Introducción
Durante los últimos años el concepto de computación en nube y virtualización ha tomado un gran impulso y la frase se ha popularizado en tecnología informática. Muchas organizaciones han comenzado a implementar estas nuevas tecnologías para reducir más los costos a través de una utilización mejorada de las máquinas y de una reducción del tiempo administrativo y de los costos de infraestructura. La computación en nube es el entorno que permite a los clientes utilizar aplicaciones en Internet, por ejemplo, almacenamiento y protección de datos, mientras que se brinda un servicio.
VCL es una idea de computación en nube que se desarrolló en la North Carolina State University (NCSU) mediante la colaboración de su College of Engineering y la Virtual Computing Initiative (Iniciativa para promover la Computación Virtual) de IBM con el fin de dar respuesta a una creciente cantidad de necesidades computacionales y a los requerimientos de los usuarios para la universidad. Este sistema puede entregar soluciones requeridas por el usuario para una variedad de entornos de servicio a pedido /con reserva, en cualquier momento y lugar.
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Niveles de arquitectura de la computación en nube
Una plataforma de computación en nube abastece, configura y reconfigura de manera dinámica los servidores cuando es necesario. Los servidores de una nube pueden ser máquinas físicas o virtuales. En general, las nubes avanzadas incluyen otros recursos de computación, por ejemplo, redes de área de almacenamiento (SAN), equipo de redes, firewall y otros dispositivos de seguridad. En general, los proveedores de servicios en nube tienden a brindar servicios que en su mayoría se pueden agrupar en tres categorías:
- Infraestructura como servicio
- Plataforma como servicio
- Software como servicio
Estas categorías se agrupan y se explican con la ayuda del VCL en la Figura 1. Lea más detalles sobre los conceptos relacionados con la nube en la sección de Recursos.
Figura 1. Servicios en nube del VCL
1. Infraestructura como servicio (IaaS)
IaaS es la entrega de infraestructura de computadora como servicio. La infraestructura como servicio brinda capacidades de computación y almacenamiento básico como servicios estandarizados en la red. Los servidores, los sistemas de almacenamiento, los switches, los routers y otros sistemas se reservan y habilitan para administrar cargas de trabajo. Las nubes de la IaaS constituyen una manera muy accesible de abastecer de recursos, por ejemplo servidores, conexiones, almacenamiento y herramientas relacionadas, que son necesarias para generar un entorno de aplicaciones a pedido y desde el comienzo.
Los beneficios de la IaaS incluyen el aprovisionamiento veloz y la capacidad de escalar y pagar solamente lo que se usa. Uno de los problemas más difíciles de resolver para una empresa que está comenzando o un negocio pequeño es mantener los gastos de capital bajo control. Al migrar su infraestructura a la nube, usted tiene el aprovisionamiento para escalar como si fuera el dueño de su propio hardware y centro de datos (lo cual no es compatible con un proveedor tradicional de hosting), pero mantiene los gastos iniciales al mínimo.
El VCL entrega distintas infraestructuras en un lugar. Proporciona un entorno de virtualización de la plataforma (internamente, es decir, no una estructura física) a las universidades. Por medio de este entorno, el alumno no necesita configurar ninguna infraestructura física específica para la asignación de su proyecto. El VCL brinda lo siguientes servicios para la infraestructura:
- Compute
- Máquinas físicas
- Máquinas virtuales
- Virtualización a nivel de sistema operativo
- Red
- Almacenamiento
El gestor del VCL suministra la virtualización apropiada (agregación, desagregación) de los recursos disponibles de hardware antes de mapear la imagen solicitada sobre ese hardware. Los servicios del VCL se concentran en controlar el recurso al nivel de la plataforma.
