Informationsmanagement und Computer Aided Team Herausgegeben von H. Krcmar, München, Deutschland Die Schriftenreihe präsentiert Ergebnisse der betriebswirtschaftlichen Forschung im Themenfeld der Wirtschaftsinformatik. Das Zusammenwirken von Informations- und Kommunikationstechnologien mit Wettbewerb, Organisation und Menschen wird von umfassenden Änderungen gekennzeichnet. Die Schriftenreihe greift diese Fragen auf und stellt neue Erkenntnisse aus Theorie und Praxis sowie anwendungs- orientierte Konzepte und Modelle zur Diskussion. Herausgegeben von Professor Dr. Helmut Krcmar Technische Universität München, Deutschland André Bögelsack Performance und Skalierung von virtualisierten SAP-ERP-Systemen Mit einem Geleitwort von Prof. Dr. Helmut Krcmar RESEARCH André Bögelsack München, Deutschland Dissertation Technische Universität München, 2011 ISBN 978-3-8349-3025-5 ISBN 978-3-8349-6803-6 (eBook) DOI 10.1007/978-3-8349-6803-6 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National- bibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Gabler © Gabler Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden 2012 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zu- stimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Über- setzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Einbandentwurf: KünkelLopka GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Gabler ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.springer-gabler.de Geleitwort Virtualisierung ist eine der wichtigsten Technologien für den effizienten Betrieb eines Re- chenzentrums. Schnelles Reagieren auf notwendige Ressourcenanpassungen lassen sich durch Virtualisierung auf einem einfachen Wege erledigen. Virtualisierung hat sich heute von den sehr großen bis hin zu sehr kleinen Rechenzentren durchgesetzt und besitzt somit eine hohe Relevanz für den IT-Betrieb und den IT-Administrator. Auch der Betrieb von SAP-ERP-Systemen ist in den Unternehmen etabliert. Diese umfassen- den Informationssysteme bilden das Rückgrat der betrieblichen Geschäftsprozesse, da in ih- nen die betrieblichen Prozesse nahezu vollständig abgebildet sind. Solche Informationssyste- me werden für die Unternehmen immer wichtiger – Ausfälle oder eine reduzierte Perfor- mance führen zu einem negativen Einfluss auf den alltäglichen Geschäftsbetrieb. Der kombinierte Betrieb von SAP-ERP-Systemen und Virtualisierung ist daher auf vielen verschiedenen Ebenen des Technologiestacks etabliert und entwickelt sich stetig weiter. Die Vorteile der Virtualisierung, beispielsweise eine neue Flexibilität, gehen aber immer mit ei- nem Nachteil einher: der Einfluss der Virtualisierung auf die Performance der SAP-ERP- Systeme. André Bögelsacks Arbeit zeigt einen detaillierten Vergleich zwischen zwei verschiedenen Virtualisierungslösungen und misst die Einflüsse der Virtualisierungslösungen auf die Per- formance der SAP-ERP-Systeme. Durch den hohen Detaillierungsgrad und die mehr als 10.000 Messergebnisse lassen sich Rückschlüsse in fein-granularer Form ziehen. Interessier- ten IT-Administratoren zeigt die Arbeit den Zachmanntest und erläutert diesen einfach einzu- setzenden Microbenchmark. Darüber hinaus werden Empfehlungen für das Sizing eines SAP- ERP-Systems in virtualisierten Umgebungen hinsichtlich einer zu erwartenden Last aufge- zeigt. Ich wünsche der Arbeit die ihr gebührende weite Verbreitung, da sie einerseits einer praktisch relevanten Fragestellung nachgeht und diese detailliert beantwortet. Andererseits zeigt diese Arbeit einen sehr einfachen, praktisch bereits erprobten, Weg auf, wie SAP-ERP-Systeme auch ohne große Messumgebungen vermessen werden können. Prof. Dr. Helmut Krcmar v Zusammenfassung Ziel: Das Ziel dieser Dissertation ist eine Untersuchung der Auswirkung von Virtualisierung auf die Performance und Skalierung von SAP-ERP-Systemen. Dazu wird ein vergleichender Ansatz genutzt, um auf Basis von Messergebnissen die Auswirkungen quantifizieren zu kön- nen. Ausgehend von mehr als 10.000 Ergebnissen werden a) die Performance und Skalierung von SAP-ERP-Systemen untersucht und b) Guidelines zur möglichen Verbesserung der Per- formance von SAP-ERP-Systemen in virtualisierten Umgebungen aufgestellt. Hierzu fokus- siert die Arbeit auf Operationen des SAP-ERP-Systems im Hauptspeicher. Das Ziel der Ar- beit ist es, die Performance und Skalierung von SAP-ERP-Systemen bei diesen Hauptspei- cheroperationen in virtualisierten Umgebungen zu beschreiben und mit der nativen Perfor- mance in Vergleich zu setzen. Die Arbeit zieht hierzu die Paravirtualisierung mit Xen und eine Container-basierte Lösung mit Sun-Solaris-Zonen heran. Im Vergleich mit den Ergebnis- sen ohne Einsatz einer Virtualisierungslösung kann der Einfluss einer Virtualisierung abgelei- tet werden. Methode: Diese Arbeit basiert auf einem quantitativen Ansatz. Es handelt sich um kontrol- lierte Softwareexperimente, bei denen jeweils ein Faktor verändert und die Auswirkung der Änderung erneut gemessen wird. Zur Messung wird ein synthetischer Micro-Benchmark ver- wendet, welcher Hauptspeicheroperationen durchführt. Auf Basis von 10.000 Messergebnis- sen wird eine Auswertung durch ein selbst entwickeltes, theoretisches Analyseframework durchgeführt und die Ergebnisse