Virtualisation & Cloud Computing

Ce laboratoire porte sur la virtualisation et le cloud computing, avec un accent particulier sur la virtualisation du stockage, les réseaux de stockage SAN et NAS, ainsi que les configurations RAID. Il permet de comprendre les principes fondamentaux de la gestion du stockage dans un environnement virtualisé, les différents types de réseaux de stockage, leurs avantages et limites, ainsi que les configurations RAID pour améliorer performances et disponibilité. Pour réaliser ce TP, il est nécessaire d’avoir des notions de base en systèmes d’exploitation, réseaux et stockage, ainsi qu’un accès à un environnement de virtualisation ou à des simulateurs.

Objectifs

• Comprendre le concept de virtualisation de stockage et son intérêt.
• Différencier les types de stockage : DAS, SAN et NAS.
• Identifier les composants et protocoles d’un réseau SAN.
• Connaître les avantages et inconvénients des solutions NAS.
• Comprendre les principes du RAID et ses différentes configurations.
• Appliquer les notions de data striping, mirroring et contrôle de parité.
• Comparer les solutions de virtualisation courantes (Xen, VMware, OpenVZ, OpenStack).

Prérequis et installation

• Connaissances de base en systèmes d’exploitation, stockage et réseaux.
• Accès à un environnement de virtualisation (ex : VMware, Xen) ou simulateur.
• Matériel ou logiciel permettant la configuration de réseaux SAN et NAS.
• Logiciels ou interfaces web pour la gestion de NAS.
• Documentation sur les protocoles Fibre Channel, iSCSI, SCSI, TCP/IP.

Virtualisation de stockage : principes et mise en œuvre

La virtualisation de stockage consiste à séparer la représentation logique de l’espace de stockage de sa réalité physique. Cela permet d’abstraire les périphériques physiques (disques SATA, SCSI, etc.) et de limiter l’impact des modifications matérielles sur l’architecture. L’hyperviseur attribue à chaque machine virtuelle un espace de stockage, qui peut être local, sur un réseau de stockage ou sur un autre serveur.

Cette étape est essentielle pour comprendre comment gérer dynamiquement les ressources de stockage dans un environnement virtualisé. Un résultat correct montre que les machines virtuelles accèdent à leur espace disque sans connaître la localisation physique réelle.

Étude des réseaux de stockage SAN (Storage Area Network)

Un SAN est un réseau spécialisé qui mutualise des ressources de stockage. Il relie des serveurs à des baies de stockage via des protocoles comme Fibre Channel, SCSI ou iSCSI. Chaque serveur voit l’espace disque SAN comme un disque local, en mode bloc, ce qui permet un accès direct et partagé.

Pour cette étape, configurez un réseau SAN avec des serveurs, une baie de stockage (Storage Array) et un switch Fibre Channel ou équivalent. Vérifiez que les serveurs accèdent aux volumes SAN comme à des disques locaux.

Un résultat correct inclut la reconnaissance des volumes SAN par les machines virtuelles et la possibilité d’allouer dynamiquement de l’espace disque.

Analyse des serveurs de stockage en réseau NAS (Network Attached Storage)

Le NAS est un serveur de stockage autonome connecté au réseau IP de l’entreprise. Il possède son propre système d’exploitation, logiciel de configuration et adresse IP statique. Il permet le partage de fichiers entre plusieurs serveurs, machines virtuelles et clients dans un environnement hétérogène via Ethernet.

Dans cette étape, configurez un NAS accessible via une interface web, créez des partages de fichiers et testez l’accès simultané depuis plusieurs clients. L’administration simplifiée via l’interface web doit permettre la gestion des accès, quotas et réplications.

Un résultat correct montre un partage de fichiers accessible, une gestion des droits fonctionnelle et une bonne performance réseau sans congestion excessive.

Comparaison IP SAN vs FC SAN

Comparez les caractéristiques des SAN utilisant le protocole IP (IP SAN) et ceux utilisant Fibre Channel (FC SAN) :

Description	IP SAN	FC SAN
Vitesse réseau	1 Gbit/s, 10 Gbit/s, 40 Gbit/s	4 Gbit/s, 8 Gbit/s, 16 Gbit/s
Architecture réseau	Réseaux IP existants	Réseau FC dédié avec carte HBA
Distance de transmission	Illimitée en théorie	Limitée par la fibre optique
Gestion et maintenance	Simple, similaire aux périphériques IP	Complexe, techniques avancées
Compatibilité	Compatible avec tous les dispositifs IP	Compatibilité limitée
Performance	1 Gbit/s courant, 10 Gbit/s émergent	Haute performance en lecture/écriture
Coût	Faible coût d’achat et maintenance	Coût élevé matériel et formation
Reprise après sinistre (DR)	Capacités intégrées à faible coût	Coûts élevés en matériel et logiciel
Sécurité	Relativement faible	Élevée

Exploration des têtes de NAS (NAS HEAD)

Une tête de NAS est un cluster de machines offrant des données persistantes via le protocole TCP/IP. Elle garantit haute disponibilité grâce à des groupes redondants de disques et serveurs, avec redémarrage automatique rapide. Elle assure aussi haute performance grâce à un système optimisé pour les entrées/sorties, des connexions multiples et un cache sur la baie de stockage.

