Что обуславливает инновации и потребность в переменах
До недавнего времени все дороги вели в ЦОД. С точки зрения снабжения сети, СХД и вычислительных сервисов корпоративный ЦОД был центром критически важного набора функционала по одной простой причине: стоимость снабжения сотен тысяч пользователей полномасштабными, централизованными (а это значит стандартизованными) сервисами была так высока, что управлять такими ресурсами можно было только физически расположив их в одном месте.
Однако сегодня ситуация изменилась. Требования к операционной эффективности, устойчивости бизнес-операций, диверсификации динамических сервисов и конкурентоспособности цены продолжают повышаться. Эти требования обуславливают заинтересованность предприятий в эффективности оборудования, так как важность ЦОДов сейчас высока как никогда.
И хотя роль ЦОДов остается примерно такой же, какой она была всегда, особенности выполнения этой роли быстро меняются. Чтобы удовлетворить требования сегодняшнего дня, дихотомия of sorts приобретает все большую значимость в архитектуре ЦОД и философии ведения операционной деятельности.
С одной стороны, продолжает совершенствоваться конвергенция, которая ведет к развитию того, что многие называют <мега-ЦОД>, т.е. ЦОД, который предоставляет инфраструктуру для вычислительных процессов, хранения данных и коммуникации в полномасштабном размере.
В то же самое время, мы становимся свидетелями роста распределенных и удаленных операций ЦОДа, что обусловлено растущей популярностью и успехом <облачной> модели ЦОД. Эта ситуация поднимает вопрос об интеграции удаленных облачных сервисов в корпоративный ЦОД, которому надо становиться подобным внутреннему или локальному поставщику облачных услуг, что, в свою очередь, создает новые вызовы для предприятий, предоставляющих услуги ЦОД.
Итак, что же обуславливает эволюцию ЦОД?
Основной движущей силой является в большей мере неожиданный, но очень быстрый рост неструктурированных данных и связанный с ним спрос на мультимедиа, что в равной степени оказывает значительное давление на ресурсы для хранения и обработку данных. Вторым фактором является постоянное давление на IT-организации, которым требуется оптимизировать свои бюджеты с учетом операционных издержек, чтобы обеспечивать масштабную экономию ресурсов и операционную эффективность, при этом принимая во внимание ускоряющуюся эволюцию ЦОД. Третьим фактором является все большее распространение оборудования commodity Ethernet-коммутации - ядра архитектуры ЦОД следующего поколения.
Из-за перечисленных факторов ЦОД проходит трехступенчатую эволюцию.
Первая стадия - эволюция подуровня вычислений, включающая в себя виртуализацию серверов и возможность перемещать нагрузку и приложения путем миграции виртуальных машин в реальном времени. По большому счету, фундамент для этой стадии уже заложен.
Вторая стадия - эволюция подуровня хранения данных, что включает в себя глобализацию и виртуализацию ресурсов для хранения данных и функциональная конвергенция сетей хранения данных (storage area networks - SAN) и сетевых хранилищ данных (network-attached storage - NAS). Эта стадия эволюции ЦОД наблюдается в настоящее время. И наконец, третья стадия - эволюция подуровня сети ЦОД.
Если подлинные плюсы этой трехуровневой трансформации будут осмыслены, подуровень сети ЦОД должен модернизироваться в соответствии с переменами, происходящими внутри уровней вычислений и хранения данных. Необходимые перемены, которые должны произойти в сети - тема настоящей статьи.
Главное - в первую очередь: ЦОД следующего поколения
До того, как мы погрузимся в детали развития сред ЦОД, давайте определим точно, что мы понимаем под <ЦОДом следующего поколения>. В сегодняшней сверхконкурентной рыночной среде предприятия постоянно находятся перед задачей снижения операционных и капитальных издержек, внедряя процессы, повышающие эффективность там, где это возможно. На локальном уровне управленцев эти процессы привычны и рутинны, но в среде IT, где ответственность за обеспечение работы общих сервисов в масштабе всей компании - первостепенная организационная задача, такой процесс становится более сложным и комплексным.
