Гиперконвергентные решения, доступные на современном рынке, можно условно разделить на два типа: «полноценные» и интегрированные. Их главное отличие заключается в железе, которое можно использовать при построении инфраструктуры. У настоящей гиперконвергенции (Nutanix HCI и VMware HCI) нет привязки к производителям оборудования: она запросто подружится с аппаратным обеспечением другого вендора. А интегрированные решения работают только на железе вендоров.

Наша платформа vStack — это тоже полноценная гиперконвергенция. Под катом я подробно расскажу, как в ней реализованы функции вычисления (SDC), хранения (SDS) и сети (SDN), и какие возможности это дает владельцам инфраструктуры.

Тем, кому интересна история создания vStack, рекомендую ознакомиться с предыдущей статьей. 

Что такое HCI

Если вы уже знакомы с базовыми понятиями — можете смело пропустить эту часть и перейти к следующему разделу. Здесь же мы разберем, чем гиперконвергенция отличается от конвергенции и каковы ее основные преимущества.

Гиперконвергентная инфраструктура (HCI) — это программно-определяемая инфраструктура, которая объединяет в себе функции вычисления (SDC), хранения данных (SDS) и программной реализации сети (SDN). В отличие от классической инфраструктуры, где эти функции выполняют серверы с выделенными ролями или отдельные сущности вроде СХД и роутеров, в HCI они возложены на каждый сервер-участник инфраструктуры.

Обратите внимание на изображение ниже.

Справа — классическая схема организации корпоративной инфраструктуры: роутер, HA-пара коммутаторов ядра, пара коммутаторов сетей общего назначения, непосредственно сами серверы (в том числе резервные хосты), пара коммутаторов SAN, комплекс СХД с зарезервированными контроллерами (возможно, с дополнительными дисковыми полками). В такой ситуации использование оборудования разных вендоров (например, сетевое — от Cisco, СХД — от NetApp и т.д.) — абсолютно нормальная практика. При этом для поддержки каждого сегмента (вычислительного/сетевого/хранения) требуется отдельный специалист, знакомый с особенностями эксплуатации, взаимодействия с вендором и спецификой оборудования в целом. NAS остаётся правее viewport ????‍♂️

Слева — гиперконвергентное решение. Здесь все функции (SDS, SDC, SDN) выполняются кластером унифицированных x86-серверов с дисками. 

Согласитесь, выглядит намного компактнее? При этом уровень доступности и в первом, и во втором варианте исполнения при прочих равных будет одинаков. 

Ключевые преимущества HCI:

• Более простая инфраструктура.

Дискретность гиперконвергентной инфраструктуры существенно ниже даже в приведенном примере, притом, что в случае конвергентной инфраструктуры в слое хранения NAS-составляющая просто не поместилась в экран. Этот фактор напрямую влияет на сложность эксплуатации, так как в ней задействовано немало узких специалистов. Количество людей растет вместе с размером инфраструктуры, так как и управление ею, и она сама дискретны. Каждый из элементов (сетевое оборудование, СХД, SAN, NAS, серверы) имеет собственные интерфейсы управления, концепции, API и т.д. Данная дискретность обуславливает следующий постулат: изменения конвергентной инфраструктуры могут растягиваться на месяцы.

В нашем гиперконвергентном решении такая дискретность отсутствует: управление имеет единые endpoint, интерфейс и API.

Однородность элементов гиперконвергентной инфраструктуры позволяет в случае неисправности (при желании) не тратить драгоценное в XXI веке время на ее локализацию. Достаточно вынуть диски из сервера, вышедшего из строя, и вставить их в ZIP и продолжить работу с прежним (референсным) уровнем резервирования.

• Нет вендорлока.

Подойдет любое доступное на рынке оборудование, что теперь актуально, как никогда раньше. Даже потребительское.

• Экономия на оборудовании.

Можно закупать аппаратное обеспечение потребительского сегмента и таким образом экономить на оборудовании некритичных сред, например, тестовых. Или кардинально снижать стоимость там, где используются горизонтально-масштабируемые решения, не требующие высокой степени резервирования одного элемента. К тому же заменить вышедшее из строя “потребительское” устройство будет несколько проще, чем enterprise.

• Управление всей инфраструктурой через единый интерфейс

Его может обслуживать всего один опытный специалист — вам не придется нанимать отдельных сотрудников под каждый сегмент.

Архитектура vStack

Платформа создает единое кластерное пространство на базе серверов, одновременно выполняющих сразу 3 функции: Software Defined Storage, Software Defined Networking, Software Defined Computing — хранение, сеть, вычисления. Она объединяет три традиционно разрозненных компонента в одно программно-определяемое решение.

Программно-определяемые вычисления (SDС)

Слой SDC работает на базе гипервизора второго типа.

Поддерживается спецификация virtio для сетевых портов, дисков и другой периферии (rnd, balloon и т.п.). Кастомизация гостевых ОС в облачных образах реализуется с помощью cloud-init для unix-систем и cloud-base для windows.

• Поддерживаемые ОС:

  • FreeBSD;

  • Linux (OEL/CentOS/Ubuntu/Debian);

  • Windows 2019/2022.

Облачные образы (cloud images):

• Возможность лимитировать производительность сетевого порта (MBps) и  диска (IOPS, MBps) в реальном времени.

