Ausbildung bei inovex: Ein Micro-Rechenzentrum zum Mitnehmen!

Im Rahmen meines IHK-Abschlussprojekts wurde ein Micro-RZ entwickelt, auf dem inovex-Auszubildende in Zukunft praxisnahe Übungen unter realistischen Bedingungen durchführen können. In diesem Blog-Artikel erläutere ich die Architektur.

Vorstellung

Mein Name ist Jonas Moor, ich bin 21 Jahre alt und befinde mich im dritten Lehrjahr meiner Ausbildung bei inovex, wo ich die interne IT seit September 2013 begleite.

Als Teil meiner Abschlussarbeit zum Fachinformatiker für Systemintegration wurde ein Miniaturrechenzentrum aufgebaut, dessen Architektur ich mit diesem Artikel beleuchten möchte. Das Ziel war, einen Test-Cluster für zukünftige Auszubildende bereitzustellen und seine Knoten durch ein Preboot Execution Environment automatisiert installieren zu können.

Hintergrund

Um eine sehr gute Ausbildung zu gewährleisten und dem Fachkräftemangel entgegenzuwirken, sollen Ausbildungsinhalte möglichst strukturiert und effizient vermittelt werden. Bisher werden individuelle virtuelle Maschinen auf der Infrastruktur von inovex für Übungen genutzt – hardwarenahe Übungen sind jedoch auf einer virtuellen Infrastruktur nur schwer durchzuführen.

Auf dem Micro-RZ, das im Rahmen meines Abschlussprojekts entstand, können Auszubildende dagegen Übungen unter realistischen Bedingungen durchführen, ohne dabei den Betrieb von Produktionssystemen zu beeinflussen.

Die folgenden Anforderungen mussten durch das Projekt erfüllt werden:

• Das Micro-RZ soll strukturiert und nachvollziehbar aufgebaut sein.
• Der Aufbau soll möglichst robust sein, um Fehlerquellen vorzubeugen.
• Micro-Computer sollen möglichst einfach auf ihren Ursprungszustand zurücksetzbar sein.
• Das Micro-RZ soll sehr portabel sein.

Planungs- und Beschaffungsphase

Zum Projekt gehört die vollständige und selbständige Umsetzung, welche mit der Planung und Hardwarebeschaffung begann.

Zur Wahl standen Entwicklerboards, Barebone PCs und Mini ITX Boards. Nach Abwägung des Gesamtpreises, Beachtung von Portabilität und weiteren Kriterien (siehe Matrix unten) wurde der „GB-BACE-3150“ Barebone Mini PC ausgewählt.

Entscheidungsmatrix

 

Variante	Formfaktor/Portabilität	Kosten	Komplexität	Stromverbrauch/Leistung	Ergebnis
1 – Micro PCs	3	3	4	3	13
2 – MinnowBoards	4	0	3	4	11
3 – Mini ITX Boards	1	2	1	2	6

Kriterien

• Formfaktor/Portabilität: Wie umfangreich wird der Aufbau, wie transportabel ist das Konstrukt, Gewicht
• Kosten: Gesamtkosten/Verfügbarkeit
• Komplexität: Wie umfangreich ist der Aufbau, z.B Stromversorgung, Montage
• Stromverbrauch/Leistung: Performance per Watt, TDP

Wertung

• 4: hervorragend
• 3: gut
• 2: mittelmäßig
• 1: schlecht
• 0: unpassend

Als Master und Deployer ist ein Raspberry Pi 2 im Einsatz, der als Router und Preboot Execution Environment (PXE) dient. Im Folgenden Bild sind die Bauteile zu sehen:

Die Computer sind mit einem Preis-Leistungsstarken Intel Celeron N3150 ausgestattet. Der Prozessor läuft mit 4 CPU-Kernen und eignet sich besser als gleichwertige Intel-Atom-Varianten, bei gleichem Stromverbrauch und einer deutlich gesteigerten Leistung. Die Computer verfügen über schnelle SSDs und sind über den Management-Netzwerk-Switch D-Link DGS-1100 verbunden.

Durchführungsphase

Auf dem Raspberry läuft das Raspbian Betriebssystem und auf den Knoten wird über Netboot Debian 8 installiert. Dnsmasq fungiert nicht nur als PXE-Server, sondern auch als DHCP- und TFTP- Server. Der Raspberry Pi übernimmt die Funktion des Default Gateway für die drei Knoten.

