Публикации
Защита высокоскоростного Ethernet WAN, статья
Pure Storage: платформа хранения для клауд эры, статья
Резервное копирование как основной компонент информационной безопасности, статья
Гиперконвергентная система AERODISK vAIR, статья
Big Data Flash – новый сектор AFA, статья
AI – следующая волна компьютеризации, статья
Veritas Access: программно-определяемое хранилище для неструктурированных данных, статья
Brocade Fabric Vision: новые возможности , статья
Cisco: машинное обучение для ИБ, статья
Рынок серверов: первое положительное полугодие после четырех с половиной лет снижения поставок, новость
Toshiba представляет однокорпусные SSD-диски на основе 64-слойной 3D флеш-памяти, новость
 
Обзоры
Все обзоры в Storage News
 
Тематические публикации
Flash-память
Облачные вычисления/сервисы
Специализ. СХД для BI-хранилищ, аналитика "больших данных", интеграция данных
Современные СХД
Информационная безопасность (ИБ), борьба с мошенничеством
Рынки
LSI: карта ускорения флеш-памяти с интерфейсом PCIe может увеличить производительность базы данных на уровне приложения от 5 до 10 раз в средах DAS и SAN

8, ноябрь 2012  — 

Введение

Александр Зейников, представитель компании LSI в России и СНГ

Одна из основных проблем любой сетевой инфраструктуры связана с производительностью: стоит вам только "справиться" с ней в одном месте, как она возникает в другом на уровне данных или приложений – получается какая-то бесконечная игра. В средах ЦОД эта игра на выбывание находится в самой горячей фазе, так как проблемы производительности возникают все чаще ввиду резкого увеличения объема данных и его продолжающегося роста во всем мире.

Некоторые из этих «бутылочных горлышек» всем знакомы: это давно известное всем несоответствие производительности ввода-вывода между серверами и СХД на основе жестких дисков в средах DAS и SAN из-за того, что мощность и скорость микропроцессоров превысила быстродействие СХД. Но с продолжением процессов консолидации и виртуализации серверов и СХД в облачных ЦОД появляются новые проблемы производительности. Это особенно актуально в то время, как все большее количество организаций внедряет облачные архитектуры, чтобы организовывать общий реестр средств хранения, обработки данных и сетевых решений с целью увеличить эффективность архитектуры, оптимизировать использование вычислительных ресурсов, повысить показатели устойчивости и масштабируемости а также снизить издержки.

Повышение эффективности ЦОДа всегда зависит от того, как уравновешивать и оптимизировать эти ресурсы, но, казалось бы, уже отлаженные процессы подверглись сильной трансформации по мере того, как изменяются сети: Ethernet 1 Гбит/с превратился в 10 Гбит/с и развивается в направлении 40 Гбит/с; появились многоядерные быстрые процессоры; активнее используются твердотельные накопители. В то время как виртуализация позволяет повысить степень полезного использования сервера, а, следовательно, и эффективности, она также углубляет конфликт интерактивных ресурсов на уровне оперативной памяти и операций ввода-вывода. Конфликты ресурсов будут углубляться из-за развития использования «больших данных» в средах быстро растущих кластеров из десятков тысяч компьютеров, которые обрабатывают, хранят и контролируют петабайты данных.

Ввиду динамических изменений в средах ЦОД, обеспечение приемлемых уровней производительности становится все более весомой проблемой. Но есть проверенные способы справиться с наиболее частыми проблемами производительности, известными на сегодняшний день; эти способы значительно помогают ИТ-менеджерам в деле упразднения эффекта «бутылочного горлышка» - игре, ставки в которой велики.

Сокращение разрыва в производительности операций ввода-вывода между оперативной памятью и жесткими дисками

Производительность операций ввода-вывода в жестком диске – главная причина снижения производительности в серверах DAS , сетях SAN и массивах NAS . Если уточнить, что процесс ввода-вывода данных в памяти сервера занимает 100 наносекунд, а аналогичный показатель на высокопроизводительном жестком диске составляет 10 миллисекунд – это разница в 100 000 раз, и именно этот фактор влияет на производительность приложений. Время задержки в средах SAN или NAS может быть даже более длительным из-за перегруженности соединений FC ( Fibre Channel ), FCoE или iSCSI .

Проблемы, описанныевыше, за несколько лет еще более усугубились, так как повышение емкости жестких дисков значительно превысило показатели снижения времени задержки за счет увеличения количества оборотов пластин НМЖД. Таким образов, для того, чтобы справиться с лавинообразным ростом объема данных, ИТ-менеджеры должны были добавлять больше накопителей и, следовательно, усугубляли проблему. В результате ограничения производительности некоторых приложений стали зависеть от времени задержки, а не от пропускной способности соединения или производительности IOPS , и эта проблема станет еще более очевидной ввиду роста потребностей в объемах хранения данных (от 50% до 100% в год). Заметьте, что за последние три десятилетия время задержки сократилось только в 30 раз, а пропускная способность сети увеличилась в 3000 раз за тот же период времени. Быстродействие процессора, емкость жестких дисков и объем оперативной памяти также значительно улучшили свои характеристики.