• Лимитирование ресурсов vCPU в реальном времени, в том числе автономное распределение квантов CPU в зависимости от степени overcommit, утилизации узла и нагрузки конкретной ВМ, благодаря чему показатели vCPU overcommit в промышленных кластерах иногда достигают 900%.

• Снимки ВМ, содержащие её конфигурацию (в т.ч. сетевых портов и IP-адресов, а также MAC-адресов на этих сетевых портах). 

Отдельного упоминания заслуживает автономный механизм бюджетирования квантов vCPU, благодаря которому становится возможной экономическая эффективность (efficiency) в слое SDC до 900%. Таким значением может похвастаться далеко не каждое решение.

При создании vStack мы в первую очередь ориентировались на его легковесность. Низкий показатель CPU Overhead (снижение производительности виртуализованного сервера относительно физического) -- один из примеров возможного эффекта этого подхода. Например, overhead у KVM в некоторых нагрузках достигает 15%, а у vStack — всего лишь 2-5%. Таких низких значений удалось достичь благодаря использованию уникальности гипервизора bhyve. 

Программно-определяемое хранилище (SDS)

Технологической основой SDS является ZFS.

Возможности:

• компрессия и дедупликация;

• внутренняя целостность данных;

• клоны, снимки;

• самовосстановление данных;

• транзакционная целостность.

Лимиты (pool/filesystem):

• размер: 1 zettabyte;

• неограниченное количество файловых систем;

• неограниченное количество блочных устройств.

Так выглядит пятиузловой кластер. Вертикальные контейнеры — пулы, горизонтальные — узлы кластера. Каждый пул содержит диск из каждого узла. Redundancy пула всегда равен redundancy кластера.

Для всех промышленных инсталляций мы рекомендуем использовать избыточность N+2 или выше (платформа поддерживает N+1, N+2 и N+3).

Что произойдет, если случится авария?

На картинке ниже желтый хост вышел из строя и за счет механизма fencing был исключен из кластера, а все пулы потеряли по одному диску. Кластер автоматически выполнил процедуру аварийного переключения (failover) ресурсов данного хоста, и желтый пул стал доступен на синем хосте. Redundancy снизился, но пул продолжает работать, причём без потери производительности. Все ВМ, работавшие на желтом хосте, продолжили работать на синем.

Программно-определяемая сеть (SDN)

Доступно три варианта обеспечения виртуальных сетей:

• Vlan

• Vxlan

• GENEVE (собственная имплементация)

Вне зависимости от способа имплементации сеть может быть изолированной или маршрутизированной. Конкретный экземпляр виртуальной сети базируется на распределенном свитче (на картинке обозначен темно-синим прямоугольником). Реализация самой виртуальной сети, свитча в экосистеме netgraph и модификации в сетевом стеке — наши собственные разработки, прошедшие серьезные испытания и давно (с сентября 2020 г.) работающие в промышленной эксплуатации на большом количестве кластеров.

• собственный MTU у каждого экземпляра сети;

• маршрутизируемые/изолированные сети;

• поддержка jumbo frames;

• поддержка TSO/GSO.

• поддержка path mtu discovery "из коробки"

Лимиты:

• 65536 сетей;

• 1 048 576 портов на свитче одного хоста;

• виртуальный порт: 22 GBps / 2.5Mpps.

Как мы развиваем vStack

В новом релизе vStack v.2.1 появятся следующие возможности:

• Миграция работающих виртуальных машин. Эта функциональность позволит без простоев переносить активные рабочие нагрузки с одного сервера на другой, чтобы пользователи продолжали иметь непрерывный доступ к системам, которые им необходимы. Аналогична vMotion в VMware.

• Полноценное клонирование виртуальных машин. Мгновенное создание клона виртуальной машины любого объема, ограниченного ресурсами кластера.

• Поддержка сетей на основе GENEVE. Открытая технология, имеющая стандарт.

• Поддержка функциональности EDGE в графическом интерфейсе. EDGE-роутер — это программный маршрутизатор, через который виртуальные машины внутренних сетей получают доступ за её пределами и наоборот.

• Поддержка VM ballooning — механизма оптимизации работы виртуальных машин с оперативной памятью, который позволяет возвращать хосту распределённую однажды гостевой ОС память, которая была впоследствии освобождена.

• Поддержка QinQ (802.1ad). 

• Увеличение производительности платформы в слое хранения и вычислений.

Пара слов о лицензировании

vStack предоставляется по двум моделям:

• Сервисная (OPEX).

Плата за использование лицензий. Ежемесячная тарификация и оплата за points.

• On-premise (CAPEX).

Покупка лицензий в собственность. Единоразовый платеж плюс ежегодная оплата поддержки. В этой модели доступен overcommit: можно использовать на 33% больше ресурсов, чем выделено по договору.

В любом варианте доступна возможность Managed vStack — удаленное администрирование от вендора. Если у вас нет сотрудника, который мог бы взять на себя роль администратора, можно делегировать эту задачу нам.

Протестировать возможности vStack можно с помощью Serverspace, генерального амбассадора платформы. Если у вас остались вопросы, подразумевающие ответ, — задавайте их в комментариях, постараюсь всем ответить вне зависимости от цвета глаз! :)