Инженерная инфраструктура центров обработки данных (ЦОД)

Технология виртуализации активно используется и внедряется на современных предприятиях. Она дает массу преимуществ, связанных прежде всего с унификацией и управляемостью, повышением гибкости и надежности. Тем не менее использование данной технологии требуется от ИТ специалистов более глубоких знаний и нюансов. Реализация инфраструктуры виртуальных рабочих столов или ее еще называют инфраструктурой виртуальных ПК (Virtual Desktop Infrastructure,VDI) включает много важных факторов. И одним из таких важных элементов инфраструктуры является система хранения данных, которую мы и рассмотрим в данной статье. Если ИТ специалисты не планируют, не реализуют и не управляют системой хранения данных должным образом, то их ожидают проблемы на пути реализации VDI.

Влияние VDI на систему хранения данных

Самой большой проблемой работы с системой хранения данных в виртуальных средах являются периоды максимального использования СХД, когда число операций ввода-вывода является самым большим. Наиболее распространенным событием, которое может приводить к резкому увеличению числа операций ввода-вывода, является так называемая 'загрузочная волна'. Она возникает, когда большая группа пользователей одновременно выполняет стартовую загрузку рабочих столов и загрузку приложений на персональный компьютер (ПК) или пользовательское устройство. Начальная загрузка ПК является очень ресурсоемким процессом, так как операционная система или гипервизор, установленный на сервере, выполняет большое число операций считывания информации с диска или с памяти. Помноженное на сотни ПК, число операций ввода-вывода, выполняемых СХД, может очень легко подорвать ее работу. 'Загрузочные волны' не является проходящим или единичным явлением, они могут длиться от нескольких минут до нескольких часов (обычно с утра) и могут оказывать значительное влияние на работоспособность СХД.

     После того как пользователи выполнят начальную загрузку, войдут в систему и загрузят приложения, число операций ввода-вывода системы хранения обычно снижается. Тем не менее, такие события, как исправление ошибок VDI, обновление и/или сканирование антивирусных программ и выход из системы в конце рабочего дня также могут увеличивать число операций ввода-вывода с системой хранения данных. Поэтому очень важно иметь такую систему данных, которая могла бы легко справляться с возникающими периодически всплесками пользовательской активности.

     Стоимость является другой проблемой. У технологии VDI не такой уж хороший показатель ROI (возврат инвестиций) как у серверной виртуализации. Поэтому получение финансовых средств на создание производительной инфраструктуры для реализации задач виртуализации клиентских рабочих мест могут вызвать определенные затруднения. Система хранения данных, отвечающая современных требованиям, может быть очень дорогостоящей, и для того чтобы добиться требуемого числа операций ввода-вывода в секунду (IOPS), организации может понадобиться приобрести СХД с размерами превышающие требования к объему хранимой информации.

     Кстати, администрирование СХД может потребовать больше времени, так как необходимо будет создавать и обслуживать сотни или тысячи виртуальных дисков для виртуальных ПК.

Используйте программы для сбора данных об использовании ресурсов ПК

Для правильного планирования инфраструктуры VDI необходимо определить параметры ресурсов, требуемые пользователям виртуальных ПК. Для правильного расчета параметров ресурсов вам понадобятся реальные статистические данные пользователей, чьи ПК вы собираетесь виртуализировать. Создание профилей пользователей и расчет их коэффициента использования ресурсов имеет ключевое значение для определения требований, предъявляемых к системе хранения данных. С помощью программных решений таких компаний как, Lakeside Software Inc. и Liquidware Labs Inc., устанавливаемых на пользовательских ПК, можно собирать данные, которые понадобятся вам для расчета параметров создаваемой вами виртуальной среды и определения необходимого оборудования.

Ключевой параметр СХД – IOPS (число операций ввод-вывода в секунду)

Ключевым параметром СХД является значение IOPS (число операций ввода-вывода в секунду). Значение IOPS может зависеть от целого ряда факторов (кэширование, размер блока, типов носителей). Базовые показатели для жестких дисков зависят от механических свойств накопителей: скорости вращения жестких дисков (rpm, количество оборотов в минуту), задержка и время поиска или позиционирования.

     Обычный накопитель со скоростью вращения 7,200 оборотов в минуту может выполнять 75 IOPS, а накопитель со скоростью вращения 10,000 оборотов в минуту (10K) — 125 IOPS, и, наконец, накопитель со скоростью вращения 15,000 оборотов в минуту (15K) — 175 IOPS. А накопитель на полупроводниках (SSD диск) имеет производительность 5000 IOPS. При использовании технологии RAID, можно умножить количество дисков в системе RAID на значение IOPS одного диска для получения суммарного значения IOPS для данной системы RAID. Есть другие элементы, например кэширование, которые могут увеличивать значение IOPS.

     Всегда следует сначала определить фактическое использование ресурсов пользователями и требуемую скорость ввода-вывода. Показатели выбираются на характеристиках определенных типов корпоративных пользователей. В таблице для примера приведены данные по типам пользователей, которые ИТ специалисты будут использовать про оценке производительности СХД с учетом максимального показателя IOPS и оценки количества одного типа пользователей, требующих загрузки виртуальных рабочих столов практически в одно время.

