Đồ án tốt nghiệp: Giải pháp ảo hóa mạng sử dụng VMware Hypervisor (ESXi & vCenter)

Tài liệu đồ án ảo hóa mạng VMware, hướng dẫn cài đặt và cấu hình ESXi, vCenter. Bao gồm mô hình triển khai thực tế cho doanh nghiệp.

• Tác giả: Võ Đức Huy
• Người hướng dẫn: Nguyễn Đăng Quang
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thông Tin
• Đề tài: Giải Pháp Ảo Hóa Mạng Sử Dụng VMware Hypervisor
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về ảo hóa mạng VMware

Ảo hóa mạng VMware là công nghệ tiên tiến cho phép các doanh nghiệp tối ưu hóa cơ sở hạ tầng IT bằng cách chia sẻ tài nguyên phần cứng giữa nhiều máy ảo. Công nghệ này đã trở thành xu hướng chung của hầu hết các doanh nghiệp toàn thế giới trong việc giảm chi phí hoạt động và tăng hiệu suất. VMware Hypervisor cung cấp nền tảng mạnh mẽ để triển khai giải pháp ảo hóa toàn diện, giúp tiết kiệm không gian vật lý, điện năng và quản lý tài nguyên máy chủ hiệu quả. Việc áp dụng công nghệ ảo hóa máy chủ không chỉ giảm thiểu chi tiêu mà còn rút ngắn thời gian thiết lập máy chủ, kiểm tra phần mềm trước khi đưa vào hoạt động. Đây là giải pháp lý tưởng cho các trung tâm dữ liệu hiện đại.

1.1. Khái niệm và định nghĩa ảo hóa

Ảo hóa là quá trình tạo ra các tài nguyên máy tính ảo từ những thiết bị vật lý thực. VMware vSphere cho phép quản lý nhiều máy ảo độc lập trên một máy chủ vật lý duy nhất. Công nghệ này tạo lớp trừu tượng giữa phần cứng và phần mềm, cho phép cài đặt VMware ESXi và quản lý cơ sở hạ tầng linh hoạt. Khái niệm ảo hóa toàn phần cho phép chạy bất kỳ hệ điều hành nào mà không cần sửa đổi.

1.2. Lợi ích của ảo hóa mạng VMware

Ảo hóa mạng VMware mang lại nhiều lợi ích thiực tiễn: tiết kiệm chi phí đầu tư và vận hành, tối ưu hóa tài nguyên phần cứng, cải thiện khả năng sẵn sàng dịch vụ. Giải pháp ảo hóa mạng giúp doanh nghiệp giảm thời gian triển khai cơ sở hạ tầng VMware và tăng năng suất làm việc. Ngoài ra, vCenter Server cung cấp công cụ quản lý tập trung cho toàn bộ môi trường ảo hóa.

II. Kiến trúc và thành phần chính của VMware

Kiến trúc VMware Hypervisor bao gồm nhiều thành phần quan trọng hoạt động phối hợp nhằm cung cấp nền tảng ảo hóa mạnh mẽ. VMware ESXi 6 là lớp ảo hóa cơ bản (bare-metal hypervisor) trực tiếp kiểm soát phần cứng vật lý. vCenter Server hoạt động như trung tâm quản lý tập trung cho tất cả các host ESXi trong môi trường. VMware vSphere Client cung cấp giao diện quản lý đồ họa cho người dùng. Hệ thống lưu trữ ảo được quản lý thông qua SAN (Storage Area Network) để tối ưu hóa hiệu suất. Các tính năng như vMotion, DRS, HA, Fault Tolerance làm cho triển khai hạ tầng ảo hóa VMware trở nên linh hoạt và đáng tin cậy.

2.1. VMware ESXi và vCenter Server

ESXi là hypervisor loại 1 được cài đặt trực tiếp trên máy chủ vật lý, cung cấp hiệu suất tối ưu. Cài đặt vCenter 6 cho phép quản lý hàng trăm host ESXi từ một giao diện duy nhất. VMware vCenter Server cung cấp các tính năng nâng cao như Resource Scheduling, Backup và License Management. Nó tích hợp với vSphere Client để giám sát và cấu hình toàn bộ hệ thống ảo hóa.