Кэширование контента в память сервера или в сети SAN при помощи устройства кэширования DRAM помогает снизить время задержки и, таким образом, улучшить производительность на уровне приложений. Но так как максимальный объем памяти, используемой в сервере или устройстве кэширования измеряется в гигабайтах, а это во много раз ниже, чем емкость одного жесткого диска (измеряемого в терабайтах), увеличение производительности за счет кэширования зачастую слишком незначительно.

Твердотельные накопителив форме флеш-памяти NAND довольно эффективны для снижения разницы между временем задержки памяти и жесткими дисками. Как с точки зрения времени задержки, так и с точки зрения емкости, флэш-память компенсирует разрыв между кэширование в DRAM и жесткими дисками, как показано на рисунке. Обычно флэш-память была слишком дорогой и сложной во внедрении в существующие архитектуры СХД. Но сегодня, ввиду снижения стоимости флеш-памяти в сочетании с инновационными разработками в области аппаратного и программного обеспечения, упрощающими внедрение этих технологий, выросла привлекательность флеш-накопителей с точки зрения возврата инвестиций.

Флеш-память сокращает разрыв между устройством кэширования DRAM и высокоскоростными жесткими дисками относительно времени задержки и емкости.

Твердотельная память обеспечивает наибольшее увеличение производительности, если карта ускорения кэширования флэш-памяти размещается в самом сервере и подключена к шине PCI - Express . Встроенные или централизованные программные средства кэширования используются для размещения «горячих данных», время доступа к которым составляет 20 микросекунд, то есть в 140 раз быстрее, чем в случае с производительным жестким диском (2800 микросекунд). Некоторые из этих карт поддерживают мультитерабитные хранилища на основе SSD , а новый класс данных решений предлагает интерфейсы для внутреннего подключения флеш-памяти и интерфейсы SAS , комбинируя высокопроизводительные твердотельные накопители и RAID -массивы на основе жестких дисков. Карта ускорения флеш-памяти с интерфейсом PCIe может увеличить производительность базы данных на уровне приложения от 5 до 10 раз в средах DAS и SAN .

Масштабирование сети виртуализированного ЦОД

Среди проблем производительности, стоящих перед виртуализированными ЦОДами в настоящее время, также можно упомянуть уровень управления коммутацией, так как производительность сети в этих точках может падать по мере того, как растет количество виртуальных машин. Нагрузки на уровень управления повышаются по четырем иногда взаимосвязанным причинам.

  • Виртуализация серверов существенно повышает количество функций контроля, особенно при миграции виртуальных машин;
  • Большее количество более крупных северных кластеров, например, для анализа «больших данных», существенно увеличивают поток трафика при коммуникации между узлами;
  • Увеличение количество ядер в процессорах (ввиду потребности упразднить «узкие места» в обработке серверных нагрузок) увеличивает как количество виртуальных машин на сервер, так и размер серверных кластеров; и
  • Сети ЦОД приобретают более плоскую структуру, чтобы принять все эти изменения и сохранить нормальные показатели времени задержки и быстродействия в условиях неизбежного роста.

Эти изменения обуславливают большую нагрузку на уровень управления. Например, во время миграции виртуальных машин, быстрые изменения соединений, сообщения в рамках протокола определения адресов и таблицы маршрутизации могут превысить возможности уровня управления, особенно в крупномасштабных виртуализированных средах. В результате масштабные процессы миграции виртуальных машин зачастую непрактичны из-за излишней нагрузки на уровень управления.

Чтобы обеспечить возможность масштабной миграции виртуальных машин, нужно масштабировать уровень управления либо горизонтально, либо вертикально. При традиционном вертикальном масштабировании существующие решения, обеспечивающие работу уровня управления в сети, дополняются новыми либо более мощными вычислительными решениями, ускорителями или совокупностью этих решений, чтобы масштабировать производительность уровня управления. Дополнительные ресурсы высвобождают циклы ядер ЦПУ для выполнения других задач, за счет чего и достигается повышение общей производительности сети.

Figure2_Control_Plane.jpg
При вертикальном масштабировании существующие сетевые платформы усилены дополнительными или более мощными вычислительными устройствами, чтобы выполнять задачи управления сетью.

