné virtualizovanie platformy, teda napríklad kompletného operačného systému. V princípe je tento typ virtualizácie najviac známy a najzjavnejší pri bežnom používaní. Vo svete serverov ponúka možnosť behu operačného systému na viacerých počítačoch súčasne a fyzicky využívať ich hardvérové prostriedky s možnosťou detailnej administrácie. V domácich podmienkach má význam, ak chcete na svojom počítači či notebooku súčasne prevádzkovať viacero operačných systémov v rovnakom čase, teda ak napríklad chcete pracovať v prostredí Microsoft Windows, popri tom potrebujete mať spustenú staršiu verziu tohto operačného systému na spúšťanie star-ších aplikácií a zároveň pracujete s rozhraním Linux, napríklad pri sieťovej administrácii a práci so špecializovaným softvérom. Okrem toho možno, samozrejme, virtualizovať aj ďalšie aspekty v rámci IT služieb, ako napríklad konkrétne hardvérové funkcie, ako sú inštrukcie procesora. Vo všeobecnosti sa platformová virtualizácia rozdeľuje na päť zá-kladných podskupín. Prvú z nich tvorí úplná virtualizácia, ktorá pokrýva úplnú systémo-vú virtualizáciu. Druhá podskupina je hardvérovo asistovaná virtualizácia, ktorá je urče-ná na spúšťanie špecializovaných aplikácií a operačných systémov v prípade nevhodného hardvéru. Tretiu skupinu predstavuje čiastočná virtualizácia, ktorá je prítomná aj v niek-torých operačných systémoch. Napríklad operačné systémy Microsoft Windows XP/Vista/Seven podporujú spúšťanie v kompatibilnom režime, ktorý môže v niektorých prípadoch priniesť riešenie pri spúšťaní starších aplikácií. Ďalší stupeň virtualizácie je pa-ravirtualizácia, ktorá zahŕňa používateľské rozhrania a ich unifikáciu na viacerých plat-formách. Posledný stupeň je virtualizácia na úrovni operačného systému, ktorá zahŕňa spúšťanie viacerých inštancií v rámci operačného systému, teda napríklad viacpoužíva-teľské rozhrania. Najznámejšie aplikácie v tomto smere sú produkty spoločnosti VMware, ktorá ponúka serverovú virtualizáciu, virtualizáciu klientskych staníc a infraš-truktúr. Konkurentom najmä v prípade serverovej virtualizácie je Hyper-V od spoločnos-ti Microsoft, ktorý ponúka značné výhody pri virtualizácii zdrojov. Tieto spoločnosti sa však do veľkej miery orientujú najmä na serverové a profesionálne nasadenie. Pre bežné-ho používateľa sú k dispozícii aj aplikácie na jednoduchšie formy virtualizácie, ktoré sú orientované na domácu emuláciu operačných systémov a aplikácií. Ak ste používateľom operačného systému Microsoft Windows, jeho tvorca vám ponúka jednoduché riešenie vo forme aplikácie Microsoft Virtual PC, aktuálne vo verzii 2007 [6].

Aplikačná virtualizácia

Aplikačná virtualizácia je trochu odlišná od štandardnej platformovej virtualizácie, do tejto kategórie spadá okrem simulovania aplikácií v systéme aj niekoľko ďalších as-pektov, ako je kríženie aplikačných platforiem, teda napríklad portovanie aplikácií a pre-nosné aplikácie, ktoré sa využívajú pri potrebe prenosu aplikácií napríklad na kľúči USB. No ak trochu zovšeobecníme tento pojem, patria sem aj webové aplikácie, s ktorými sa stretávame denne. Napríklad rozhrania sociálnych sietí predstavujú v podstate rozhranie internetovej aplikácie, ktorá je nezávislá od hosťovského systému a je spúšťaná cez urči-tý protokol [6].

Technológia VDI

Virtualizácia pracovných staníc (angl. Virtual Desktop Infrastructure - VDI) prináša virtualizačné technológie do prostredia stolových počítačov, čím zabezpečujúc lepšiu kontrolu a spravovateľnosť počítačov v rámci organizácie. Virtualizácia desktopov umožňuje presunúť niektoré alebo aj všetky aplikácie z jednotlivých počítačov (vrátane samotného desktopového prostredia) na vyhradené aplikačné servery v dátovom centre. VDI v praxi predstavuje nezávislosť na klientskych zariadeniach, skutočnú mobilitu zamestnancov, optimalizáciu správy a bezpečnosť informácií. Riešenie VDI poskytne koncovému užívateľovi virtuálne PC, ktoré beží na tenkom klientovi a ktoré sa správa presne tak, ako ich súčasný desktopový počítač. Bez ohľadu na to, či je užívateľ práve v kancelárii, doma, alebo na cestách. Profil užívateľa a jeho dokumenty sú skladované centrálne, takže nie je potrebné ich stále so sebou nosiť či preposielať. Po autorizácii sa tak užívateľ dostane priamo k svojmu rozpracovanému projektu. Stále viac aplikácií sa dnes presúva na web, mnohí zamestnanci pracujú väčšinou online. Tieto a mnohé ďalšie faktory dávajú zelenú rozvoju VDI. Záložky prehliadačov, uložené heslá, história, cookies a mnohé iné konfigurácie môžu užívateľa jednoducho nasledovať. Kdekoľvek sa prihlási, nezávisle od zariadenia [18].

Tenký klient

Tenký klient je konštrukčne podstatne jednoduchšie zariadenie ako bežné PC, vďaka čomu sa výrazne zjednodušuje servis a údržba zariadenia. Pri nasadení technológie VDI a tenkých klientov v kanceláriách nad 5 PC je možné dosiahnuť výraznú úsporu prevádzkových nákladov. Pomocou vhodných softvérových nástrojov je do takéhoto riešenia možné integrovať aj mobilné zariadenia, t.j. prenosné počítače.

VDI spôsob prevádzky koncových staníc má množstvo výhod. Tenký klient má zlomkovú spotrebu elektrickej energie oproti bežnému PC, neobsahuje žiadne dáta, keďže tie sú všetky uložené na serveroch v dátovom centre. Dátové centrum zároveň garantuje oveľa vyššiu bezpečnosť dát ako majú bežné PC, resp. počítačové siete malých a stredných firiem [18].