Für die jede MAC-Adresse eines Knotens wird eine IP-Adresse im DHCP hinterlegt, damit die Systeme später immer unter derselben Adresse erreichbar sind. Über die LAN-Schnittstelle des Raspberry Pi können die Knoten mit der Außenwelt kommunizieren, die per WLAN-Schnittstelle angebunden ist. Der Raspberry fungiert als Router und übersetzt die internen Adressen des Micro-RZ mithilfe von NAT.

Die Konfiguration für PXE findet sich im untersten Abschnitt der Config-Datei. Für den Boot-Prozess wird auf ein Feature im Netzwerkinterface zurückgegriffen, das das Starten von Betriebssystem­-Kernels aus dem Netzwerk erlaubt. Im BIOS ist die LAN-ROM-Funktion aktiv, sodass die Knoten nach einem PXE-Server fragen, wenn sie zuvor eine IP erhalten haben. Anschließend wird die Bootloader-Datei “pxelinux.0“ dem Knoten über TFTP bereitgestellt. Der Bootloader startet den Kernel und damit das Setup. In der Bootloader-Konfiguration “pxelinux.cfg/default“ wird neben dem Kernel auch auch die initiale RAM-Disk angegeben, was ein temporäres Root-Dateisystem darstellt.

Die Informationen für das Installations-Setup sind durch ein Debian Preseed gegeben, dessen Abruf über einen HTTP-Request erfolgt (192.168.99.1:80/preseed.cfg). In dieser Datei befindet sich die komplette Systemkonfiguration. Die Netzboot-Installation bezieht System-Pakete von einem Repository-Server. Mit dem Dienst: “apt-cacher-ng“ kann eine perfekte Abbildung eines öffentlichen Repo-Servers erreicht werden, den der Raspberry Pi dann lokal anbietet. Eine Neuinstallation oder das Zurücksetzen eines Knotens ist so innerhalb von 6 Minuten erledigt und das Betriebssystem über SSH erreichbar.

Highlights

Die Computer mussten einen Burn-In-Test absolvieren, um Zuverlässigkeit und Belastbarkeit zu prüfen. Das folgende Bild zeigt Memtest86, das auf jedem Knoten über das PXE-Bootmenü gestartet wurde:

Vorzüge:

• Sehr einfache und schnelle Provisionierung von Knoten.
• Das Micro-RZ ist sehr portabel und die Komponenten sind einfach abnehmbar.
• Auszubildende können beliebige Betriebssysteme hinzufügen und beliebige Software auf den Knoten testen.
• Das Micro-RZ kann einfach mit einem beliebigen WLAN verbunden werden.

Einschränkungen:

• Der Raspberry Pi als Router verfügt nur über eine physikalische Ethernet-Schnittstelle.
• Die Gigabyte-Barebones sind nur maximal mit 1,3V 1600MHz Arbeitsspeicher betreibbar.

Herausforderungen

Vor Projektbeginn stand die Idee im Raum, Entwickler-Boards einzusetzen. Nach Überprüfung der Verfügbarkeit und der Eigenschaften schlossen wir diese aus, da sie die Hardware-Auswahl weit umfangreicher gemacht hätten als geplant.

Die Auswahl des Datenspeichers erwies sich auch als langwierig und komplex. Da SD-Karten eine schwankende Leistung haben, die SD-Slots der PCs nicht bootfähig und auch USB Sticks nicht optimal waren, fiel die Wahl auf SSDs als sinnvolle Lösung. Die anfänglich dürftige Installationsgeschwindigkeit konnte durch den Einsatz des “apt-cacher­-ng“-Dienstes behoben werden.

Ergebnis

Zusammenfassend konnte das Projekt sehr zufriedenstellend und ohne größere Probleme abgeschlossen werden. Anwender:innen können nun eigenständig und ohne die Firmeninfrastruktur zu beeinträchtigen auf unabhängiger Hardware Projekte durchführen. Neben dieser Verbesserung der Arbeitsbedingungen zukünftiger Auszubildender ergaben sich als Mehrwert außerdem das Wissen und die Erfahrungen, die beim Aufbau und der Konfiguration des Micro RZ anfielen.

Ausbildung@inovex

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