Gestion de la mémoire sous VMware ESX

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1 Gestion de la mémoire sous VMware ESX 1. Introduction Le partage de ressources offert par la virtualisation apporte des avantages par rapport à des architectures traditionnelles. Cela permet d avoir plus de mémoire dans les machines virtuelles configurées qu il n y a de mémoire physique et cela sans dégradation de performance. Ceci est appelé Memory overcommitment (ou en français de la sur allocation de mémoire). VMware utilise des techniques très sophistiquées pour gérer la mémoire et il est indispensable de connaître ces concepts pour pouvoir optimiser son infrastructure virtuelle. Nous allons les expliquer dans ce chapitre, comment en optimiser les ressources et quelles sont les bonnes pratiques en environnement de production. En premier, il est important de définir certains termes utilisés : Le terme RAM est la mémoire physique installée dans le serveur physique. L environnement traditionnel est un serveur physique sur lequel est installé un seul système d exploitation sans hyperviseur. Pour des raisons de compréhension, dans tous les exemples qui suivent, la quantité de mémoire ne tient pas compte de la mémoire utilisée par VMware (appelé overhead) pour ses propres besoins. 2. Gestion de la mémoire a. En environnement traditionnel En environnement traditionnel, le système d exploitation voit la totalité de la mémoire physique. Les systèmes d exploitation actuels (notamment Microsoft) s efforcent de remplir la totalité de la mémoire même s ils n en ont pas besoin. Dans un environnement traditionnel, cela ne pose aucun problème car un seul système d exploitation utilise cette mémoire. L OS remplit au maximum la RAM au démarrage, celle ci étant divisée en pages de 4 Ko

2 b. En environnement virtuel La couche de virtualisation masque les ressources physiques du serveur et la RAM et propose à la machine virtuelle une taille de mémoire différente de ce qu elle est en réalité. Cette taille de mémoire est configurée à la création de la VM. L exemple suivant montre deux VM configurées chacune avec 1 Go de mémoire. Grâce à l hyperviseur, il est possible d adapter la quantité de mémoire en fonction des besoins. Cela permet une gestion fine et optimisée de la mémoire. Exemple de configuration d une VM avec 2 Go de mémoire

3 Le système d exploitation pourra travailler avec cette mémoire configurée. Sous vsphere 4 il est possible de modifier la mémoire configurée lorsque la VM est en fonctionnement mais le système d exploitation ne verra la modification qu après un redémarrage. 3. La sur allocation de mémoire VMware ESX supporte du Memory overcommitment qui peut être traduit par sur allocation de mémoire ou surdimensionnement de mémoire. Définition : la sur allocation de mémoire consiste à avoir plus de mémoire dans les machines virtuelles configurées en fonctionnement qu il n y a de mémoire physique dans le serveur. Cela permet d atteindre un haut niveau de consolidation des serveurs en exploitant les avantages offerts par le partage de ressources physiques. Par exemple, il est possible d avoir huit machines virtuelles configurées chacune avec 1 Go de mémoire sur un serveur ne contenant que 4 Go de RAM physique. Ceci est réalisé sans dégradation de performance

4 4. ESX et l overcommitment Lorsque la sur allocation de mémoire est employée, ESX utilise des techniques particulières pour récupérer de l espace mémoire d une ou plusieurs VM. Ces techniques sont les suivantes : le Transparent Page Sharing, le Ballooning et le Swap. a. Transparent Page Sharing Les VM partageant la même mémoire RAM ; lorsque des OS sont de même nature, il est fort probable que certaines pages mémoires soient identiques. L idée du Transparent Page Sharing est simple : pourquoi copier deux fois la mémoire si les pages sont identiques? Cela est inutile et cela gâche la mémoire. Le TPS supprime donc les pages mémoires qui sont redondantes. Le processus de Transparent Page Sharing : scanne la mémoire ; s il trouve des pages identiques, il garde une copie et fait pointer les VM qui utilisent cette page vers la copie ; libère la page en double. Ceci est complètement transparent pour l OS (d où le nom de Transparent Page Sharing) qui n a pas conscience de partager une page mémoire avec d autres VM

5 Sans Transparent Page Sharing, toutes les pages mémoires des VM occupent un espace en RAM. Avec TPS, les pages mémoires identiques n occupent qu une seule fois l espace en RAM. Exemple : Imaginons 10 VM avec une mémoire de 1 Go créés à partir d un même Template. Après le démarrage de ces VM les pages mémoires seront identiques. Sans TPS l espace occupé par les 10 VM serait de 10 * 1Go = 10 Go. Avec TPS l espace occupé sera de 1 Go : soit une économie réalisée de 9 Go. Cette technique permet de faire des gains considérables en espace mémoire. Conseil : il est judicieux de créer des VM à partir d un Template et de regrouper sur un serveur physique les VM qui proviennent du même Template, cela permettra d exploiter au mieux le Transparent Page Sharing. L utilisation de pointeur sur une même page physique est complètement transparente pour l OS. La commande esxtop permet d analyser et de déterminer la quantité de mémoire partagée. Connectez vous sur le service console. Tapez : esxtop Puis appuyez sur la touche m. La ligne Pshare (6 ème ligne) permet de connaître les valeurs de TPS. Dans ce serveur un total de 8,168 Go (shared) est identique entre les VM. En utilisant le Transparent Page Sharing, ESX a besoin uniquement de 576 Mo (common) pour gérer 8,168 Go donc nous économisons avec TPS 7,592 Go (saving). Nous voyons tout l intérêt dans ce cas de l utilisation de TPS. Dans cet exemple l économie réalisée est excellente. Nous constatons qu il reste plus de 7 Go disponibles pour d autres - 5 -