2.2. Các tính năng nâng cao trong VMware vSphere

VMware vMotion cho phép di chuyển máy ảo giữa các host mà không làm gián đoạn dịch vụ. Distributed Resource Scheduler (DRS) tự động cân bằng tải trên các host. High Availability (HA) và Fault Tolerance đảm bảo độ sẵn sàng cao. vShield Zones cung cấp bảo mật cho cơ sở hạ tầng mạng ảo hóa. Consolidated Backup và vCenter Orchestrator tối ưu hóa quy trình sao lưu và tự động hóa.

III. Hướng dẫn cài đặt và cấu hình chi tiết

Triển khai hạ tầng ảo hóa VMware yêu cầu tuân theo quy trình cài đặt cẩn thận từng bước. Đầu tiên, cài đặt VMware ESXi 6 trên máy chủ vật lý với yêu cầu phần cứng phù hợp và kết nối mạng. Tiếp theo là cài đặt vCenter 6 trên máy ảo hoặc máy chủ riêng biệt. Cấu hình mạng ảo hóa trong ESXi 6 bao gồm tạo virtual switches, port groups và kết nối vật lý. Cài đặt và sử dụng máy ảo trên ESXi 6 yêu cầu cấp phát tài nguyên phù hợp như RAM, CPU, disk. Việc kết nối vSphere Client đến vCenter Server cho phép quản lý toàn bộ môi trường. Cuối cùng, cấu hình DHCP, DNS và Gateway để máy ảo kết nối mạng được.

3.1. Quá trình cài đặt VMware ESXi và vCenter

Cài đặt VMware ESXi bắt đầu bằng khởi động từ ISO image, chọn ổ cứng, đặt mật khẩu root và cấu hình IP tĩnh. Giao diện DCUI của ESXi hiển thị thông tin hệ thống. Cài đặt vCenter có thể là Embedded hoặc Standalone. Cần cấu hình Single Sign-On, Database, License để hoàn thành. Kết nối đến ESXi thông qua vSphere Client với tên người dùng admin.

3.2. Tạo và cấu hình máy ảo

Tạo máy ảo bao gồm chọn hệ điều hành, cấp phát vCPU, RAM và disk. Cấu hình mạng ảo hóa bằng cách gắn card mạng vào port group. Cài đặt OS Guest từ ISO image. Upload datastore để lưu file máy ảo. Cài đặt các máy tính khác theo nhu cầu (firewall VyOS, Web Server). Cấu hình Default Gateway, DHCP, DNS để kết nối mạng.

IV. Ứng dụng thực tế và triển khai cho doanh nghiệp

Ứng dụng sơ đồ mạng ảo hóa vào thực tế cho doanh nghiệp đòi hỏi lập kế hoạch kỹ lưỡng và kiến trúc hợp lý. Ảo hóa Web Server là một trong những ứng dụng phổ biến nhất, cho phép doanh nghiệp tiết kiệm chi phí server vật lý. Giải pháp ảo hóa mạng có thể bao gồm máy chủ ảo chạy các dịch vụ như DNS, DHCP, Firewall, và Web Server. Cấu hình VyOS trên máy ảo tạo ra firewall ảo để quản lý lưu lượng mạng. Thực nghiệm triển khai cho phép kiểm tra hiệu suất trước khi đưa vào sản xuất. Đồ án ảo hóa mạng VMware cần đánh giá tài nguyên, thiết kế mạng logic, và xác định yêu cầu sao lưu.

4.1. Thiết kế và triển khai mạng ảo hóa

Thiết kế mạng ảo hóa bắt đầu từ việc phân tích nhu cầu doanh nghiệp và xác định số lượng máy ảo cần thiết. Sơ đồ mạng ảo hóa cần bao gồm VLAN, subnet, và routing logic. Cấu hình card mạng cho máy ảo phải kết nối với virtual switch thích hợp. VyOS firewall cung cấp bảo mật và chức năng định tuyến. Sử dụng vMotion để cân bằng tải giữa các host.