Не секрет, что ЦОД находится в центре сферы операционной эффективности IT-организации. Являясь поставщиком основополагающих систем работы предприятия, которые предоставляют доступ к централизованным сервисам, отвечающим за выполнение каждодневных задач, а также за доступ к базам данных, которые придают смысл этим приложениям, ЦОД должен работать на пределе своей эффективности и своих возможностей, чтобы быть критически важным корпоративным ресурсом, каким он был создан.
Эффективный ЦОД потребляет очень много пространства, энергии и требует постоянного охлаждения; таким образом, стоимость самых затратных слагаемых уравнения должна быть максимально снижена, или, по крайней мере, они должны управляться наиболее эффективно. Запросы, предъявляемые обычному ЦОДу, постоянно растут, что делает очень трудным снижение затрат при сохранении качества обслуживания.
Задача следующая: корпоративные ЦОДы должны найти способы увеличить операционную эффективность, емкость хранилищ данных и скорость обработки операций, и все это при более низкой стоимости. В идеале, в этом и состоит роль ЦОДа следующего поколения.
Итак, что же представляет собой ЦОД следующего поколения? Если выразиться проще, это ЦОД, удовлетворяющий всем перечисленным требованиям и предоставляющий базу для роста и расширения, при этом гарантируя долгосрочную эффективность.
Движущие силы
Каковы движущие силы эволюции ЦОДов следующего поколения? Самой значительной является бурный рост неструктурированных данных и спрос на мультимедийный аудио- и видео-контент. Эту тенденцию как нельзя лучше демонстрирует растущая популярность контента, генерируемого пользователями (YouTube , Flickr), и социальных сетей (Facebook , Twitter ).
Посмотрим на цифры. В октябре 2009 года принадлежащий компании Google сервис YouTube объявил о том, что предоставляет 1 миллиард просмотров видеороликов в день посредством огромного, распределенного ЦОДа. Чтобы оценить высказывание, укажем, что это число просмотров составляет 11547 просмотров в секунду, 694444 просмотра в минуту и 41666667 просмотров в час. Фактически, ежедневно каждую минуту YouTube добавляет 20 часов видео к своей и без того обширной базе контента. Логично? Да, и стоит принять во внимание, что этот контент должен быть передан, сохранен и обработан, не говоря о поиске и монетизации видео.
Цифры, иллюстрирующие показатели социальных сетей, также впечатляют - и во многом влияют на развитие ЦОД. Если бы Facebook был страной, это была бы третья по величине страна после Китая и Индии, а за ней на четвертом месте находились бы США; в этой социальной сети зарегистрировано более 500 млн. пользователей. Эти пользователи делятся более чем 30 млрд. единиц контента (ссылки, новостные публикации, блоги, заметки, фотоальбомы и т.п.) каждый месяц. То есть, влияние этого трафика на вычислительные мощности, системы хранения данных и сетевые инфраструктуры очень велико - и это только Facebook!
Второй фактор, обуславливающий эволюцию ЦОД, - растущий спрос на доступность бизнес-аналитики в реальном времени. Растущее количество компаний, среди которых Walmart , Fedex , DELL , Amazon.com и UPS , полагаются на аналитику в реальном времени, чтобы поддерживать постоянную связь между предоставляемыми продуктами и услугами и покупателями.
Третья движущая сила - растущее влияние облачных сервисов. Amazon.com, Google, Microsoft , Sun Microsystems и многие другие компании предлагают Web-ресурсы по запросу, и их использование становится все более популярным. Сервис Amazon Elastic Compute Cloud, также известный как Amazon EC2 , позволяет клиентам арендовать вычислительные мощности по запросу при необходимости использовать компьютерные приложения. Основным преимуществом использования этой модели является то, что вычислительные ресурсы могут внедряться и масштабироваться посредством веб-интерфейса. Клиенты могут добавлять и удалять серверные ресурсы так, как им требуется, оплачивая почасовую аренду. Amazon предоставляет EC2 в качестве одного из нескольких веб-сервисов, продающихся под брендом Amazon Web Services (AWS ). Похожие сервисы предлагают также Google, Microsoft, Sun Microsystems, HP и другие.
Что общего между этими движущими силами? Они представляют собой неотъемлемые силы рынка и его потребностей в эффективных ресурсах. Также они указывают на потребность в технологически развитой сети.
