Тенденции развития современных инфраструктурных решений

Не так давно производители процессоров достигли разумного ограничения наращивания мощности процессора, при котором его производительность очень высока при относительно низкой стоимости. При дальнейшем увеличении мощности процессора, необходимо было прибегать к нетрадиционным методам охлаждения процессоров, что достаточно неудобно и дорого. Оказалось, что для увеличения мощности вычислительного центра более эффективно увеличить количество отдельных вычислительных модулей, а не их производительность. Это привело к появлению многопроцессорных, а позднее и многоядерных вычислительных систем. Появляются многопроцессорные системы, которые насчитывают более 4 процессоров. На текущий момент существуют процессоры с количеством ядер 8 и более, каждое из которых эквивалентно по производительности. Увеличивается количество слотов для подключения модулей оперативной памяти, а также их емкость и скорость.

Увеличение числа вычислительных модулей в вычислительном центре требует новых подходов к размещению серверов, а также приводит к росту затрат на помещения для центров обработки данных, их электропитание, охлаждение и обслуживание.

Для решения этих проблем был создан новый тип серверов XXI века — модульные, чаще называемые Blade-серверами, или серверами-лезвиями (blade — лезвие). Преимущества Blade-серверов, первые модели которых были разработаны в 2001 г. изготовители описывают с помощью правила "1234". "По сравнению с обычными серверами при сравнимой производительности Blade-серверы занимают в два раза меньше места, потребляют в три раза меньше энергии и обходятся в четыре раза дешевле".

Рис. 1.1. Типичный Blade-сервер (Sun Blade X6250)

Что представляет собой Blade-сервер? По определению, данному аналитической компании IDC Blade-сервер или лезвие - это модульная одноплатная компьютерная система, включающая процессор и память. Лезвия вставляются в специальное шасси с объединительной панелью (backplane), обеспечивающей им подключение к сети и подачу электропитания. Это шасси с лезвиями, является Blade-системой. Оно выполнено в конструктиве для установки в стандартную 19-дюймовую стойку и в зависимости от модели и производителя, занимает в ней 3U, 6U или 10U (один U - unit, или монтажная единица, равен 1,75 дюйма). За счет общего использования таких компонентов, как источники питания, сетевые карты и жесткие диски, Blade-серверы обеспечивают более высокую плотность размещения вычислительной мощности в стойке по сравнению с обычными тонкими серверами высотой 1U и 2U.

 
Рис. 1.2. Типичное 10U шасси для 10 Blade-серверов (Sun Blade 6000) используемое в УрГУ

Технология блэйд-систем заимствует некоторые черты мейнфреймов. В настоящее время лидером в производстве блэйд-систем являются компании Hewlett-Packard, IBM, Dell, Fujitsu Siemens Computers, Sun.

Преимущества Blade-серверов

Рассмотрим основные преимущества блейд-систем:

Уникальная физическая конструкция. Архитектура блейд-систем основана на детально проработанной уникальной физической конструкции. Совместное использование таких ресурсов, как средства питания, охлаждения, коммутации и управления, снижает сложность и ликвидирует проблемы, которые характерны для более традиционных стоечных серверных инфраструктур. Физическая конструкция блейд систем предполагает размещение блейд серверов в специальном шасси и основным ее конструктивным элементом является объединительная панель.

Объединительная панель разработана таким образом, что она решает все задачи коммутации блейд серверов с внешним миром: с сетями Ethernet, сетями хранения данных Fiber Channel, а также обеспечивает взаимодействие по протоколу SAS (SCSI) с дисковыми подсистемами в том же шасси. Шасси для блейдов также позволяет размещать в нем необходимые коммутаторы Ethernet или Fiber Channel для связи с внешними сетями.

Выход на эти коммутаторы из блейд серверов обеспечивают предустановленные или устанавливаемые дополнительно контроллеры. Средства коммутации во внешние сети, интегрированные в общую полку, значительно сокращают количество кабелей для подключения к ЛВС и SAN, чем традиционным стоечным серверам. Блейд сервера имеют общие средства питания и охлаждения. Размещение систем питания и охлаждения в общей полке, а не в отдельных серверах, обеспечивает снижение энергопотребления и повышение надежности.

