vSphere 新版打破限制，vMotion挺進雲資料中心

在vSphere即將推出2015新版的前夕，我們想要回顧一下VMware從去年8月舉辦的VMworld 2014大會所公布的資訊，再加上目前有幾家國外IT媒體也已經在10月初報導的vSphere 6.0候選發行版（Release Candidate，RC）相關消息，VMware這次發布重大改版的幾個主要重點，其實已經越來越明確了。

這次vSphere推出新版的功能中，我們認為最具突破性的特色，是針對vMotion功能的再強化，對於規模日漸擴張、對於可靠度提升有迫切需求的大型資料中心環境而言，會相當渴望這方面的進展。

vMotion的重要性與發展歷程

事實上，在伺服器虛擬化的應用當中，vMotion一直是非常關鍵的技術，因為有了它，你就能做到VM的不停機線上遷移，讓多臺承載VM執行的伺服器主機，能夠透過手動、甚至自動方式的作業，更有效率地共享工作負載、交互運用彼此各自的運算資源，這也是它最為人稱道的地方。

早期微軟Hyper-V還沒有成長到現在的程度時、甚至還沒有推出之前，VMware就已經讓當時的ESX Server搭配VirtualCenter，而提供了鼎鼎大名的vMotion，這項功能獨領風騷長達五年之久，幾乎成為同類技術、甚至是很多人心中伺服器虛擬化應用的代名詞。微軟推出Hyper-v，也是一直到2009年推出的Windows Server 2008 R2時，才提供足以與之匹敵的Live Migration，最早微軟甚至只能提供中斷時間較久、轉移即時度較差的Quick Migration。

另一個基於vMotion所發展出來的DRS（Distributed Resource Scheduler）技術，也是VMware虛擬化平臺得以受重用的特色之一。也有人稱它為automated vMotion，因為它能讓VM不停機遷移可自動進行，若系統偵測到既有ESXi主機端的負載工作量太大，或是遇到預定的停機維護作業期間，可將VM自動遷移到叢集內其他臺（性能較有餘裕的）ESXi主機。而有了這項技術，也使得VM應用具有自動調節、均衡主機工作負載的能力。

之後，VMware在每次改版時，又陸續添加了針對儲存設備檔案即時移轉的Storage vMotion，以及可藉此均衡使用儲存設備資源的Storage DRS，前者可協助VM將原本存放在一臺共用儲存設備的虛擬磁碟檔案，即時轉移到另一臺共用儲存設備，後者則是基於這種不停機的轉移，做到儲存空間與I/O負載的整併或均分。

到了vSphere 5.1，VMware又特別加入了新的Enhanced vMotion，讓vMotion可以拓展到缺乏預算而無法建置共用儲存設備的多主機環境上，也有人稱之為vMotion without share storage。無獨有偶，想要迅速趕上虛擬化浪頭的微軟，也在同一年推出的Windows Server 2012 Hyper-V，提供了類似的功能，稱之為無共用儲存式的即時移轉（Shared Nothing Live Migration），巧合的是，雙方在推出這部分功能的想法和時機，居然都相當接近。

vMotion歷經10多年的功能演進，為VMware開創新願景

2013年開始推的vMotion，是VMware虛擬化平臺的關鍵技術，有了它，VM不只是在一臺臺ESXi伺服器上運作，而是可以依照管理者需求，任意搬移到叢集內的其他ESXi主機，如此能夠使虛擬化應用的整體成效，發揮到更高的層次。隨著vSphere功能的演進，近年來的VMware每一次改版，都持續提升vMotion的能耐，例如，5.1版支援不需共用儲存也可vMotion，5.5版開始為提升遠距離vMotion能力做準備，6.0版之後，將支援更多模式，以適應大型資料中心、混合雲服務整合的應用需求。（圖片來源／VMworld）

在長距離vMotion技術上，取得了關鍵技術的進展

在這之後，vSphere 5.5又有新突破，其中一項，是使vMotion的功能擴大，支援儲存大廠EMC的VPLEX Metro儲存虛擬化異地叢集方案，讓分散在兩地的資料中心ESXi主機叢集能夠運用這個環境提供的分散式虛擬Volume，以及主機叢集之間互連的私有GbE網路、VPLEX叢集之間互連的光纖通道網路，藉此做到遠距離的VM線上遷移作業。

另一項跟長距離vMotion有關的進展，是改良了vShere在IPv6網路環境上執行各種傳輸相關作業的效能。

在vSphere 5.1版時，VMware新增了三項提高網路存取效能的機制，包括TCP Checksum Offload、Software Large Receive Offload，以及Zero-Copy Receive，基於這些新技術，vSphere即可將TCP封包同位元檢查，卸載到實體網路卡；也可將匯聚多個封包為一的減量工作，交由vSphere的網路堆疊處理；以及提供直接處理一些封包訊框（packet frame）的能力，節省資源與時間，而不需白白拐一圈，將非必要處理的封包，複製到vSphere網路堆疊的記憶體空間。