Второстепенные (но не менее важные) факторы
Роль сети в развитии ЦОДов следующего поколения не сводится только к простой потребности в обработке трафика социальных сетей, генерируемого пользователями контента и бизнес-приложений и передаче их по широкополосной сети. Существуют регуляторные, конкурентные и социальные факторы, формирующие базу для эволюции ЦОД.
Регуляторные факторы
Одной из причин того, что ЦОДы проходят через некоторое подобие процесса централизации на фоне процессов распределения, является необходимость отвечать регуляторным нормам передачи данных и управления ими, включая соответствие строгим нормативам стандартов Sarbanes-Oxley и HIPPA. Соответствие регуляторным нормам достигается путем централизации определенных ресурсов серверов и СХД при помощи соединений, которые обеспечивают высокую доступность и исполнение контроля доступа к ресурсам на основе определенных политик.
Фактор конкурентоспособности
ЦОД быстро становится стратегическим активом при достижении конкурентоспособности для различных отраслей, и, принимая во внимание близость эры облачных вычислений, сеть, обеспечивающая работу ЦОДа, становится ключевым элементом в достижении конкурентоспособности. Будь это соперничество Google и Amazon на рынке облачных сервисов, или финансовое учреждение, зависящее от транзакций на бирже NYSE , сеть ЦОД уже играет огромную роль в определении победителя в этой большой игре. Эти факторы обуславливают рост спроса на высокопроизводительные, мощные, экономически эффективные сети, которые обеспечивают консолидацию ресурсов, виртуализацию серверов и СХД, а также упрощение и масштабируемость управления ресурсами ЦОДа.
Экологическая ответственность
Сегодняшние реалии отрасли отрезвляют. В 2006 году серверы и ЦОДы США потребляли около 1,5% энергозатрат всего государства, а к концу 2011 года этот показатель должен удвоиться, при этом затраты на энергоснабжение ЦОДов составят до 7,4 млрд. долларов. Эти показатели весьма занижены, потому что мы не учитываем неэффективность работы большинства ЦОДов. Процент использования энергии серверами в ЦОДах составляет 3%, что означает, что 97%оборудования, которое охлаждается, использует электропитание и занимает место, находится в спящем режиме - этот показатель ещё нужно умножить на количество устройств в среде.
Такой уровень потребления энергии обусловлен огромным количеством неэффективного или используемого впустую оборудования, чего можно избежать, используя философию ЦОДа следующего поколения.
Тенденция использования экологичных технологий позволяет предприятиям сконцентрироваться на консолидации устройств, виртуализации ЦОД и автоматизации процессов. Также это обуславливает необходимость изучения других аспектов физических устройств: коммутаторов, кабелей, устройств обеспечения безопасности, энергоснабжения, охлаждения и других элементов для обеспечения эффективной работы ЦОДа.
Принимая во внимание сочетание таких немалозначимых факторов, как быстрорастущий спрос на данные, быстрое развитие технологий, поиск более экологичных подходов к организации ЦОДов, а также доступность экономически привлекательных решений, ЦОД следующего поколения становится реальной альтернативой существующим.
ЦОД следующего поколения - часть 2
Где ЦОД сейчас и что с ним будет завтра
В части первой настоящей статьи мы разобрали рыночные факторы, определяющие эволюцию ЦОДов следующего поколения. В этой статье мы более подробно осветим особенности архитектуры, необходимой для построения новых ЦОДов, чтобы они были основаны на <единой, упрощенной и экологичной структуре>.
Оптимизация подуровня сети
Когда ЦОДы были впервые внедрены в типичном предприятии, смысл их существования сводился к обеспечению доступа большого количества конечных пользователей к относительно малому количеству общеизвестных централизованных приложений. Эти приложения включали в себя корпоративную электронную почту, ввод данных для учета, поддержку записи, отслеживание технических неполадок у клиентов, контроль за инвентаризацией и др. У этих приложений было две точки соприкосновения: они все основывались на примитивной модели взаимодействия <команда-ответ>, а данные, с которыми они имели дело были только текстовыми, и, таким образом, не нуждались в высокой пропускной способности сети.