2. Plataforma como servicio (PaaS)
Plataforma como servicio es una plataforma virtualizada que abarca uno o más servidores (virtualizados sobre el conjunto de servidores físicos), sistemas operativos y aplicaciones específicas (por ejemplo, Apache y MySQL para aplicaciones basadas en Internet). En algunos casos, usted puede proporcionar una imagen de una VM que contiene todas las aplicaciones necesarias específicas del usuario. Plataforma como servicio comprende un nivel de software y lo provee como servicio que se puede utilizar para generar servicios de niveles superiores. Existen por lo menos dos perspectivas en la PaaS, según la perspectiva del productor o consumidor de los servicios:
- La personaque produce (En este caso, el VCL)PaaS puede producir una plataforma integrando un SO, middleware, software de aplicación e inclusive un entorno de desarrollo, que luego se brinda como servicio a un cliente.
- La personaque utiliza (usuarios de las universidades)PaaS tiene acceso a un servicio encapsulado que se le presenta por medio de una interfaz. El cliente interactúa solamente con la plataforma por medio de la interfaz y la plataforma hace lo necesario para administrar, escalar y brindar un nivel de servicio determinado. Los dispositivos virtuales se pueden clasificar como instancias de PaaS.
Por medio del VCL, los alumnos no necesitan instalar físicamente ningún servicio, pila de solución o bases de datos específicas en su máquina. Brinda las imágenes a los alumnos y las pueden seleccionar y utilizar en una máquina que se suministra en una nube.
- Servicios
- Pilas de solución
- Almacenamiento
- Bases de datos
- Almacenamiento en archivo
3. Software como servicio (SaaS)
El SaaS es la habilidad de acceder a software como servicio por Internet. Software como servicio tiene una aplicación completa para ofrecer como servicio a pedido. Una instancia única del software se ejecuta en la nube y presta servicio a múltiples usuarios finales u organizaciones clientes. Aquí, el mejor ejemplo de servicio remoto de aplicación es Google Apps, que brinda varias aplicaciones para empresas a través de un navegador Web estándar.
VCL permite cualquier solución de software como servicio, solución de virtualización y solución de servicios de terminal que estén disponibles en la actualidad. VMWare, XEN, MS Virtual Server, Virtuoso y Citrix son ejemplos típicos. VCL también permite cualquiera de las opciones de entrega access/service, que están disponibles desde el acceso de escritorio RDP o VNC, a X-Windows, a un servicio en Internet o similar.
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Modelos de infraestructura de computación en nube
Los arquitectos de la computación en nube necesitan hacer algunas consideraciones sobre los modelos de infraestructura cuando se hace una migración de un modelo de implementación de una aplicación estándar de una empresa a un modelo basado en computación en nube. Existen tres modelos básicos de servicio que se deben considerar en la computación en nube basada en una universidad, que son nubes públicas, privadas e híbridas.
1. Nubes públicas
Las nubes públicas de computación están abiertas a cualquiera que desee registrarse y utilizarlas. Los proveedores ejecutan las nubes públicas y es probable que las aplicaciones que surgen de diferentes clientes se mezclen en los servidores, sistemas de almacenamiento y redes de la nube. Uno de los beneficios de las nubes públicas es que pueden ser mucho más grandes que la nube privada de una compañía y pueden brindar la capacidad de escalar hacia arriba o hacia abajo a pedido, llevando los riesgos de la infraestructura de la empresa al proveedor de la nube.
IBM opera un centro de datos de nubes para sus clientes. Múltiples clientes comparten la misma infraestructura, pero la nube de cada uno es segura y está separada como si se encontrara detrás de su propio firewall.
2. Nubes privadas
La necesidad de diseñar la nube privada proviene básicamente de una organización que necesita más control sobre sus datos del que tiene por medio un servicio alojado por el proveedor. Las nubes privadas se construyen para uso exclusivo de una organización y brindan el máximo control sobre los datos, la seguridad y la calidad del servicio. En general, las nubes privadas se encuentran detrás del firewall de una organización (empresa o universidad) y solamente las personas que estén dentro de esa organización tienen autorización para acceder a la nube y sus recursos.
3. Nubes híbridas
Las nubes híbridas combinan los modelos de nubes públicas y privadas. En este modelo se introduce la complejidad de determinar cómo distribuir las aplicaciones en la nube pública y en la privada. Si los datos son pequeños o la aplicación no tiene estado, una nube híbrida puede resultar mucho mejor que si se deben transferir grandes cantidades de datos a una nube pública para una cantidad pequeña de procesamiento.