4.2. Ảo hóa Web Server và dịch vụ ứng dụng

Ảo hóa Web Server bao gồm cài đặt hệ điều hành, web server (Apache/Nginx), PHP, và database trên máy ảo. Cập nhật datastore để đảm bảo dung lượng lưu trữ đủ. Cầu hình DNS để phân giải tên miền. Upload file HTML và cấu hình SSL. Kiểm tra dịch vụ web bằng trình duyệt để đảm bảo hoạt động bình thường. Thiết lập backup định kỳ để bảo vệ dữ liệu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu và kết luận thì đề tài chia làm IV chƣơng:  Chƣơng I : Tổng quan về hạ tầng ảo hóa  Chƣơng II : Tìm Hiểu Về Vmware Và Các Hạ Tầng Ảo Hóa Khác  Chƣơng III : VMware ESXi  Chƣơng IV : Thực Hành Triển Khai Ảo Hóa Hệ Thống Mạng 2 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HẠ TẦNG ẢO HÓA 1. Khái niệm về ảo hóa và hạ tầng ảo hóa Ảo hóa là công nghệ cho phép khai thác triệt để khả năng hoạt động của các phần cứng trong hệ thống máy chủ bằng cách chạy đồng thời nhiều OS trên cùng lớp vật lý. Cùng chia sẻ tài nguyên phần cứng và đƣợc quản lý bởi lớp ảo hóa (Hypervisor). Lớp ảo hóa nằm giữa nhƣ một tầng trung gian giữa phần cứng (hardware) và phần mềm hệ điều hành (OS) giúp quản lý, phân phát tài nguyên phần cứng cho lớp OS ảo hoạt động ở trên.

Nó hoạt động nhƣ một tầng trung gian giữa phần cứng máy tính và phần mềm chạy trên nó. Ý tƣởng của công nghệ máy chủ ảo hóa là từ một máy PC đơn lẻ có thể tạo thành nhiều máy ảo riêng biệt. Ảo hóa cho phép tạo nhiều máy ảo trên một máy chủ vật lý, mỗi một máy ảo cũng đƣợc cấp phát tài nguyên phần cứng nhƣ máy thật gồm có Ram, CPU, ổ cứng, Card mạng, các tài nguyên khác và hệ điều hành riêng. Khi chạy ứng dụng, ngƣời sử dụng không nhận biết đƣợc ứng dụng đó chạy trên lớp phần cứng ảo.1: Mô hình chung 3 1.

Các thành phần của một hệ thống ảo hóa Hình 1.2: Loại Hypervisor chính  Tài nguyên vật lý chính (Host machine / Host hardwave): Máy chủ vật lý, CPU, RAM, ổ đĩa cứng, card mạng… Nhiệm vụ là chia tài nguyên cấp cho các máy ảo.  Phần mềm ảo hóa (Hypervisor): cung cấp truy cập cho mỗi máy chủ ảo đến tài nguyên của máy chủ vật lý, lập kế hoạch và phân chia tài nguyên vật lý cho các máy chủ ảo, cung cấp giao diện quản lý cho các máy chủ ảo  Hệ điều hành khách (Guest Operating System): đƣợc cài đặt trên một máy chủ ảo, thao tác nhƣ ở trên hệ điều hành thông thƣờng.  Mảy ảo (Virtual Machine): nó hoạt động nhƣ một máy chủ vật lý thông thƣờng với tài nguyên riêng, giao diện riêng, hệ điều hành riêng. Một hệ thống ảo hóa bắt buộc phải có đầy đủ các thành phần: tài nguyên vật lý, phần mềm ảo hóa, máy chủ ảo và hệ điều hành khách.

Khi có đầy đủ 4 thành phần của hệ thống ảo hóa, ngƣời dùng có thể dễ dàng xây dựng cho mình một hệ thống ứng dụng ảo hóa hoàn chỉnh. Hoạt động 4 Ảo hóa đƣợc xây dựng dựa trên giải pháp chia một máy vật lý thành nhiều máy con. Giải pháp này đƣợc biết đến với cái tên là Virtual Machine Monitor (VMM) hay thƣờng đƣợc gọi là Hypervisor. VMM cho phép tạo tách rời các máy ảo và điều phối truy cập của các máy ảo này đến tài nguyên phần cứng và cấp phát tài nguyên tự động theo nhu cầu sử dụng.