但這些特色當時僅能針對IPv4網路的應用發揮效果，若在IPv6環境執行vMotion、NFS、Fault Tolerance等功能，就無法受惠，所拿到的頻寬也相對較少。到了5.5版之後，這些功能對IPv6的支援已經納入，而在VMware公布的實驗數據當中，若在兩臺ESXi 5.5主機之間，各自搭配4個10GbE的網路介面，取得40Gb/s頻寬的情況下，不論是用IPv4或IPv6網路通訊協定，皆可獲得相當高且彼此接近的吞吐量（IPv4是37.09Gb/s，IPv6是36.04Gb/s）

終於實現長距離vMotion，並開始允許跨資料中心的vMotion

然而，上述這些已經是正式推出一段時間的功能，接下來，vSphere 6還能做什麼呢？有了這些技術和持續改良打好基礎，VMware即將推出的，是基於vSphere自己的長距離vMotion方案──Long Distance vMotion。

簡而言之，VMware希望新版vSphere裡面的vMotion，能夠支援封包來回時間長達100毫秒（100ms RTTs）的運作模式。如果真能做到，vMotion有了較長的延遲忍受時間，就有機會做到長距離的VM不停機遷移，若以美國境內為例，想要做到跨州、甚至跨東西兩岸的vMotion，都是有可能做到的。

VMware規畫混合雲架構下的vMotion運作方式

有了長距離vMotion（LD vMotion）的執行能力，在VMware的理想當中，企業資料中心能將所屬的VM，任意即時遷移到在VMware營運的IaaS混合雲服務vCHS（VMware vCloud Hybrid Service，2014年下半已改名為vCloud Air）。在這架構下，使用者帳號可跨越不同的單一登入網域；vMotion本身的協定標準當中，也將支援多租戶使用模式；此外，VMware也將提供可基於VM層級的EVC模式（Enhanced vMotion Compatibility），來隱藏VM原本所用的各種CPU。（圖片來源／VMworld）

長距離vMotion的簡單示意圖

vMotion在VMware接下來推出的vSphere新版中，預計支援VM遠距離即時容錯移轉的機制，作業時間預計將延長至100毫秒，VMware希望這項技術能做到跨州、甚至跨國的不停機搬遷，讓工作負載的承擔，不只是局限在本地的資料中心，而是能夠聯合位於遠距、異地站點的資料中心，一起協力運作。（圖片來源／VMworld）

就VMware本身的想法而言，他們希望藉此再一次擴增VM轉移作業的彈性，並且支援各種應用模式。例如；一旦發生突發事故，還有一點時間可以作業的情況下，管理者可啟動預防性的系統遷移，這樣一來，等於在既有的A/A或A/S模式的HA高可用性、容錯機制，以及異地備援之外，維持系統可靠度能有更多選擇。

這項特色也可以搭配VMware自己的Site Recovery Manager（SRM）方案，進行災難預防演練，或者實現多站點負載平衡（Multi-site load balancing），甚至可配合跨國公司的業務模式，提供日不落式的（Follow the sun）全天候應用系統服務（應用系統的VM可透過這種方式、搭配自動或排程設定，全球跑透透）。

對於長距離vMotion，我們也請教與VMware關係相當緊密的EMC，他們提出了一些相當具參考價值的觀點。

vMotion現在從原有的10ms RTT限制，放寬到100+ms RTT，讓遠距離跨資料中心的vMotion成為可能，EMC認為，需注意下列幾件事：首先是，遠距離下的vMotion將VM記憶體透過網路複製所需的頻寬和時間；其次，原始端和目的端VM網路環境之間，仍然需要透過Layer 2網路傳輸，以現有的資訊研判，每一個vMotion的作業需要250 Mbps的頻寬，雖然vMotion可使用路由式網路環境（Routed Network），但在VM（Guest OS）這一層，還是需要Layer 2網路連線能力。

最後，則是VM原本所用的IP位址，在目的端必須是可用的，這樣才能確保遷移過去之後，VM的網路仍能繼續正常運作。

而對於長距離vMotion未來可衍生的應用形式，EMC認為，這除了可以支援遠距離跨資料中心的維運管理外，另外一個可能的用途，就是能將VM線上搬遷到vSphere-based的公有雲，例如VMware自家的vCloud Air，就現有資料來看，若要這麼做，。他們研判屆時應該可以做到移入（Move Onto），但是還不確定是否可以做到線上簽出（Online Check-out）。

除了長距離vMotion，vSphere新版對於這類型應用還提出兩個突破性的特色：跨多臺vCenter Server的vMotion，以及跨多臺vSwitch的vMotion。