El VCL puede funcionar sobre el modelo de nube híbrida. Puede brindar servicios e infraestructura a los alumnos y facultades de una universidad actuando como nube privada. También puede extender este servicio al interior de la universidad utilizando la nube pública. En este caso se necesita una red más segura.
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Nubes de recursos heterogéneos
El propósito fundamental de diseñar nubes heterogéneas en las universidades es disminuir de manera significativa la escalabilidad de la configuración del sistema de clusters a través de la consolidación de cargas de trabajo heterogéneas mientras se incrementa la cantidad de solicitudes de carga paralela de trabajo por medio del aprovisionamiento de la suficiente cantidad de recursos (por ejemplo basados en Globus, Hadoop o Condor). Para organizaciones de gran dimensión, en general, hay distintas utilidades que mantienen sistemas dedicados de cluster para diferentes cargas de trabajo. Por lo tanto, el desafío principal es consolidar cargas de trabajo heterogéneas de la misma organización en la plataforma de computación en nube a través del VCL.
El VCL puede transformar y dar soporte a cualquier tipo de entorno (inclusive, heterogéneo) siempre que haya disponible una imagen con el gestor / administrador de entorno apropiado.
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Arquitectura del VCL de alto nivel
Esta arquitectura del VCL fue creada principalmente para diseñar y configurar un sistema de computación en nube que sirve para misiones educativas y de investigación de la universidad, de manera muy económica y redituable. El VCL entrega una gama de funcionalidades y servicios que se mapean correctamente sobre los requisitos de computación en nube y sus expectativas. Existen pocos componentes principales en la arquitectura del VCL, como se puede ver en la Figura 2. Para obtener más información sobre el VCL y su modelo de trabajo, ver la sección de Recursos.
- Una interfaz de acceso de usuario final (basada en Internet)
- Un administrador de recursos (o gestor del VCL) que incluye un planificador, seguridad, monitoreo del rendimiento, gestión virtual de red, etc.
- Un repositorio de imágenes (o imagen)
- Hardware computacional, de almacenamiento y de red
- Seguridad
Figura 2. Arquitectura física del VCL
Usuario
Para comenzar, el usuario accede al VCL a través de una interfaz de Internet para seleccionar la combinación deseada de aplicaciones desde un menú. Ver la Figura 3. Si no hay disponible una combinación de imagen específica de usuario como Imagen, un usuario autorizado puede tener la flexibilidad de construir su propia imagen desde los componentes de la biblioteca del VCL. Luego, el software del gestor del VCL mapea esa solicitud del usuario a las imágenes disponibles de aplicación del software y recursos del hardware (posiblemente heterogéneos) y la programa, ya sea para uso inmediato (a pedido) o para su uso posterior.
Figura 3. Nueva reserva de recursos con la imagen deseada
El modo de acceso a los recursos dependerá de la prestación del servicio. Ver la figura 4. Puede variar desde el tipo de acceso RDP o VNC a un escritorio remoto, a una conexión basada en shh o un acceso X-Win a un servicio Linux, a un acceso basado en Internet y como acceso proxy a un cluster computacional.
Figura 4. Reserva actual y conexión basada en ssh 
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Gestor del VCL
El trabajo típico del gestor del VCL incluye verificar los entornos, administrar las computadoras y las imágenes. El software del gestor del VCL comprende los siguientes productos:
1. IBM xCAT y cargador VM
El Extreme Cluster Administration Toolkit (xCAT) es un conjunto de herramientas, en su mayoría basadas en script, que sirven para generar, configurar, administrar y mantener los clusters de Linux. El VCL usó xCAT para cargar la imagen de metal base solicitada a un servidor blade.