     Не планируйте СХД вашей среды VDI, исходя только из усредненного числа операций ввода-вывода. Система данных должна справляться с пиковым числом операций ввода-вывода для обеспечения нормальной работы пользователя. Конечно, размер СХД имеет значение, но еще важнее ее производительность. Поскольку число дисков играет большую роль в обеспечении производительности СХД, то только для получения требуемого числа IOPS вам может потребоваться больше дисков, чем вам необходимо для хранения данных.

Интерфейсы FC, iSCSI и NAS

В большинстве случаев тип системы хранения данных определяется бюджетными средствами и уже установленной инфраструктурой СХД. Сеть хранения данных SAN с использованием Fibre Channel (FC) может иметь достаточную производительность, но ее приобретение сделает реализацию VDI слишком дорогостоящей. Интерфейсы iSCSI и NAS являются интересными альтернативными вариантами, но вам необходимо убедиться в их соответствии требованиям ввода-вывода. С помощью технологии 10 Gbit Ethernet (10 GbE) можно существенно увеличить скорость обработки данных устройствами iSCSI и NAS. Однако если технология 10 GbE еще не установлена на предприятии, то это будет также недешево. Правда в некоторых узких местах сети скорее всего ее нужно будет все-равно поставить, чтобы увеличить производительность передачи данных.

     Пиковые значения IOPS могут превышать номинальные значения IOPS, поддерживаемые устройствами iSCSI или NAS. Но производительность можно в достаточной мере увеличить с помощью кэша или ускорителей. Также надо иметь в виду, что технологии iSCSI и NFS увеличивают нагрузку на центральный процессор (CPU). При использовании iSCSI это можно компенсировать с помощью аппаратных инициаторов.

Размер LUN и технология RAID

При определении размера логических устройств (LUN) и/или томов СХД для среды VDI, больше ориентируйтесь на емкость, чем производительность, для того чтобы ваши LUNs могли обеспечивать требуемое число IOPS. На самом деле, нет никакого магического числа для размеров LUN, так как он зависит от многих факторов. В общем, чем больше жестких дисков в матрице RAID, которая образует ваше логическое устройство LUN, тем лучше. Также не следует делать размер ваших LUNs слишком маленьким, по сравнению с числом виртуальных ПК, которые будут на них размещаться. Использование полных виртуальных дисков или связанных клонов будет также влиять на размер памяти, так как в последнем случае используется намного меньше дискового пространства.

     Для достижения более высокого уровня защиты или лучшей производительности можно использовать набор опций RAID. Основным фактором, который будет влиять на выбор уровня RAID, является отношение операций чтения-записи виртуальных ПК. При считывании данных с системы RAID накладные расходы на ввод-вывод данных, связанные с данной матрицей RAID отсутствуют, но они есть при записи данных. Чем больший уровень защиты вам нужен, тем большими будут накладные расходы на ввод-вывод данных. Например, в RAID 1 накладные расходы на ввод-вывод имеют значение 2, так как операции записи необходимо будет выполнять на обоих жестких дисках; в случае RAID 5 это значение увеличится до 4.

     Если ваши рабочие нагрузки ПК будут выполнять больше операций записи, чем чтения, вам необходимо использовать уровень RAID, который имеет меньшие накладные расходы на ввод-вывод данных при записи. Для устранения этой проблемы можно также увеличивать кэш записи в контроллере массива или использовать специализированный RAID, например NetApp RAID-DP.

Типы накопителей

Дисковые накопители с интерфейсом SAS имеют лучшую производительность, но накопители с интерфейсом SATA имеют лучшие показатели по затратам на 1 Гигабйт. Быстродействующие накопители (15K) могут увеличивать скорость обработки данных, но за счет дополнительных затрат, по сравнению с дисковыми накопителями 10K. Твердотельные дисковые накопители (SSDs) предлагают сверхпроизводительность, но стоят дорого. Выбор накопителей для рабочих нагрузок VDI обычно сводится к приобретению наилучших накопителей, которые вы можете себе позволить. Обычно, в большинстве рабочих нагрузок VDI не желательно использовать медленные дисковые накопители с интерфейсом SATA, поэтому лучше отдавать предпочтение дисковым накопителям с интерфейсом SAS.

     Диски накопителя (15K) обеспечивают более быстрое считывание и запись данных, тем самым уменьшая общее время задержки, но это не касается скорости перемещения привода головки жетского диска. Таким образом, даже если диск вращается на 50% быстрее, общая производительность увеличивается приблизительно только на 30%.

     Там, где это необходимо, можно комбинировать разные типы накопителей для обеспечения более высокого быстродействия СХД, и использовать менее дорогостоящие и более медленные диски для менее требовательных рабочих нагрузок. Мастер-диски связанных клонов можно хранить на быстродействующем SSD-накопителе, а дельта-диски — на дисковом накопителе с интерфейсом SAS. Можно пойти еще дальше и использовать программу уровневой стратификации для автоматического распределения рабочих нагрузок в зависимости от требования.

