Storage Spaces Direct (S2D)

Microsoft и Mellanox задают правила игры на рынке гиперконвергенции

Гиперконвергентные инфраструктуры (HCI) становятся одной из наиболее перспективных технологий для создания частных и гибридных облаков. Идею HCI предложили стартапы, раньше других осознавшие возможность радикальных изменений и успевшие занять лидирующие позиции в этом сегменте рынка. Однако и отраслевые тяжеловесы, как обычно задержавшиеся на старте, но обладающие достаточным научным и техническим потенциалом, делают все возможное, чтобы занять подобающее им положение.

Общая ситуация такова: независимо от того, под каким брендом производится та или иная конкурентная HCI, она состоит из четырех взаимосвязанных компонентов – серверы, СХД, сеть и виртуализация СХД с целью создания общих пулов (Storage Pool). В этом отношении, пожалуй, единственное исключение представляет собой трехкомпонентный подход к образованию HCI на базе Intel Xeon Scalable с чип-сетом Intel C620 и СХД Optane SSD.

Gartner Magic Quadrant 2016

В качестве поставщика HCI за редким исключением выступают компании, обеспечивающие функционал, а именно два первых из перечисленных выше четырех компонентов. Они могут сами производить серверы и/или СХД, или же могут приобретать их, практически не имея собственного производства, то есть быть, как говорят, фаблесс.

Что же касается двух других компонентов (виртуализационное ПО и сетевое оборудование), которые можно назвать системообразующими, то здесь картина совершенно иная. В этих сегментах есть несколько безусловных лидеров и именно они задают правила игры.

Наиболее популярным и с системной точки зрения устанавливающим стандарт де-факто стал дуэт Microsoft и Mellanox. Microsoft предоставляет своё средство для создания пулов хранения Storage Spaces Direct (S2D), входящее в Server 2016, а Mellanox - полный стек сетевых технологий. Этому сочетанию отдают свое предпочтение такие универсальные вендоры как HPE, Dell-EMC, Supermicro и специализирующиеся на HCI, например, dataON.

Пример использования продуктов Microsoft и Mellanox в HCI от компании dataON

Технологии Microsoft

Программно-определяемый подход к СХД (Software-Defined Storage, SDS) и технология виртуализации дискового пространства впервые появились в Windows Server 2012 под именем Storage Spaces. В Windows Server 2016 вошел обновленный и более успешный вариант Storage Spaces Direct (S2D). S2D способен собирать в общие пулы (репозитории) и, как следует из названия, обеспечивать прямой доступ к пространствам на дисках SATA, SAS и NVMe, размещенных внутри серверов.

Суть концепции дисковых пулов состоит в том, что отдельные физические диски сервера объединяются в один или несколько пулов, на базе которых создаются тома с различными уровнями производительности и отказоустойчивости. В одном пуле могут находиться диски, отличающиеся по объёму, производительности и интерфейсу подключения. Виртуальные диски служат логическими томами. Они могут быть:

• простыми (simple) аналогами RAID-0, обеспечивая оптимальное использование емкости дисков. Будучи самыми производительными, они не предполагает никакой отказоустойчивости;
• зеркальными (mirror) аналогами RAID-10 или 1E для нечетного числа дисков. Такой виртуальный диск защищён от потери одного или двух дисков соответственно;
• с контролем чётности (parity) аналогами RAID-5 и RAID-6 ВД, допуская потерю одного или двух дисков соответственно.

S2D поддерживает:

• двухъярусное хранение данных (Storage tiers), то есть размещение данных на виртуальных дисках Storage Spaces на SSD и HDD. Для этого при создании томов (виртуальных дисков) указывается комбинация объемов SSD и HDD на каждом из ярусов, файл можно привязать к SSD-ярусу для обеспечения гарантированной производительности;
• кэш для записи (write-back cache). Для компенсации низкой HDD производительности часть SSD в пуле используется для кэширования записи, при этом оставшаяся часть ёмкости SSD может быть использована для ярусного хранения.

Количественные характеристики S2D:

• До 240 дисков в одном, пулов может быть несколько.
• До 80-ти дисков в пуле, до 4-х пулов на кластер.
• До 64-х виртуальных дисков в одном пуле.
• Общая емкость пула — до 480 Тб.

S2D реализуется в двух вариантах, по пяти или шестиуровневой модели. На рисунке ниже показана пятиуровневая модель включающая:

• Уровень серверов, связанных по сетевому протоколу прикладного уровня SMB (Server Message Block), служащему для удаленного доступа к файлам, принтерам и другим сетевым ресурсам и для межпроцессного взаимодействия. В первой редакции он назывался Единая файловая система интернета (Common Internet File System, CIFS) и был разработан IBM, Microsoft, Intel и 3Com в 1980-х годах. SMB был реализован через NetBIOS (поверх NBF, IPX/SPX или NetBIOS over TCP/IP) и использовался в сетях MS-NET и LAN Manager для DOS, а также в Windows for Workgroups.
• Шина Software Storage Bus охватывает все серверы, составляющие кластер. При использовании Software Storage Bus каждый сервер может «видеть» все диски на всех серверах в кластере, обеспечивая соединение в сети с полносвязной топологией.
• Пул хранения (Storage pool) — набор физических дисков. В него могут входить диски, отличающиеся по объёму, производительности и интерфейсу подключения.
• ReFS (Resilient file system) – как и SMB, вещь не новая. Эта безотказная файловая система, своими корням уходящая в OS/2 и IBM PS2.
• Локальные дисковые пространства (Storage Spaces) – виртуальные дисковые тома.
• Виртуальные машины. Этот шестой уровень присутствует, если реализуется гиперконвергентный вариант архитектуры. Если же ограничиваются конвергентной архитектурой или, как ее иногда называют дезагрегацией, то используется пять нижних уровней. Выбор между дезагрегацией и гиперконвергенцией определяется требованиями пользователя. Первый вариант предпочтительнее для меньших по масштабам конфигураций, а второй для более крупных.