Mientras que el VCL original estaba orientado al metal base, en la actualidad, carga una imagen basada en VMware o una imagen de metal base. El sistema del VCL procesa la solicitud. Si no encuentra un servidor virtual o real disponible con la imagen deseada ya cargada, selecciona cualquier servidor disponible que cumpla con las especificaciones requeridas para esa imagen, xCAT, o el cargador VM apropiado y carga de manera dinámica la imagen deseada. Aquí, el aprovisionamiento de la máquina física se produjo a través de xCAT y el aprovisionamiento de la máquina virtual se realizó mediante VMware ESXi, VMware ESX Standard server, VMware free server.
Si todos los servidores se encuentran ocupados, la interfaz de Internet informa al alumno sobre los horarios disponibles para usar cuadrícula.
2. Servicio deamon de nivel medio del VCL (vcld)
El núcleo del gestor del VCL es un servicio demon del VCL (vcld) basado en perl que se usa para realizar la implementación y el aprovisionamiento reales. Según el tipo de entorno solicitado – si se trata de una imagen de metal base, una máquina de laboratorio o la imagen de una máquina virtual, vcld asegura que la imagen sea cargada y hace que esté disponible cuando se hagan las solicitudes. Las utilidades comunes de un servicio vcld son:
- Comunicarse entre la interfaz de Internet y la base de datos para obtener los detalles de instalación y procesar reservation/job (reserva/trabajo) asignado por el portal de Internet del VCL
- Iniciar comandos xCAT o VMware para realizar la operación solicitada
- Monitorear el procedimiento de instalación de la imagen e instalar las herramientas de instalación solicitadas en PostScript
- Hacer mantenimiento del procedimiento de implementación y aprovisionamiento de la máquina
- Configurar y administrar la imagen instalada para el uso solicitado
- Mantener el tiempo de configuración e instalación
3. Un servidor de Internet de código abierto (Apache)
La aplicación de Internet basada en PHP (implementada en el servidor de Internet Apache) es el núcleo del VCL y suministra herramientas para solicitar, administrar y gobernar todos los recursos del VCL. La interfaz de Internet permite el acceso a los usuarios autenticados, visualiza una lista de aplicaciones que están autorizados a utilizar y les permite reservar el uso de una aplicación, ya sea de manera inmediata o en el futuro, para una cantidad especificada de tiempo. El límite de tiempo y la duración de la reserva son personalizables y pueden variar según el usuario. Las utilidades importantes que suministra la interfaz de Internet incluyen:
- Image creation (Creación de imágenes) – Esta interfaz permite a los usuarios crear entornos personalizados.
- Image revision control (Control de revisión de imágenes) – Esta interfaz proporciona a los usuarios autorizados la posibilidad de crear revisiones múltiples de la misma imagen.
- Manage users (Administrar usuarios) – Proporciona al usuario el control del privilegio, garantiza a los usuarios distintos niveles de control a través de la interfaz de Internet.
- Manage resource (Administrar recursos) – Esta interfaz proporciona un método para planificar los recursos en el pool.
4. Una base de datos de código abierto (MySQL)
La base de datos MySQL que hace el seguimiento del estado de cada servidor mantiene la información sobre cada imagen e implementa el árbol de privilegios / de autorizaciones.
Imagen
En el VCL, el término Image (imagen) es una pila de software que incorpora las siguientes utilidades:
- Sistema operativo de base y, si se necesita la virtualización para la escalabilidad, habilita un nivel de hipervisor
- Aplicación o Middleware deseado que se ejecuta en el sistema operativo seleccionado
- Solución de acceso del usuario final que es apropiada para el sistema operativo seleccionado
Las imágenes se pueden cargar a un metal de base o a un entorno de sistema operativo/aplicación virtual a elección. Si la combinación de imágenes deseada del usuario no se encuentra disponible, el usuario tiene el privilegio / la autorización de construir las imágenes que elija desde la biblioteca de componentes del VCL. Cuando un usuario tiene derecho a crear una imagen, en general, en general, comienza con un NoApp o una imagen de base (Windows XP o Linux) y la extiende a las aplicaciones.
