Публикации   Каталог оборудования   Анализ климата регионов   О проекте AboutDC.ru

Как не метаться от проблемы к проблеме в ЦОД

Опубликовано: 20.12.2012. LSI

Это проклятие любой сетевой инфраструктуры, особенно в случае с ЦОД: стоит вам только справиться с проблемой производительности 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 быстрорастущих 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, описанные выше, 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 накопители в 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 виртуализировнными 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.

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.

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 очень малое 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 10G и 40G, 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.

Комментарии

Ваше имя:

E-mail:  (на сайте не показывается)

Введите код с картинки:      

 

Каталог оборудования

 ИБП   Кондиционеры   Чиллеры 

HYIP (Хайп)

 About HYIP (о хайпах)   HYIP платит   HYIP скам   Обменники   Платёжные системы 

Компании

 DataCenterDynamics   Exsol (Эксол)   HTS   NVisionGroup   Union Group   Uptime Institute   UptimeTechnology   Ай-Теко   АйТи   АМТ-груп   Астерос   Аякс   ВентСпецСтрой   ДатаДом   Крок   Радиус ВИП   Термокул   Техносерв 

Оборудование

 Кондиционирование   Контроль доступа и безопасность   Мониторинг   Пожаротушение   Серверное оборудование   СКС   Фальшпол   Шкафы и стойки   Электроснабжение (ИБП, ДГУ) 

Пресса

 Connect - Мир связи   FOCUS   PC Week   ServerNews   Журнал сетевых решений / LAN   ИКС-Медиа 

Производители

 AEG   Chloride   Conteg   Delta Electronics   Eaton   Emerson Network Power   Green Revolution Cooling   HiRef   Hitec   Lampertz   Lande   LSI   Powerware   RC Group   Rittal   Schneider Electric   Stulz   Uniflair 

Рубрики

 Базовые станции   Интернет вещей   История   Криптовалюты   Мероприятия   Мобильный ЦОД   Обслуживание ЦОД   Опыт ЦОД   Суперкомпьютеры   Терминология   ЦОД в целом