Стек технологий Storage Spaces Direct

Технологии Mellanox

На технологии Microsoft приходится программная составляющая описанной выше архитектуры, а непосредственно обмен данными обеспечивает Mellanox. Компания располагает необходимым для этого полным стеком технологий. Преимущество Mellanox заключается в том, что предлагаемые этой компанией продукты соответствуют рекомендации Microsoft относительно использования прямого доступа в память RDMA со скоростью передачи данных между узлами кластера не менее 10 Гб/сек.

Локальная технология прямого доступа к памяти Direct Memory Access (DMA), то есть обращения в память без нарушения работы CPU, известна давно. Она широко используется для подключения периферийных устройств. Но с появлением высокоскоростных сетевых технологий сначала открылась возможность для дистанционного прямого доступа RDMA (Remote Direct Memory Access), а затем и RoCE (RDMA over Converged Ethernet), то есть по усовершенствованной сети Converged Enhanced Ethernet (CEE), отличающейся более высокой пропускной способностью и меньшими задержками. Применение RDMA началось с высокопроизводительного компьютинга HPC и распространилось на HCI. TAdviser выпустил новую Карту «Цифровизация ритейла»: 280 разработчиков и поставщиков услуг 14.2 т

Технология реализуется в сетевых контролерах Mellanox, начиная с ConnectX-3 Pro и далее. Новое семейство сетевых карт ConnectX-4 позволяет упростить внедрение RoCE и делает технологию доступной для облачных систем и СХД.

ConnectX-4 Lx EN с пропускной способностью 1/10/25/40/50 Гбит/с спроектирован для решения задач виртуализованных инфраструктур и отличается наивысшей в своем классе производительностью для различных приложений и рынков. В этих адаптерах настоящая аппаратная изоляцию ввода-вывода сочетается с уникальной масштабируемостью и эффективностью. ConnectX-4 Lx EN поддерживает скорости 1, 10, 25, 40 и 50 GbE, обеспечивает задержку менее 1 микросекунды и скорость передачи сообщений 75 млн пакетов в секунду.

Обширный пакет предложений, включающий коммутаторы Mellanox на платформе Open Ethernet, состоит из двух семейств SwitchX-2 и Spectrum. Семейство Open Ethernet включает в себя разнообразное портфолио коммутаторов с форм-фактором 1RU, количеством портов от 12 до 64 и интерфейсами от 1 до 100 Гбит/с, позволяющие спроектировать специализированный центр обработки данных любого размера с любой величиной блокирования. В линейке компании Mellanox присутствуют высокопроизводительные системы коммутаторов с архитектурой Open Ethernet и интерфейсами 10/25/40/50/56/100 Гбит/с, которые обеспечивают максимальную эффективность работы центров обработки данных, решений для облачных вычислений, хранения данных, высокоэффективных вычислений и Web 2.0 в любых масштабах.

Mellanox предлагает широкий выбор кабелей различной длины, пропускной способности и типов носителей. Для физической коммутации HCI используются сертифицированные кабели и трансиверы Mellanox LinkX, они соответствуют всем требованиям стандартов IEEE, а также прошли 100 % испытаний для обеспечения оптимальной целостности сигнала и сквозной производительности. Кабели Mellanox подходят для решений на базе Ethernet, InfiniBand, облачной инфраструктуры и Web 2,0, а также подключений сервер-стоечный коммутатор, сервер-СХД, коммутатор-коммутатор.

Стек технологий Mellanox

Будущее HCI - Microsoft Azure Stack

Azure Stack – это очень мощная заявка Microsoft на место ведущего поставщика решений для гибридных облаков. Предлагаемая стратегия предполагает отказ от самодеятельности при создании собственной платформы и для частных, и гибридных облаков. Вместо этого предлагаются готовые HCI, поставляемые либо самой Microsoft, либо ограниченным кругом партнеров OEM (HPE, Dell, Lenovo и некоторые другие). Такие системы будут полностью совместимы с облаком Microsoft Azure, работающим на RoCE. Для сетей в них будет применяться оборудование от Mellanox, в том числе сетевые адаптеры ConnectX, коммутаторы Spectrum, трансиверы и кабели (медные и оптические) LinkX.

Использование проверенных HCI-решений обеспечивает бесшовное согласование между глобальным облаком Azure и гибридным облаком Azure Stack. А тот факт, что аппаратное обеспечение будет поступать от Microsoft и её партнеров, гарантирует все его необходимые эксплуатационные показатели.

Потенциальный успех Azure Stack дает некоторым наблюдателям говорить о будущих изменениях в гартнеровском квадранте.

Возможные изменения в квадранте Gartner

196

Примечания