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Hardware computacional/almacenamiento en la red
La virtualización abstrae el hardware completamente al punto en el que las pilas de software se pueden implementar y volver a implementar sin vincularse a un servidor físico específico. Los servidores del VCL proporcionan un grupo de recursos que se explotan para las necesidades de los usuarios. Los recursos se asignan según las aplicaciones particulares que se deben computar. El recurso de almacenamiento y de red es dinámico y cumple tanto con la carga de trabajo como con las exigencias de los usuarios.
En general, la expresión nubes de computación se complementa con nubes de almacenamiento que suministran almacenamiento virtualizado a través del VCL y así facilitan el almacenamiento de las imágenes de la máquina virtual. En el VCL, el almacenamiento y el hardware computacional pueden ser desde un centro blade hasta una recolección de distintas unidades de escritorio o estaciones de trabajo, hasta el servidor de una empresa o un motor de computación de alto rendimiento.
Una instalación típica del VCL tendrá uno o más chasis del blade, que, en general, será uno de los blades que se designan como el nodo de gestión. Cada blade tiene, por lo menos, dos interfaces de red – una para la red pública y la otra para una red privada que se utiliza para gestionar los blades y cargar imágenes. El almacenamiento se adjunta de manera directa a través de fibra o de la red. Ver la Figura 5 a continuación.
Figura 5. Almacenamiento de la aplicación del VCL
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Seguridad en el VCL
Es difícil definir el concepto de seguridad en el contexto de la nube. El último nivel de medidas de seguridad que se necesita para cualquier sistema distribuido proviene de la autenticación y la autorización de los servicios. El VCL implementó el nivel siguiente de seguridades en su sistema:
- Autenticación basada en LDAP
La autenticación del VCL es un servicio LDAP basado en la afiliación. Sobre la base de la afiliación del usuario, el VCL da soporte a diferentes servicios LDAP para acceso de usuarios por separado. - Autenticación del nivel del entorno
Este modo de autenticación variará según el entorno. En general es determinado por la hora de creación de la imagen. En Windows, se creará una cuenta única de una sola vez en reservation time (hora de la reserva), que finalizará después de ser usada. En un entorno Linux, puede utilizar la infraestructura existente de autenticación o puede utilizar el mecanismo de cuenta de una computadora independiente.
Además de estos modos, si un usuario es autorizado y se le permite hacer una reserva al VCL, VCL bloquea por medio de IP el entorno que se aprovisionó para la dirección IP del usuario final utilizando el firewall de nivel de SO.
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Computación de alto rendimiento y VCL
Existen principalmente dos consecuencias para el nivel de Computación de alto rendimiento (HPC) de la utilización de la máquina en las universidades. En primer lugar, la necesidad de máquinas HPC en las universidades, principalmente para resolver/computar problemas difíciles. En segundo lugar, es muy complicado acomodar los recursos de hardware para incrementar las solicitudes del VCL. El modelo básico de trabajo del VCL en los servicios de HPC es bastante simple. Ver la Figura 6 a continuación. Para aprender más sobre HPC en el VCL y su uso, ver la sección de Recursos.
Figura 6. Modelo básico de HPC en el VCL
Requisitos previos para HPC
- Switch de la red– Una nueva red privada para el tráfico de mensajes, utilizando NIC, que se utilizaría para el acceso del usuario a la red pública.
- Es necesario que configure la Red de Área Local Virtual (VLAN) en un módulo de switch de chasis. Una para acceso público a Internet y una para la mensajería privada que atraviesa la interfaz.
- Nodo gestión del VCL configurado como blade VLAN basado en los metadatos del mensaje.
Método de trabajo
El modelo de trabajo básico de HPC en un VCL se muestra en la Figura 7. Bajo el control de VCL, xCAT carga imágenes computacionales de HPC para dejar libres los nodos blade y el software de control del VCL ajusta las configuraciones de VLAN en los switches de Ethernet del chasis para conectar los servidores a redes privadas de HPC. En un entorno HPC, el VCL suministra acceso público solamente por medio de nodos de inicio de sesión. La imagen maestra del nodo de inicio de sesión incluye componentes del planificador de HPC. En la actualidad, se utiliza Load Sharing Facility (LSF) en el VCL (como computación de plataforma). Cada imagen de cliente de HPC tiene acceso a una gran cantidad de almacenamiento (en terabytes) y a directorios principales de usuario y almacenamiento de copias de seguridad de HPC. Cuando una imagen de HPC se carga, el planificador del gestor del VCL la reconoce y comienza a asignarle trabajo.