В результате архитектура сети ЦОД была в большей степени примитивной и основывалась на оборудовании Уровня 2 (L2) - коммутации и Уровня 3 (L3) - маршрутизации, и хорошо подходила под базовые требования обычного оператора связи или предприятия. Это строение сети было более чем достаточно для обеспечения работы минимально интерактивных и в большинстве своем текстовых устаревших приложений, типичных для того времени.
Однако, для сегодняшнего трафика, насыщенного мультимедийными данными, эта архитектура становится <бутылочным горлышком> и приводит к низкокачественному и неэффективному использованию доступных транспортных сетей и коммутационного оборудования. Также это отрицательно влияет на мобильность виртуальных машин - функции, критически важной для обеспечения доступности различных динамически предоставляемых приложений и сервисов. Результатом использования этой далеко не идеальной архитектуры сети становится повышения операционных и капитальных издержек и энергопотребления, что не отвечает принципам построения ЦОДа следующего поколения.
Итак, как будет выглядеть подуровень сети в парадигме ЦОДов следующего поколения?
Единая структура
В наше время типичный сервер, помещенный в стойке ЦОДа, оснащен двумя-тремя прожорливыми в плане энергопотребления адаптерами, соединяющимися в отдельные сегменты структуры сети для обеспечения передачи данных по сети (Ethernet), хранения данных (Fibre Channel) и кластеризации (InfiniBand или проприетарные коннекторы). Требования к соединениям в этих трех сегментах довольно сильно различаются - если сетевое соединение вполне толерантно к потере пакетов или высокой латентности, соединение для хранения данных не может позволить себе потерю пакетов, а соединение для кластеризации обязано обеспечить коммуникацию между процессами с минимальными задержками. Эти разрозненные структуры привели к образованию феномена <расползания сети> , когда десятки тысяч кабелей соединяют тысячи серверов и устройств СХД посредством сотен коммутаторов, маршрутизаторов и устройств. Эти факторы ведут к повышению операционных и капитальных издержек при обеспечении функционирования таких структур.
Развитие 10-гигабитного Ethernet и усилия отрасли в деле добавления расширенных возможностей к Ethernet-протоколу, чтобы удовлетворить потребности соединений СХД и кластеризации, приведут к конвергенции сетевых структур и консолидации их в единой структуре, основанной на Ethernet. Эта структура предоставит легкий доступ к ресурсам хранения и обработки данных, которые она поддерживает. С точки зрения чисто физических ресурсов, эта структура позволит добиться снижения операционных издержек и энергопотребления ввиду консолидации ресурсов, таких, как адаптеры, кабели и коммутаторы, в рамках ЦОДа следующего поколения.
Снижение количества уровней сетевой архитектуры
Сегодняшние ЦОДы построены на основе трехуровневой архитектуры (уровень коммутации - L2, уровень маршрутизации - L3), разработанной для корпоративных и операторских сетей. Это привычное оборудование использует принципы <масштабирования вверх> (увеличение количества физических устройств) и протоколы, которые не позволяют обеспечивать масштабируемость такого уровня, чтобы отвечать растущим потребностям ЦОДов следующего поколения. Проблемы масштабирования протокола контроля сети ведут к неразумному использованию ресурсов сети (соединение, коммутатор, сеть), применению топологий, ограничивающих возможности сети (типа сети VLAN второго уровня и подсети третьего уровня), а также перегруженности жестко иерархических архитектур - все это в совокупности значительно ограничивает мобильность виртуальных машин, а следовательно, и способность перемещать нагрузки и динамически обеспечивать работу приложений. Таким образом, эти проблемы влияют не только на производительность, опуская ее до неприемлемого уровня и энергопотребление, но и на то, как наиболее важные мероприятия по оптимизации работы сети могут использовать выгоды виртуализации вычислений и хранилищ данных.
В течение последних лет мы были свидетелями развития производства коммерческих полупроводниковых технологий для Ethernet-коммутации второго и третьего уровня. В дальнейшем эти решения буду должны отвечать уникальным потребностям ЦОДов следующего поколения и внедрить такие конструктивные улучшения, как балансировка нагрузки при многоадресной передаче данных, активное управление пиковой нагрузкой и сетевые топологии, способные масштабироваться <вширь>, что значительно оптимизирует использование ресурсов на уровнях соединения, коммутации и сети.