前者是讓VM能夠跨越本身所在的vCenter Server、資料中心物件與資料夾物件，即時遷移到另一臺vCenter Server上。後者則是讓VM在不同的虛擬交換器環境之間，都能夠進行即時遷移。

持續多年（版本）以來，每臺VM若要進行vMotion搬遷，範圍通常無法超出每臺vCenter Server之外。而且，雖然vCenter Server之內，可建立多個DataCenter物件，但是想要跨不同DataCenter執行vMotion，也是不被VMware所允許的。

但現在可能是由於資料中心對於虛擬化應用程度越來越高，所架設的VM數量激增，為了管理的便利性、甚至是整體使用規模已經大到一定程度，使得企業本身需同時架設與管理多臺vCenter Server，為了讓資源更有效調配、運用，所以這種跨管理伺服器、跨資料中心的vMotion需求，也隨之大增。

類似的情況則是發生在虛擬網路的配置。vMotion再怎麼搬VM，也無法超出一臺虛擬交換器之外，然而，也是因為資料中心虛擬化環境日益複雜，你可能擁有多臺虛擬交換器，為了增加VM或主機的資源調度彈性，有可能會需要即時遷移到其他臺虛擬交換器所在的網路範圍。於是，跨vSwitch的vMotion需求，也逐漸浮現。

對此，EMC表示，這讓vMotion的網路需求，由原本要求的Layer 2網路降至路由式網路，而且，他們認為，相關的改進，主要是為了突破單一vCenter Server的限制，避免單一vCenter Server架構的風險，預防這裡故障就會導致系統全面癱瘓（Single Failure Domain），並且降低對網路架構的需求，使跨資料中心的vMotion更為可行。

不論是哪一版的vSphere，vMotion都是屬於Hypervisor層的功能，然而一個完整的vMotion所涵蓋的範圍，不僅僅是VM的處理器和記憶體的動態線上遷移，VMs所使用的資料，尤其是存放在外接儲存設備上的資料的動態遷移，也是相當重要的課題。而EMC認為，他們的VPLEX Active-Active Datacenters方案，能與vMotion相輔相成，因此，vSphere 6的長距離vMotion，並不會和VPLEX產生競爭──透過在Local或Metro環境下Active-Active Storage的功能，確保跨資料中心儲存設備資料的一致性和立即可用性，遠端資料中心的外接式磁碟陣列上的資料，可以與本地端設備同步，vMotion只需將VM映像透過vMotion 網路傳送至遠端，之後，即可完成作業。

相對地，EMC認為，有了這樣的架構，也會讓長距離vMotion的運作機制更快更好。如果沒有這種機制，vMotion須等待原始VM所使用的資料在遠端資料中心複製完成，才能進行，而且，這會造成在vMotion期間頻寬需求增加，搬遷時間也會隨之增長。

vSphere 6：可橫跨不同vCenter的vMotion架構

vSphere新版所提供的vMotion模式當中，包含了可跨越不同vCenter Server、vSwitch、長距離與路由式網路的vMotion，以因應更大規模的資料中心應用需求。

具有跨越vCenter能力之後的vMotion，等於讓管理者能夠做到同時變更運算、儲存、網路、管理的能力──以往管理伺服器若要停機維修、更換硬體，甚至發生故障，所屬範圍內的VM也等於跟著停擺。而有了這樣的功能後，就算是搭配伺服器本機儲存的vMotion，也能支援更遠距離的遷移。（圖片來源／EMC）

vSphere 5.5：vMotion搭配EMC VPLEX Metro的架構

vSphere 5.5推出之際，VMware讓vMotion發展出支援EMC VPLEX兩地資料中心同步運作的方案，當中的關鍵技術除了vSphere的vMotion，讓VM能在兩地的ESXi主機叢集之間搬移，還搭配了EMC的VPLEX Metro，當中包含分散式虛擬Volume、叢集主機與光纖網路。

要建置這樣的環境，需滿足一些條件：例如IP網路的頻寬，至少要提供到622Mbps，ESXi伺服器之間的傳輸延遲需低於5毫秒。（圖片來源／VMware知識庫）

VM搭配Virtual Volumes後的儲存陣列遠端複製架構差異

當vSphere啟動VMware所發展的儲存虛擬化機制Virtual Volumes，之後，儲存系統執行遠端複製的目標會跟著改變──原本VMDK檔是位在LUNs上，然後，儲存系統再將LUNs複製到遠端；現在改為複製VMDK映像檔，因為vSphere會將VMDK直接放在儲存系統上，而儲存系統再將VMDK映像檔複製到遠端，而且，在這樣的新架構下，vMotion還是能夠進行。（圖片來源／VMworld）

相關報導請參考「VMware vSphere 6 2015新版功能大預覽」