Все большее развитие получают архитектуры с возможностями горизонтального масштабирования, где уровень управления отделен от уровня данных и обычно исполняется на стандартных серверах. В некоторых случаях задачи уровня управления разделены на подзадачи, например, обнаружение, распределение и восстановление, которые затем назначаются на различные сервера. Набирающие популярность архитектуры типа SDN (программно определяемая сеть) используют подход на основе горизонтального масштабирования для обеспечения масштабируемости уровня управления. Благодаря таким архитектурам ИТ-менеджеры могут виртуализировать уровень сети и лучше управлять трафиком ЦОДа, обеспечивая при этом его безопасность.

Figure1_Control_Plane.jpg
При горизонтальном масштабировании отделение и распределение уровней управления и данных оптимально для программно определяемых сетей, например, OpenFlow .

Как при горизонтальном, так и при вертикальном масштабировании интеллектуальные многоядерные процессоры для коммуникаций, объединяющие в себе характеристики процессоров общего назначения с специализированными аппаратными ускорителями, выполняющими определенные функции, могут обеспечить заметное повышение производительности уровня управления. Некоторые функции, например, обработка пакетов и управление трафиком, могут полностью исполняться на линейных картах, оснащенных такими специальными коммуникационными процессорами.

Усовершенствования, доступные в ближайшей перспективе, смогут увеличить производительность операций ввода-вывода на серверах и общую производительность сети

Во многих организациях миллисекунды очень много значат, и поэтому требуется обеспечить оченьмалое время отклика. В некоторых случаях, например, в случае трейдинговых фирм, время задержки может стоить миллионы долларов за миллисекунду. Для других компаний, например, интернет-магазинов, каждая миллисекунда задержки может повлиять на уровень удовлетворенности клиентов и конкурентоспособность компании, то есть в конечном итоге напрямую воздействовать на выручку.

По мере того как ЦОДы обрабатывают все больше цифровой информации, СХД на основе быстрой твердотельной памяти будут все активнее использоваться для кэширования серверов хранения и в конфигурациях массивов DAS и SAN . Увеличение номинальной емкости SSD и рост объемов продаж твердотельных накопителей снижает стоимость такого типа памяти в пересчете на гигабайт за счет мер масштабной экономии, а интеллектуальные процессоры флеш-накопителей задействуют сложные механизмы очистки памяти, износостойкости и улучшенной технологии исправления ошибок, увеличивая срок службы SSD .

Более активное использование технологий Ethernet 10 G и 40 G , а также широкое применение технологии SAS 12 Гбит/с также будут способствовать повышению скорости обработки данных. Кроме того увеличения пропускной способности применяемых в настоящее время интерфейсов 6 Гбит/с, новые интерфейсы SAS 12 Гбит/с в совокупности с улучшенной технологией PCIe 3.0, смогут добиться производительности в 1 миллион операций ввода-вывода в секунду.

Конфигурации сетей ЦОД имеют тенденцию к «уплощению», поэтому понадобятся новые формы технологий ускорения и программирования для применения как на уровне управления, так и на уровне данных. Более активное использование аппаратного ускорения для обработки пакетов и управления трафиком позволит добиться определенного уровня производительности при различных нагрузках трафика в более «плоских» сетях, масштабируемых горизонтально или вертикально.

С эффектом «бутылочного горлышка» не покончено

По мере того, как сервера мигрируют на технологию Ethernet 10G , стойки серверов сами станут «узкими местами». Чтобы избежать этого, хранилища на основе твердотельных накопителей будут регулярно передавать данные между серверами на высокой скорости; специализированные интерфейсные карты PCIe обеспечат более быстрое взаимодействие между серверами; и все компоненты внутри стойки с большой степенью вероятности будут реструктуризированы, чтобы оптимизировать производительность и затраты. Так как ЦОДы все больше напоминают частные облака и все активнее используют публичные облачные сервисы при многоарендной гибридной архитектуре облака, уровень коммутации сервисов должен обеспечивать более интеллектуальную классификацию и управление трафиком, чтобы улучшить производительность на уровне приложений и усилить безопасность данных. Ввиду частого использования шифрованного или туннелированного трафика, эти и другие задачи обработки пакетов, требовательные к производительности центрального процессора, должны быть распределены на ускорители для определенного тип задач, чтобы организовать интеллектуальную коммутационную матрицу с распределением нагрузок.

Высокоскоростные коммуникационные процессоры, ускорители, твердотельные накопители и ряд других технологий увеличивают производительность и сокращают время задержки в сетях ЦОД. Они приобретают еще большую значимость, ввиду того, что сети и ЦОДы продолжают бороться с увеличением объема данных, а ИТ-менеджеры стремятся увеличить скорость обработки данных, пытаясь справиться с непрекращающимися потребностями в более быстром доступе к цифровым данным.

Публикации по теме
Центры обработки данных
Современные СХД
Flash-память
 
Новости LSI

© "Storage News" journal, Russia&CIS
Редакция: 115516, Москва, а/я 57; тел./факс - (495) 233-4935;
www.storagenews.ru; info@storagenews.ru.