Configurez un cluster NAS HEAD avec redondance et testez la tolérance aux pannes ainsi que la performance sous charge. Un résultat correct montre une continuité de service rapide en cas de panne et une bonne répartition de la charge.

Compréhension des configurations RAID

RAID (Redundant Array of Independent Disks) regroupe plusieurs disques physiques en une seule partition logique. Il améliore coût, performances et disponibilité des données. Les principales techniques sont :

• Data striping (RAID 0) : répartition des blocs de données sur plusieurs disques pour paralléliser les accès. Améliore les performances mais ne sécurise pas les données.
• Mirroring (RAID 1) : duplication intégrale des données sur un disque miroir. Assure la disponibilité et améliore la lecture, mais double le coût de stockage.
• Contrôle de parité (RAID 5) : calcul d’un bloc de parité XOR sur les données réparties, permettant de reconstruire un disque défaillant. Offre un compromis entre coût et sécurité.

Exemple de calcul de parité :

bloc_P = bloc_1 XOR bloc_2 XOR bloc_3

Si bloc_2 est perdu, on le reconstruit par :
bloc_2 = bloc_P XOR bloc_1 XOR bloc_3

Lors d’une mise à jour, la parité doit être recalculée :

Nouvelle parité = bloc_1 XOR bloc_1’ XOR bloc_P

Ce qui nécessite 4 accès disque (lecture ancienne valeur, lecture ancienne parité, écriture nouvelle parité, écriture nouvelle donnée).

Étude des modèles RAID

• RAID 0 : amélioration des performances par striping, sans sécurité, coût nul.
• RAID 1 : miroir pour disponibilité, améliore lecture, dégrade légèrement écriture, coût doublé.
• RAID 5 : parité tournante, bonne lecture, écriture plus lente, surcoût 1 disque, tolérance à la perte d’un disque.
• RAID 10 (0+1) : combine performances RAID 0 et disponibilité RAID 1, tolère plusieurs pannes, coût doublé.
• RAID 50 (0+5) : extension RAID 5 avec plus de disques, meilleure disponibilité.

Domaines d’application des RAID

• RAID 0 : fichiers volumineux non critiques, performances élevées.
• RAID 1 : données sensibles nécessitant haute disponibilité, journaux de bases de données.
• RAID 5 : applications avec taux d’E/S élevés sur petits volumes.
• RAID 10 : applications exigeant haute performance et disponibilité.
• RAID 50 : bases de données volumineuses.

Configurations matérielles RAID

Le RAID peut être implémenté sous différentes formes :

• RAID interne au serveur.
• Cluster de serveurs.
• Baie de stockage externe.
• Réseau SAN.

Solutions de virtualisation courantes

Quelques solutions majeures de virtualisation :

• Xen : solution open source développée à Cambridge, sponsorisée par Citrix. XenServer est la version commerciale adaptée à Windows et Linux, avec interface avancée et support technique.
• VMware vSphere : hyperviseur de type 1 (bare metal) basé sur ESXi, avec gestion via navigateur, console cliente ou VMware vCenter Server pour administration centralisée.
• OpenVZ : virtualisation au niveau du noyau Linux, permettant plusieurs instances sécurisées de GNU/Linux sur une même machine, avec outils d’administration dédiés.
• OpenStack : ensemble modulaire de logiciels open source pour déployer des infrastructures cloud (IaaS), contrôlant calcul, stockage et réseau.

Résultats attendus

• Machines virtuelles accédant à un espace de stockage virtualisé sans connaître la localisation physique.
• Serveurs accédant aux volumes SAN en mode bloc, avec allocation dynamique et partage sécurisé.
• Partage de fichiers NAS accessible simultanément par plusieurs clients, avec gestion des accès via interface web.
• Comparaison claire des performances, coûts et sécurités entre IP SAN et FC SAN.
• Clusters NAS HEAD offrant haute disponibilité et haute performance, avec redondance effective.
• Configurations RAID fonctionnelles, avec reconstruction correcte des données en cas de panne d’un disque (RAID 5).
• Compréhension des avantages et limites des différentes configurations RAID selon les besoins applicatifs.
• Identification des solutions de virtualisation adaptées selon les environnements et besoins.

Pièges courants

• Confondre SAN et NAS : SAN travaille en mode bloc, NAS en mode fichier.
• Oublier que le RAID 0 n’offre aucune sécurité des données.
• Ne pas prendre en compte la surcharge liée à la gestion de la parité dans RAID 5, impactant les performances en écriture.
• Ignorer les limites de compatibilité et coûts élevés des FC SAN.
• Configurer un NAS sur un réseau IP saturé, provoquant des congestions et dégradations de performances.
• Ne pas vérifier la redondance des têtes NAS, ce qui peut entraîner une indisponibilité en cas de panne.
• Utiliser OpenVZ sans comprendre qu’il ne virtualise que des serveurs Linux.
• Ne pas adapter la solution de virtualisation au type d’OS ou aux besoins spécifiques (ex : Xen pour Linux, VMware pour Windows).