Лучшие возможности управления и гибкость. Блейд-серверы принципиально отличаются от стоечных серверов тем, что серверная полка имеет интеллект в виде модулей управления, который отсутствует в стойках при размещении традиционных серверов. Для управления системой не требуется клавиатура, видео и мышь. Управление блейд системой осуществляется с помощью централизованного модуля управления и специального процессора удаленного управления на каждом блейд-сервере. Система управления шасси и серверами как правило имеют достаточно удобное программное обеспечение для управления. Появляются возможности удаленно управлять всей "Blade"-системой, в том числе управление электропитанием и сетью отдельных узлов.

Масштабируемость – при необходимости увеличение производительных мощностей, достаточно приобрести дополнительные лезвия и подключить к шасси. Серверы и инфраструктурные элементы в составе блейд-систем имеют меньший размер и занимают меньше места, чем аналогичные стоечные решения, что помогает экономить электроэнергию и пространство, выделенное для ИТ. Кроме того, благодаря модульной архитектуре, они являются более удобными во внедрении и модернизации.

Повышенная надежность. В традиционных стоечных средах для повышения надежности устанавливается дополнительное оборудование, средства коммутации и сетевые компоненты, обеспечивающие резервирование, что влечет за собой дополнительные расходы. Блейд-системы имеют встроенные средства резервирования, например предполагается наличие нескольких блоков питания, что позволяет при выходе из строя одного блока питания, обеспечивать бесперебойную работу всех серверов, расположенных в шасси. Также дублируются и охлаждающие компоненты. Выход из строя одного из вентиляторов не приводит к критическим последствиям. При выходе одного сервера из строя системный администратор просто заменяет лезвие на новое и затем в дистанционном режиме инсталлирует на него ОС и прикладное ПО.

Снижение эксплуатационных расходов. Применение блейд-архитектуры приводит к уменьшению энергопотребления и выделяемого тепла, а также к уменьшению занимаемого объема. Помимо уменьшения занимаемой площади в ЦОД, экономический эффект от перехода на лезвия имеет еще несколько составляющих. Поскольку в них входит меньше компонентов, чем в обычные стоечные серверы, и они часто используют низковольтные модели процессоров, что сокращаются требования к энергообеспечению и охлаждению машин.

Инфраструктура блейд-систем является более простой в управлении, чем традиционные ИТ- инфраструктуры на стоечных серверах. В некоторых случаях блейд-системы позволили компаниям увеличить количество ресурсов под управлением одного администратора (серверы, коммутаторы и системы хранения) более чем в два раза. Управляющее программное обеспечение помогает ИТ-организациям экономить время благодаря возможности эффективного развертывания, мониторинга и контроля за инфраструктурой блейд-систем. Переход к серверной инфраструктуре, построенной из лезвий, позволяет реализовать интегрированное управление системы и отойти от прежней схемы работы Intel-серверов, когда каждому приложению выделялась отдельная машина. На практике это означает значительно более рациональное использование серверных ресурсов, уменьшение числа рутинных процедур (таких, как подключение кабелей), которые должен выполнять системный администратор, и экономию его рабочего времени

Появление систем и сетей хранения данных

Другой особенностью современной истории развития вычислительных систем, наряду с появлением блейд-серверов, стало появления специализированных систем и сетей хранения данных. Внутренние подсистемы хранения серверов часто уже не могли предоставить необходимый уровень масштабируемости и производительности в условиях лавинообразного наращивания объемов обрабатываемой информации. В итоге появились внешние системы хранения данных, ориентированные сугубо на решение задач хранения данных и предоставление интерфейса доступа к данным для их использования.

Система Хранения Данных (СХД) - это программно-аппаратное решение по организации надёжного хранения информационных ресурсов и предоставления к ним гарантированного доступа.

Системы хранения данных представляют собой надежные устройства хранения, выделенные в отдельный узел. Система хранения данных может подключаться к серверам многими способами. Наиболее производительным является подключение по оптическим каналам (Fiber Channel), что дает возможность получать доступ к системам хранения данных со скоростями 4-8 Гбит/сек. Системы хранения данных так же имеют резервирование основных аппаратных компонент – несколько блоков питания, raid контроллеров, FC адаптеров и оптических патчкордов для подключения к FC коммутаторам.