Figura 7. Diseño básico del Servidor Blade en HPC del VCL
La integración de HPC en VCL incrementa de manera significativa la utilización de recursos por medio de la reutilización de los servidores blade. Este método permite que se comparta la infraestructura entre solicitudes de usuarios, lo cual conduce a una mayor disponibilidad de recursos.
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Los beneficios de usar el VCL en laboratorios – una solución de nube
Hemos identificado algunas capacidades importantes de la computación en nube del VCL con la ayuda del desempeño del laboratorio del VCL a través de diagramas para explicar los beneficios más destacados. En general, los usuarios de las universidades son los alumnos y el cuerpo docente. Los sistemas de computación en nube que abastecen a esos usuarios dentro del entorno de la universidad deben proveer, por lo menos, las siguientes capacidades:
- Servicios y soporte a una amplia gama de usuarios.
- Una gran cantidad de materiales para cursos y herramientas de soporte académico para instructores, maestros, profesores y otros educadores y personal universitario.
- Servicios y sistemas computacionales a nivel de investigación que sirvan de soporte para la misión de investigación de la universidad.
Cuando se cumplieron estos requisitos, los desafíos más importantes de planear una solución de computación en nube en una institución de educación superior orientada a la investigación incluye los siguientes factores:
- Excelente utilización de los recursos según las diferentes exigencias de los usuarios
- Variedad de los distintos entornos de servicio
- Infraestructura de nube operativa como modelo viable desde el punto de vista económico.
En las universidades, el uso de recursos variará según el calendario académico. La exigencia de recursos aumentará durante la época de fin de año y de las asignaciones. Los proyectos de investigación y otras actividades orientadas a la investigación siguen activas durante todo el año. Por lo tanto, para que un sistema de computación en nube basado en una universidad sea viable desde el punto de vista económico, es necesario que tenga un mecanismo de cronograma apropiado para monitorear la demanda y distribuir los recursos del sistema. El VCL proporciona un buen mecanismo de cronograma para identificar los flujos y reflujos de las actividades del campus.
Aquí, por medio de las observaciones y deducciones del entorno del VCL en las universidades, la conclusión importante que podemos identificar en VCL es que, con la ayuda del escritorio y la utilización de HPC, VCL proporciona la utilización eficiente de la infraestructura computacional en los laboratorios de las universidades. También, la utilización de blades del VCL tanto para los escritorios de HPC como de VCL brinda servicios económicos con un uso óptimo de los recursos.
Por lo tanto, podemos concluir que un VCL es un sistema de código abierto basado en Internet que se utiliza para proveer e intermediar de manera dinámica el acceso remoto a un entorno de computación dedicado para un usuario. La nube del VCL proporciona una excepcional energía de computación a través de una única Solución Abierta de Software y de Hardware para ejecutar y alojar todos los proyectos y programas de aprendizaje de la universidad.
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Reconocimientos
El VCLPaper provee información sobre el uso del VCL en las universidades. Mi agradecimiento a Aaron Peeler, Program Manager y miembro clave del equipo de desarrollo del VCL, por brindarnos soporte para escribir este artículo y ofrecer sugerencias/comentarios sobre el VCL y su modelo de trabajo.
Recursos
Aprender
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Sobre los autores
Jithesh Moothoor es Software Engineer de TXSeries, en IBM. Ha implementado con éxito el Virtual Computing Lab en distintas universidades de la India, como parte del programa IBM University Relation (programa de Relaciones Universitarias de IBM). Entre sus áreas de interés se encuentran la computación de alto rendimiento, la computación en nube y los sistemas UNIX.
Vasvi A Bhatt es Software Engineer de TXSeries, en IBM. Sus áreas de interés incluyen la computación en nube y los sistemas UNIX.
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