6 VM. b. Ballooning Définition : le ballooning est le fait de prendre de la mémoire disponible à une VM pour la donner à une VM qui en a besoin. À noter que cette technique n est pas utilisée dans le cas où il n y a pas de sur allocation de mémoire. Le ballooning part du principe suivant : en environnement de production seul un pourcentage de la mémoire est utilisé intensivement : c est la mémoire active. Le reste de la mémoire est très peu utilisé voire pas du tout. Comme la mémoire est partagée, il est donc possible de récupérer cette mémoire inactive pour la rendre disponible pour les autres VM. VMware tire profit de cette mémoire inutilisée grâce au ballooning. Un système d exploitation charge au maximum la mémoire dont il dispose et cela même si le système n en a pas l utilité. Dans l exemple ci dessus, la mémoire est configurée avec 1 Go. Il n y a que 25 % de la mémoire qui est active. Le reste de la mémoire a été chargé au démarrage et consomme de la mémoire inutilement. La mémoire active est indispensable au bon fonctionnement du système. La mémoire inactive (idle) ne sert à rien, il est possible de la libérer. En environnement traditionnel, il n y a pas de récupération de cette mémoire inutile mais en environnement de partage de ressources cette mémoire inutilisée peut être récupérée et mise à disposition pour les autres VM, c est ce que fait le ballooning. Comment cela fonctionne t il? Lorsqu on installe les VMware Tools (cf. chapitre Configuration) un balloon driver (vmmemctl) est chargé dans la VM. Ce driver n a aucune interface avec l extérieur et communique directement avec ESX grâce à une communication privée. Quand le serveur ESX souhaite récupérer de la mémoire, il donne l instruction au driver de "gonfler" (comme un ballon d où le nom de ballooning) ce qui a pour conséquence d exercer une pression au niveau de la mémoire de la VM. Le Guest OS fait appel à ses propres algorithmes de gestion de la mémoire afin de libérer les pages mémoires les moins utilisées (celles qui sont en mode idle). Cela libère ainsi toute la mémoire inutile et permet à d autres machines d être lancées. Les figures ci dessous détaillent le processus avec 2 Go de RAM dans le serveur

7 Le Balloon driver gonfle. Les pages mémoire les moins utilisées des VM sont libérées. Cela libère également de la mémoire RAM. La mémoire inactive ainsi libérée permet à une troisième VM de pouvoir démarrer et de rendre possible la sur allocation de mémoire. Notion de Share Lorsque le ballooning est employé, ESX doit décider de gonfler le balloon driver dans certaines VM pour récupérer de la mémoire. Mais quelle VM va libérer de la mémoire? C est à ce moment qu interviennent les notions de Share. Un share est une notion d importance et permet de définir des priorités entre les VM. Il existe quatre niveaux : low, medium, high ou custom ayant un ratio de 1 :2 :4 et custom. ESX récupère en priorité de la mémoire aux VM ayant un Share niveau bas (low) pour la donner en priorité aux VM ayant des Shares élevés. La mémoire ayant un Share élevé (high) n est récupérée qu en dernier recours. Exemple: - 7 -