Cấu trúc này giúp:  Nhiều ứng dụng chạy trên cùng một server, mỗi máy ảo đƣợc lập trình trên máy chủ, do đó nhiều ứng dụng và các hệ điều hành có thể cùng lúc chạy trên một host.  Tối đa hóa công suất sử dụng và tối thiểu hóa server: Mỗi máy chủ vật lý đƣợc sử dụng với đầy đủ công suất, cho phép giảm đáng kể chi phí nhờ sử dụng tối đa server.  Cấp phát tài nguyên và ứng dụng nhanh chóng, dễ dàng. Máy ảo đƣợc triển khai từ một file chứa đầy đủ phần mềm với cơ chế đơn giản là copy và Điều này mang đến sự đơn giản, nhanh chóng và linh hoạt chƣa từng có cho việc quản lý và cung cấp hạ tầng Công nghệ thông tin.

Máy ảo thậm chí có thể di chuyển sang một server vật lý khác trong khi vẫn đang chạy, hoạt động bình thƣờng. Doanh nghiệp có thể ảo hóa những ứng dụng quan trọng của doanh nghiệp để nâng cao hiệu suất, sự ổn định, khả năng mở rộng và giảm thiểu chi phí.3: Hai loại ảo hóa 1. Mục tiêu ảo hóa 5 Ảo hóa xoay quanh 4 mục tiêu chính: Availability, Scalability, Optimization, Management.  Availability: giúp các ứng dụng hoạt động liên tục bằng cách giảm thiểu (bỏ qua) thời gian chết (downtime) khi phần cứng gặp sự cố, khi nâng cấp hoặc di chuyển.

 Scalability: khả năng tùy biến, thu hẹp hay mở rộng mô hình server dễ dàng mà không làm gián đoạn ứng dụng.  Optimization: sử dụng triệt để nguồn tài nguyên phần cứng và tránh lãng phí bằng cách giảm số lƣợng thiết bị vật lý cần thiết (giảm số lƣợng server, switch, cáp,. )  Management: khả năng quản lý tập trung, giúp việc quản lý trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết. Ƣu và nhƣợc điểm của ảo hóa  Ƣu điểm Việc áp dụng công nghệ ảo hóa máy chủ đem lại những lợi ích nhƣ: o Tiết kiệm năng lƣợng tiêu thụ, giảm chi phí duy trì server (tiền điện để chạy và làm mát server) o Giảm số lƣợng thiết bị vật lý cần thiết (giảm số lƣợng server, switch, cáp, phí gia công) o Tận dụng tối đa nguồn tài nguyên, tránh lãng phí.

o Quản lý tập trung, liên tục, nâng cao hiệu quả làm việc của quản trị viên. o Khả năng mở rộng dể dàng  Nhƣợc điểm. o Thông thƣờng, mỗi máy ảo chỉ sử dụng một file VMDK (file này có thể đƣợc chia nhỏ tùy theo cách cài đặt) để lƣu lại toàn bộ dữ liệu 6 trong máy ảo và một số file nhỏ khác để lƣu cấu hình máy ảo. Do đó, nếu một trong số những tệp tin bị lỗi hoặc bị mất mà chƣa đƣợc backup thì có thể xem nhƣ máy ảo đã bị hƣ hoàn toàn và không thể phục hồi.

o Ngoài ra nếu máy chủ có cấu hình phần cứng thấp nhƣng lại có một máy ảo sử dụng quá nhiều tài nguyên hoặc chạy quá nhiều máy ảo sẽ làm chậm toàn bộ hệ thống bao gồm các máy ảo và các ứng dụng chạy trên máy ảo. Đồng thời do một hoặc vài máy chủ phải đảm nhận nhiều máy ảo chạy trên nó nên máy chủ gặp trục trặc, sự cố thì các máy ảo cũng sẽ bị ảnh hƣởng theo. o Còn ở góc độ bảo mật, nếu hacker nắm quyền điều khiển một máy chủ vật lý chứa các máy ảo thì hacker có thể kiểm soát đƣợc tất cả các máy ảo trong nó. Các mức độ ảo hóa  Ảo hóa toàn phần (Full Virtualization) Đây là loại ảo hóa mà ta không cần chỉnh sửa hệ điều hành khách (guest OS) cũng nhƣ các phần mềm đã đƣợc cài đặt trên nó để chạy trong môi trƣờng hệ điều hành chủ (host OS).