zueinander in Relation gesetzt. Auf diese Weise werden Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen verschiedenen Setups der Virtualisierungslö- sung und SAP-ERP-Systemen herausgearbeitet. Resultate: Es ist feststellbar, dass die Performance und Skalierung von SAP-ERP-Systemen in virtualisierten Umgebungen verändert wird. Es lassen sich folgende Aussagen aus den Messergebnissen ableiten: 1) Es existiert eine Reduzierung der Performance durch Virtuali- sierung. Allerdings hängt der Einfluss der Virtualisierung sehr stark von der Lastsituation ab. In Situationen mit einer hohen Last kann Virtualisierung bis zu 30 % Performance kosten, wohingegen in Situationen mit niedriger Arbeitslast nur mit einer Reduzierung von 1 % ge- rechnet werden kann. 2) Die Messergebnisse zeigen einen Unterschied zwischen der Paravir- tualisierung und der Container-basierten Virtualisierung. SAP-ERP-Systeme mit einer Con- tainer-basierten Virtualisierung erzielen in jeder Lastsituation eine bessere Performance als mit Paravirtualisierung. 3) In Situationen mit einer niedrigen Last, kann es zu einem positiven Effekt kommen, wenn eine Container-basierte Virtualisierungslösung verwendet wird. So kann die Performance von SAP-ERP-Systemen in einem Container besser als die native Per- formance sein. Dieser Effekt ist aber nur sehr selten zu beobachten. 4) Die Skalierung von vii SAP-ERP-Systemen ändert sich in virtualisierten Umgebungen. Eine Erhöhung der System- ressourcen resultiert nicht in demselben Anstieg der Performance wie ohne Virtualisierung. Die Arbeit untersucht mögliche Ursachen für eine Reduzierung der Performance und formu- liert auf Basis dieser Untersuchungen Guidelines, die zu einer höheren Performance von vir- tualisierten SAP-ERP-Systemen führen. Auswirkungen auf die Praxis: Die quantitative, vergleichende Untersuchung von komple- xen Softwaresystemen in virtualisierten und nativen Umgebungen ist nicht neu, aber bisher wurde als Testobjekt noch kein SAP-ERP-System genutzt. Die in dieser Arbeit erhobenen Messergebnisse und Relationen zwischen nativem und virtualisiertem Betrieb helfen den Be- treibern von SAP-ERP-Systemen, die Auswirkungen der Virtualisierung besser einzuschät- zen. Dies gilt insbesondere für die Betrachtung der Performance und Skalierung. Bisher gab es eine solche Betrachtung für SAP-ERP-Systeme nicht. Durch die erarbeiteten Guidelines, welche von den Messergebnissen abgeleitet wurden, können die Performance von SAP-ERP- Systemen gesteigert bzw. Hardwareressourcen eingespart werden. Einschränkungen: Die Arbeit fokussiert die Hauptspeicheroperationen eines SAP-ERP- Systems und deckt nicht die Faktoren wie I/O-Operationen oder CPU-Operationen ab. Des Weiteren nutzt die Arbeit einen Workload, welcher grundlegende Hauptspeicheroperationen synthetisch nachbildet. Es handelt sich nicht um einen realweltlichen Workload. Letztlich nutzt die Arbeit den sogenannten ABAP-Stack des SAP-ERP-Systems und klammert den Ja- va-Stack, als einen optionalen Bestandteil eines SAP-ERP-Systems, aus. viii Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis xv(cid:3) Tabellenverzeichnis xvii(cid:3) 1(cid:3) Einleitung 1(cid:3) 1.1(cid:3) Motivation und Problemstellung ................................................................................ 1(cid:3) 1.2(cid:3) Annahmen und Forschungsfragen .............................................................................. 3(cid:3) 1.3(cid:3) Struktur der Arbeit ..................................................................................................... 6(cid:3) 2(cid:3) Grundlagen der Virtualisierung und Architektur von SAP-ERP-Systemen 9(cid:3) 2.1(cid:3) Abstrakte Problemstellung ......................................................................................... 9(cid:3) 2.2(cid:3) Grundlagen der Virtualisierung ................................................................................ 11(cid:3) 2.2.1(cid:3) Motivation zur Nutzung der Virtualisierung ..................................................... 11(cid:3) 2.2.2(cid:3) Geschichte der softwarebasierten Virtualisierung ............................................. 12(cid:3) 2.2.3(cid:3) Begriffsherleitung – VMM und VM ................................................................. 14(cid:3) 2.2.4(cid:3) Arbeitsweise eines VMM .................................................................................. 16(cid:3) 2.2.5(cid:3) Implementierung des VMM – Typ-1 und Typ-2 ............................................... 19(cid:3) 2.2.6(cid:3) Zusammenfassung ............................................................................................. 21(cid:3) 2.3(cid:3) Paravirtualisierung – Xen ......................................................................................... 21(cid:3) 2.3.1(cid:3) Paravirtualisierung ............................................................................................. 21(cid:3) 2.3.2(cid:3) Architektur von Xen .......................................................................................... 23(cid:3) 2.3.3(cid:3) Technische Details zur Realisierung ................................................................. 25(cid:3) 2.3.3.1(cid:3) Control-Transfer ......................................................................................... 