 
Рис. 1.3. Типичная Система хранения данных начального уровня (Sun StorageTek 6140)

Отметим основные преимущества использования СХД:

Высокая надёжность и отказоустойчивость – реализуется полным или частичным резервированием всех компонент системы (блоков питания, путей доступа, процессорных модулей, дисков, кэша и т.д.), а также мощной системой мониторинга и оповещения о возможных и существующих проблемах;

Высокая доступность данных – обеспечивается продуманными функциями сохранения целостности данных (использование технологии RAID, создание полных и мгновенных копий данных внутри дисковой стойки, реплицирование данных на удаленную СХД и т.д.) и возможностью добавления (обновления) аппаратуры и программного обеспечения в беспрерывно работающую систему хранения данных без остановки комплекса;

Мощные средства управления и контроля – управление системой через web-интерфейс или командную строку, выбор нескольких вариантов оповещения администратора о неполадках, полный мониторинг системы, работающая на уровне "железа" технология диагностики производительности;

Высокая производительность – определяется числом жёстких дисков, объёмом кэш-памяти, вычислительной мощностью процессорной подсистемы, числом внутренних (для жёстких дисков) и внешних (для подключения хостов) интерфейсов, а также возможностью гибкой настройки и конфигурирования системы для работы с максимальной производительностью;

Беспроблемная масштабируемость – обычно существует возможность наращивания числа жёстких дисков, объёма кэш-памяти, аппаратной модернизации существующей системы хранения данных, наращивания функционала с помощью специального ПО, работающего на стойке, без значительного переконфигурирования или потерь какой-то функциональности СХД. Этот момент позволяет значительно экономить и более гибко проектировать свою сеть хранения данных.

Сегодня системы хранения данных являются одним из ключевых элементов, от которых зависит непрерывность бизнес-процессов компании. В современной корпоративной ИТ-инфраструктуре СХД, как правило, отделены от основных вычислительных серверов, адаптированы и настроены для различных специализированных задач. Системы хранения данных реализуют множество функций, они играют важную роль в построении систем оперативного резервного копирования и восстановления данных, отказоустойчивых кластеров, высоко доступных ферм виртуализации.

Сети хранения данных

SAN - это высокоскоростная  коммутируемая сеть передачи  данных, объединяющая серверы, рабочие  станции, дисковые хранилища и  ленточные библиотеки. Обмен данными  происходит по протоколу Fibre Channel, оптимизированному для быстрой гарантированной передачи сообщений и позволяющему передавать информацию на расстояние от нескольких метров до сотен километров.

Движущей силой для развития сетей хранения данных стал взрывной рост объема деловой информации (такой как электронная почта, базы данных и высоконагруженные файловые сервера), требующей высокоскоростного доступа к дисковым устройствам на блочном уровне. Ранее на предприятии возникали "острова" высокопроизводительных дисковых массивов SCSI. Каждый такой массив был выделен для конкретного приложения и виден ему как некоторое количество "виртуальных жестких дисков". Сеть хранения данных (Storage Area Network или SAN) позволяет объединить эти "острова" средствами высокоскоростной сети. Основу SAN составляет волоконно-оптическое соединение устройств по интерфейсу Fibre Chanel, обеспечивающее скорость передачи информации между объектами 1,2,4 или 8 Gbit/sec. Сети хранения помогают повысить эффективность использования ресурсов систем хранения, поскольку дают возможность выделить любой ресурс любому узлу сети. Рассмотрим основные преимущества SAN:

Производительность. Технологии SAN позволяют обеспечить высокую производительность для задач хранения и передачи данных.

Масштабируемость. Сети хранения данных обеспечивают удобство расширения подсистемы хранения, позволяют легко использовать приобретенные ранее устройства совместно с новыми устройствами хранения данных.

Гибкость. Совместное использование систем хранения данных, как правило, упрощает администрирование и добавляет гибкость, поскольку кабели и дисковые массивы не нужно физически транспортировать и перекоммутировать от одного сервера к другому. SAN позволяет подключить новые серверы и дисковые массивы к сети без остановки системы.

Централизованная загрузка. Другим преимуществом является возможность загружать сервера прямо из сети хранения. При такой конфигурации можно быстро и легко заменить сбойный сервер, переконфигурировав SAN таким образом, что сервер-замена, будет загружаться с логического диска сбойного сервера.

Отказоустойчивость. Сети хранения помогают более эффективно восстанавливать работоспособность после сбоя. В SAN может входить удаленный участок с вторичным устройством хранения. В таком случае можно использовать репликацию — реализованную на уровне контроллеров массивов, либо при помощи специальных аппаратных устройств. Спрос на такие решения значительно возрос после событий 11 сентября 2001 года в США.