Khi một phần mềm chạy trên guest OS, các đoạn code của nó không bị biến đổi mà chạy trực tiếp trên host OS và phần mềm đó nhƣ đang đƣợc chạy trên một hệ thống thực sự. Bên cạnh đó, ảo hóa toàn phần có thể gặp một số vấn đề về hiệu năng và hiệu quả trong sử dụng tài nguyên hệ thống. Trình điều khiển máy ảo phải cung cấp cho máy ảo một “ảnh” của toàn bộ hệ thống, bao gồm BIOS ảo, không gian bộ nhớ ảo, và các thiết bị ảo. Trình điều khiển máy ảo cũng phải tạo và duy trì cấu trúc dữ liệu cho các thành phần ảo (đặc biệt là bộ nhớ), và cấu trúc này phải luôn đƣợc cập nhật cho mỗi một truy cập tƣơng ứng đƣợc thực hiện bởi máy ảo.4: Ảo hóa toàn phần  Ảo hóa song song Là một phƣơng pháp ảo hóa máy chủ mà trong đó, thay vì mô phỏng một môi trƣờng phần cứng hoàn chỉnh, phần mềm ảo hóa này là một lớp mỏng dồn các truy cập các hệ điều hành máy chủ vào tài nguyên máy vật lý cơ sở, sử dụng môt kernel đơn để quản lý các Server ảo và cho phép chúng chạy cùng một lúc (có thể ngầm hiểu, một Server chính là giao diện ngƣời dùng đƣợc sử dụng để tƣơng tác với hệ điều hành).

Ảo hóa song song đem lại tốc độ cao hơn so với ảo hóa toàn phần và hiệu quả sử dụng các nguồn tài nguyên cũng cao hơn. Nhƣng nó yêu cầu các hệ điều hành khách chạy trên máy áo phải đƣợc chỉnh sửa. Điều này có nghĩa là không phải bất cứ hệ điều hành nào cũng có thể chạy ảo hóa song song đƣợc (trái với Ảo hóa toàn phần). XP Mode của Windows 7 là một ví dụ điển hình về ảo hóa song song.5: Ảo hóa song song Phƣơng pháp ảo hóa này có hai ƣu điểm.

Thứ nhất, giảm chi phí hoạt động do số lƣợng mã rất ít. Lớp phần mềm của ảo hóa song song hoạt động giống một cảnh sát giao thông , nó cho phép một hệ điều hành chủ truy cập các tài nguyên vật lý của phần cứng, đồng thời ngăn không cho các hệ điều hành chủ khác truy cập các nguồn tài nguyên đó. Ƣu điểm thứ hai của ảo hóa song song song là nó không giới hạn các trình điều khiển thiết bị trong phần mềm ảo hóa; thực tế là ảo hóa song song không hề có các trình điều khiển thiết bị. Thay vào đó, nó sử dụng các trình điều khiển thiết bị có trong một hệ điều hành chủ, gọi là máy chủ đặc quyền.

Nó cho phép các công ty tận dụng hiệu suất phần cứng các máy chủ, chứ không bị giới hạn phần cứng mà các trình điều khiển phải sẵn có trong phần mềm ảo hóa này nhƣ trong ảo hóa mô phỏng phần cứng. Tuy nhiên, phƣơng pháp ảo hóa này cũng có một nhƣợc điểm lớn: Do ít quan trọng và dồn truy cập vào một phần cứng cơ sở, ảo hóa song song yêu cầu các hệ điều hành chủ phải đƣợc thay đổi để tƣơng tác với giao diện của nó. 9 Công việc này chỉ có thể đƣợc thực hiện khi truy cập mã nguồn của hệ điều hành. Do đó, nhƣợc điểm này sẽ đƣợc giảm thiểu khi sử dụng các máy chủ có các con chip mới trong cơ sở hạ tầng sản xuất.

 Ảo hóa hệ điều hành Một hệ điều hành đƣợc vận hành ngay trên một hệ điều hành chủ đã tồn tại và có khả năng cung cấp một tập hợp các thƣ viện tƣơng tác với các ứng dụng, khiến cho mỗi ứng dụng truy xuất tài nguyên phần cứng cảm thấy nhƣ truy xuất trực tiếp máy chủ vật lý. Từ phối cảnh của ứng dụng, nó đƣợc nhận thấy và tƣơng tác với các ứng dụng chạy trên hệ điều hành ảo, và tƣơng tác với hệ điều hành ảo mặc dù nó kiểm soát tài nguyên hệ điều hành ảo. Nói chung, không thể thấy các ứng dụng này hoặc các tài nguyên hệ điều hành đặt trong hệ điều hành ảo khác.