25(cid:3) 2.3.3.2(cid:3) Data-Transfer .............................................................................................. 26(cid:3) 2.3.3.3(cid:3) CPU-Scheduling ......................................................................................... 27(cid:3) 2.3.3.4(cid:3) Hauptspeicherverwaltung ........................................................................... 27(cid:3) 2.3.4(cid:3) Zusammenfassung ............................................................................................. 29(cid:3) 2.4(cid:3) Betriebssystemvirtualisierung – Sun-Solaris-Zonen ................................................ 29(cid:3) 2.4.1(cid:3) Container-basierte Virtualisierung .................................................................... 29(cid:3) 2.4.2(cid:3) Überblick über Sun Solaris 10 ........................................................................... 31(cid:3) 2.4.2.1(cid:3) Prozessmodell ............................................................................................. 31(cid:3) ix 2.4.2.2(cid:3) Scheduling-Klassen ..................................................................................... 32(cid:3) 2.4.2.3(cid:3) Virtual-Memory-System und Memory-Management-Unit ......................... 33(cid:3) 2.4.2.4(cid:3) Non-Uniform Memory Architecture ........................................................... 34(cid:3) 2.4.2.5(cid:3) MPO und Locality-Groups ......................................................................... 35(cid:3) 2.4.2.6(cid:3) Prozessplatzierung und Scheduling ............................................................ 36(cid:3) 2.4.2.7(cid:3) Shared-Memory .......................................................................................... 37(cid:3) 2.4.3(cid:3) Zonen und Sun Solaris 10 .................................................................................. 37(cid:3) 2.4.3.1(cid:3) Architektur von Zonen ................................................................................ 37(cid:3) 2.4.3.2(cid:3) Labeling ...................................................................................................... 39(cid:3) 2.4.3.3(cid:3) Prozessmodell innerhalb lokaler Zonen ...................................................... 40(cid:3) 2.4.4(cid:3) Zusammenfassung ............................................................................................. 41(cid:3) 2.5(cid:3) Architektur eines SAP-ERP-Systems basierend auf ABAP .................................... 41(cid:3) 2.5.1(cid:3) Überblick über das SAP-ERP-System ............................................................... 41(cid:3) 2.5.2(cid:3) ABAP-Applikationsserver ................................................................................. 42(cid:3) 2.5.3(cid:3) Interaktion von ABAP-Stack und Betriebssystem ............................................ 44(cid:3) 2.5.4(cid:3) Ausführung von ABAP-Programmen ............................................................... 46(cid:3) 2.5.5(cid:3) Zusammenfassung ............................................................................................. 48(cid:3) 2.6(cid:3) Detaillierte Problemstellung beim Betrieb eines virtualisierten SAP-ERP- Systems .................................................................................................................... 48(cid:3) 2.7(cid:3) Zusammenfassung .................................................................................................... 51(cid:3) 3 Verwandte Forschungsarbeiten 53(cid:3) (cid:3) 3.1(cid:3) Vorgehen .................................................................................................................. 53(cid:3) 3.1.1(cid:3) Überblick ........................................................................................................... 53(cid:3) 3.1.2(cid:3) Datenquellen ...................................................................................................... 54(cid:3) 3.1.3(cid:3) Suchstrategie ...................................................................................................... 55(cid:3) 3.1.4(cid:3) Selektion ............................................................................................................ 56(cid:3) 3.1.5(cid:3) Analyse .............................................................................................................. 56(cid:3) 3.2(cid:3) Performancemessungen in virtualisierten Umgebungen .......................................... 57(cid:3) 3.2.1(cid:3) Kategorie 1 – Forschungsarbeiten mit Xen ....................................................... 57(cid:3) 3.2.1.1(cid:3) Grundlagen von Xen ................................................................................... 57(cid:3) 3.2.1.2(cid:3) Einfluss auf die Performance von Netzwerkoperationen ............................ 59(cid:3) 3.2.1.3(cid:3) Xen mit Intel-VT ......................................................................................... 59(cid:3) 3.2.1.4(cid:3) Performance bei hauptspeicherintensiven Operationen .............................. 60(cid:3) 3.2.1.5(cid:3) Einfluss von Tracing und Lastverteilung in Xen ........................................ 61(cid:3) x