Сложность протокола уровня управления сети и проприетарные внедрения должны будут отступить, чтобы дать дорогу новым открытым и масштабируемым протоколам управления, которые могут быть даже отделены от уровня данных. Уровень управления должен иметь возможность масштабироваться до десятков тысяч нодов, позволяя осуществлять простую миграцию виртуальных машин в реальном времени в масштабе всего ЦОДа.
Все эти нововведения в уровне данных и уровне управления позволят создать крупные одноуровневые сетевые архитектуры типа L2 в масштабе всего ЦОДа. Это называется снижения количества уровней сети или <уплощение сети> внутри ЦОДа, что позволяет добиться большей экономичности ЦОДа, полностью перестроив сеть ЦОД.
Распределенные интеллектуальные устройства на границе сети
Как и обычный принцип коммутации L2/L3, различные <интеллектуальные> устройства (устройства балансировки нагрузки, обеспечения безопасности, ускорения работы приложений и т.п.) в ЦОДе также поддерживают архитектуры с масштабированием <вверх> и становятся серьезными преградами в масштабировании сети. Эти устройства <перекрывают кислород> на некоторых участках сети и подавляют возможности миграции виртуальных машин в рамках ЦОДа.
Такие решения (устройства балансировки нагрузки; обеспечения безопасности - аутентификации, шифрования, контроля доступа, предотвращения вторжений; ускорения работы приложений) должны интегрироваться в архитектуру виртуализированного ЦОДа. Они должны поддерживать мобильных пользователей, мобильные виртуальные машины и динамические конфигурации сети. Вместо использования закрытых проприетарных аппаратных внедрений, ЦОДы обратятся к варианту использования этих решений на программном уровне на обычных серверах на границе крупной <уплощенной> сети, что позволит обеспечивать эффективное масштабирование <вширь>.
Энергетически пропорциональные сети
Традиционное сетевое оборудование не было создано для формирования сценариев использования энергии. Для многих лидирующих в отрасли коммутаторов и маршрутизаторов работа на пиковом пределе электроснабжения - не редкость, даже при условии пониженной нагрузки. На уровне сети операторы ЦОДов не имеют должной степени контроля для организации маршрутизации трафика по подсетям, чтобы оптимизировать энергопотребление во время низкой степени использования сервисов ЦОДа.
ЦОДы следующего поколения требуют использования техники организации сети таким образом, чтоб учесть тенденции потребления электроэнергии и пропорционирования энергопотребления на всех уровнях: устройств, напряжения, компонентов, плат, систем, ПО и управления сети. Это позволит добиться существенной экономии электроэнергии и соответствующей экономии в плане охлаждения, а также предоставит операторам ЦОДов контроль над способами оптимизации энергопотребления всего ЦОДа и их подходящим применением при использовании сервисов ЦОДа.
Сеть ЦОД следующего поколения
Сеть ЦОД следующего поколения будет иметь <единую упрощенную экологичную> структуру. Она поможет избавиться от эффекта <расползания> сети и дополнительных расходов на управление разрозненными структурами передачи данных, хранении данных и кластеризации. Она будет основываться на простых в использовании энергетически пропорциональных коммутаторах, которые позволят создавать крупные, уплощенные топологии, способные масштабироваться до десятков тысяч нодов и обеспечивать мобильность виртуальных машин.
Что важно, такая архитектура наделит операторов ЦОДов возможностями контроля, которыми сейчас обладают сетевые протоколы, обеспечивая операторов способностями применять маршрутизацию трафика на основе установленных политик и управлять энергопотреблением сети. Конечным эффектом ситуации станет коммодизация (что это?) подуровня сети, что существенно снизит стоимость владения, одновременно обеспечивая инновации технологий на более высоком уровне.
Примеры внедрения практик следующего поколения
Пример реализации философии сетей ЦОД следующего поколения - Monsoon от Microsoft. Monsoon - смешанная архитектура, основанная на недорогих устройствах второго уровня. Масштабируемость достигается за счет модификации источника маршрутизации, осуществляемой на уровне управления, и выполнения мультиадресной маршрутизации на уровне данных. Эта модель использует технику, известную как Valiant Load Balancing. Она была разработана в Университете Стэнфорд для создания логической, полностью смешанной топологии в масштабе крупной магистральной сети, призванной маршрутизировать данные из источника к точке назначения, используя при этом не более двух интервалов связи. Архитектура использует простую технологию балансировки нагрузки в масштабе сети и способна поддерживать все виды сетевых топологий.