8 Soit un serveur ESX avec 4 Go de RAM et deux VM. Les deux VM sont configurées avec 4 Go chacune : VM1 Share high (ratio 4) et VM2 avec Share low (ratio 1). Le calcul de proportion est le suivant : VM1 = 4/5 *4 Go soit 3,2 Go pris sur la RAM VM2 = 1/5 *4 Go soit 800 Mo pris sur la RAM Si on souhaite ajouter une 3 ème VM en niveau high (ratio 4), cela donnerait pour chaque VM : VM1 = 4/9 *4 Go = 1,77 Go VM2 = 1/9 *4 Go = 444 Mo VM3 = 4/9 *4 Go = 1,77 Go Idle Memory tax La limitation importante des shares est qu ils n intègrent pas de critères sur l utilisation de mémoire active. Il est donc probable qu une VM avec des shares en niveau «high» accumule de la mémoire inactive alors qu une VM avec des shares en niveau «low» peut être pénalisée si elle utilise une grande quantité de mémoire active. ESX résout ce problème en introduisant la notion d Idle Memory tax (taxe pour la mémoire inactive). L objectif de cette taxe est simple : récupérer en priorité de la mémoire inutile (celle qui est idle) quel que soit le niveau de share de la VM. Ainsi une page inactive sera taxée alors qu une page active ne le sera pas. Nous ne rentrerons pas dans les détails pour le calcul de mesure de cette mémoire idle. Il faut savoir qu ESX utilise une approche de probabilité sur des échantillons de pages mémoire sans intervenir à l intérieur des systèmes d exploitation des VM. Chaque VM est échantillonnée individuellement selon une période configurable. Par défaut ESX échantillonne 100 pages toutes les 30 s. Par défaut le paramètre idle memory tax est de 75 % ce qui correspond à une récupération maximum de 75 % de la mémoire non utilisée. Exemple : Soit un serveur ESX avec 4 Go de RAM et deux VM. Chaque VM est configurée avec 4 Go de mémoire chacune et un share paramétré en normal. La sur allocation dans ce cas est de 100 %. Imaginons qu une VM a une activité mémoire intensive et l autre pas. VM1 = Active directory avec une mémoire active de 1 Go (3 Go idle) VM2 = SQL avec une mémoire active de 3 Go (1 Go idle) Les shares étant «normal», le calcul de proportion donne 2 Go à chacune des VM. Donc, VM1 possède 1 Go disponible. Idle memory tax autorise l hyperviseur à récupérer jusqu à 75 % de la mémoire inactive de VM1 (en l occurrence 75 % de 1 Go soit 750 Mo). D où avec idle memory tax, VM1 = 1,25 Go et VM2 = 2,75 Go. Il est possible de protéger une VM en interdisant au ballooning de récupérer la mémoire de cette VM. Pour cela, il suffit de configurer la VM avec un niveau de réservation identique à la mémoire configurée. Reportez vous au chapitre Supervision et optimisation de l infrastructure virtuelle pour avoir la définition de la mémoire réservée. c. Swap Au démarrage d une VM, un fichier de swap est créé : vswp. Une VM ne peut être démarrée que s il est possible de créer ce fichier et de le rendre disponible (attention donc à l espace de stockage). ESX utilise ce fichier de swap dans le cas où il y a de la sur allocation et que le balloon driver ne peut pas récupérer - 8 -

9 de la mémoire dans les autres VM. Dans ce cas il utilise le disque comme mémoire. Il est à noter que cette technique ne devrait jamais être employée car impliquant des performances largement dégradées par les accès disques. Le seul mérite de ce fichier de swap est de pouvoir continuer à travailler même si la mémoire devient insuffisante. Pour information, le temps d accès d un disque dur se mesure en ms (millième de s) et celui de la mémoire en ns (1 milliardième de s), soit fois plus lent pour le disque dur. Ce qui signifie que lorsque la mémoire met 1 seconde pour accéder à une information, le disque dur met 11,5 jours ( / (60 s x 60 mn x 24 heures). Les caractéristiques de ce fichier sont les suivantes : L extension est vswp. La taille de ce fichier est équivalente à la taille mémoire configurée moins la réservation (cf. chapitre Supervision et optimisation La mémoire). Ce fichier est placé par défaut dans le même répertoire que le fichier de configuration vmx (paramétrable dans les options avancées de la mémoire). Le fichier est supprimé dès que la VM est éteinte (la suppression peut être interdite). Une VM ne peut pas démarrer s il n y a pas assez d espace de stockage pour créer le fichier. 5. Bonnes pratiques La mémoire est la première ressource à considérer dans le dimensionnement d un serveur. Pour gérer l environnement de façon optimale, il faut raisonner à partir des concepts énoncés précédemment : ceux de la virtualisation. Pour bénéficier d un bon niveau de consolidation, il faut faire de la sur allocation de mémoire. Le principe suivant doit être appliqué : la somme des mémoires configurées dans les VM peut être le double de la mémoire physique RAM dans le serveur. Exemple : un serveur de 32 Go de RAM peut avoir 32 VM configurées chacune avec 2 Go de mémoire (ou 64 VM avec 1 Go de mémoire chacune). Il faut privilégier le Transparent Page Sharing (vérifier les valeurs PShare + saving) qui permet de ne pas dégrader les performances. Pour exploiter au mieux le Transparent Page Sharing, mettre des VM de même nature (Windows ou Linux) sur le même serveur. Il faut également utiliser des Templates pour la création de VM, cela permet d avoir une base commune. Le ballooning peut être utilisé mais dans le cas où ESX utilise cette technique, il faut penser à bien vérifier et surveiller les pics d activités. Le swap doit absolument être évité afin de ne pas dégrader les performances. Il ne faut pas configurer les machines virtuelles avec des valeurs surdimensionnées (car cela prend de la place disque : une VM configurée avec 8 Go créera un fichier de swap de 8 Go) et inversement ne pas les sousdimensionner. Il faut utiliser des outils pour analyser les performances et faire de l analyse prévisionnelle. Ceci vous permettra de connaître la mémoire utilisée, inactive et les pics d activités. Cela vous permettra de maîtriser votre infrastructure virtuelle pour pouvoir l optimiser

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