Elastic Compute Cloud от Amazon, упомянутая ранее в одной из секций этой статьи, имеет штатную технологию эластичной балансировки нагрузки Elastic Load Balancing, и является еще одним примером такой модели. Elastic Load Balancing автоматически распределяет входящий трафик по множеству логических инстанций Amazon EC2.
Благодаря Elastic Load Balancing, входящий трафик может распределяться по множеству инстанций EC2 с образованием одной или нескольких зон доступности. Процесс Elastic Load Balancing автоматически масштабируется в ответ на входящий трафик приложений. Это позволяет выявить инстанции <нездоровой> нагрузки. Если это случилось, EC2 прекращает маршрутизацию трафика в эти инстанции и перераспределяет трафик по другим инстанциям.
Один их недавних примеров внедрения философии ЦОДа нового поколения - проект Стэндфордского Университета OpenFlow. Этот открытый стандарт был создан в качестве надстройки для ряда коммерческих коммутаторов, маршрутизаторов и точек беспроводного доступа, и предоставляет стандартизированный API, который позволяет исследователям проводить опыты в сети без необходимости для вендоров открывать проприетарные технологии, реализованные в сетевых устройствах. Этот интересный протокол использует возможности существующих устаревших сетей.
В традиционных сетевых архитектурах переадресация пакетов и маршрутизации высокого уровня обычно происходят на одном и том же сетевом устройстве. При использовании OpenFlow эти функции отделены друг от друга. Путь передачи данных находится на коммутаторе, а выбор решения маршрутизации происходит отдельно на другом сервере. Результатом становится <разделение труда> и повышенная эффективность обработки данных.
Будущее ЦОДов следующего поколения
Так что же все вышеперечисленное может дать развивающейся отрасли ЦОДов и, что так же важно, тем, кто хочет воспользоваться выгодами внедренйи следующего поколения?
Первый элемент, на который нужно обратить внимание - это трехступенчатая эволюция среды, возникшая как ответ на растущие потребности рынка. Эволюция подуровня вычислений, включающая в себя виртуализацию серверов и введение в эксплуатацию мобильных виртуальных машин, представляет собой первый уровень эволюции и сейчас это уже свершившийся факт. Следующим шагом станет глобализация и виртуализация ресурсов хранения данных - функциональная конвергенция SAN и NAS. Последняя стадия, которая все ещё не осуществлена и обуславливающая собой успех двух остальных стадий - это эволюция подуровня сети.
В то время как сеть развивается, отказываясь от иерархической модели взаимосвязи множества сетей, тесно объединенных для обработки корпоративного трафика, и переходя к более интегрированной, одноуровневой модели сети, можно будет наблюдать снижение издержек, что станет возможно благодаря консолидации ресурсов ЦОДов и более низкому энергопотреблению. Также расширятся возможности подключений, которые будут включать в себя Fibre Channel over Ethernet (FCoE) и традиционный высокоскоростной гигабитный и десятигигабитный Ethernet, оптимально подходящие для потребностей мультимедийного контента.
В итоге, так как эта модель становится нормой для соединений между ресурсами ЦОДа, вскоре выгоды от ее использования будут очевидными:
∙Возможность просто и эффективно внедрять облачные сервисы и приложения и управлять ими
∙Значительная экономия, достигаемая за счет более активного использования Ethernet как первоочередного метода доступа к СХД
∙Существенно более высокая производительность сети, возможная благодаря более высокой операционной эффективности сети и пониженной латентности между ресурсами сети и СХД
∙Поддержка веб-сервисов, сервисно-ориентированных архитектурных моделей и сред приложений Web 2.0
∙Расширенная поддержка мобильности, краеугольного камня предоставления контента в течение ближайших лет
∙Экологические выгоды
ЦОД следующего поколения - это не просто опционально доступный сценарий, не голая теория. Он настоящий, он уже существует и развивается. Обратите внимание: это меняет правила игры для всех поставщиков в области технологий вычислительного, сетевого подуровня и подуровня данных ЦОДа.