Кэширование и ускорители сети SAN

С помощью устройств кэширования или ускорителя сети SAN можно компенсировать использование менее быстродействующих систем хранения данных и увеличивать число IOPS для решения проблемы 'загрузочной волны' и других периодических всплесков, связанных с операциями ввода-вывода.

     Это также позволяет экономить деньги, потому что можно использовать менее дорогостоящие СХД и в то же время удовлетворять требованиям ввода-вывода рабочих нагрузок своей среды VDI.

     Например, такое устройство кэширования как NetApp Flash Cache может обеспечивать громадное повышение производительности, существенно увеличивая число IOPSД. Такие события как 'загрузочная волна' обычно требуют очень много операций считывания, поэтому неплохо иметь кэш считывания большего размера.

     Ускорители сети SAN являются эффективным способом реализации высокопроизводительного уровня кэширования, предваряющего установленную СХД. FalconStor Network Storage Server (NSS) SAN Accelerator для VMware View является простым в установке устройством, который повышает производительность СХД. Это позволяет добиваться адекватной производительности даже при использовании недорогих накопителей с интерфейсом SATA в качестве системы хранения данных для среды VDI.

Другие полезные функции системы хранения данных

В системы хранения данных входит много технологий, позволяющих передавать ей функции и процессы, которые обычно выполняются другими устройствами. Передача СХД задач, которые она может выполнять лучше, повышает эффективность и производительность. Ниже приведены некоторые функции СХД, которые могут быть полезными в среде VDI.

     Защита данных. Такие функции как служба фонового копирования тома (VSS — Microsoft Volume Shadow Copy Service), которая позволяет сохранять предыдущие версии измененных файлов, могут облегчать пользователям восстановление своих файлов. Но включение этой функции на всех пользовательских ПК может приводить к нежелательному увеличению нагрузки и числа операций ввода-вывода, выполняемых СХД.

     С помощью FalconStor NSS SAN Accelerator можно загружать в золотой мастер-шаблон ПК для среды VDI агент, который позволяет данному виртуальному ПК подключаться к NSS SAN Accelerator, для того чтобы это устройство создавало резервные копии всех измененных файлов внутри гостевой ОС. Пользователи могут просматривать предыдущие версии и восстанавливать файлы на своем ПК, не обращаясь к серверной СХД.

     Дедупликация данных. Технология дедупликации данных позволяет значительно уменьшить размер памяти, необходимой вашим виртуальным ПК, особенно в случае использования полных образов виртуальных машин (VMs) вместо связанных клонов. Если у вас 100 ПК, на каждом из которых установлен диск емкостью 20 ГБ, вам понадобится приблизительно 2 ТБ дискового пространства. Но пользователи VDI обычно устанавливают одинаковые ОС и почти одинаковые наборы приложений, поэтому появляется много дублированных данных. Технология дедупликации данных позволяет сократить размер необходимого дискового пространства при использовании полных образов виртуальных ПК до 90% и уменьшить размер памяти с 2 ТБ до 200 ГБ. При использовании связанных дисков, создается один общий мастер-диск, а все изменения записываются в дельта-файл, размер которого может быть всего лишь 2 — 5 ГБ. Если вы собираетесь использовать полные образы, дедупликация является обязательной.

     Динамическое выделение памяти. Технология связанных клонов уже экономит дисковое пространство, поэтому использование технологии динамического выделения памяти не дает большой выгоды. Но при использовании полных образов виртуальных ПК, технология динамического выделения памяти, в сочетании с технологией дедупликации данных, может обеспечивать громадную экономию дискового пространства, позволяя вам перераспределять память. Технология динамического выделения памяти может быть реализована на уровне СХД или на уровне виртуализации. Хотя в плотной среде VDI ее можно реализовывать на обоих уровнях, логичнее выгружать ее в СХД для уменьшения нагрузки на уровне виртуализации. Это также упрощает управления, позволяя контролировать и управлять дисками для динамического выделения памяти только в одной области.

     VMware vStorage APIs for Array Integration. Технология VAAI (vStorage APIs for Array Integration) позволяет передавать задачи памяти, которые обычно выполняются на уровне виртуализации, данной системе хранения данных, в том числе копирование данных (клонирование, технология Storage vMotion), обнуление дисковых блоков и блокирование vmdk-файла. Использование технологии VAAI в среде VDI является выгодным, так как в этом случае дисковые операции могут выполняться быстрее и эффективнее, чем в случае их выполнения гипервизором. VAAI все еще является довольно новой технологией, и поставщики СХД продолжают работать над ее принятием и интеграцией в свою продукцию, но СХД, которые поддерживают технологию VAAI, уже сегодня в состоянии обеспечивать некоторые неплохие преимущества, а будущем этих преимуществ, вероятно, станет еще больше.

Определение своих требований

При планировании СХД, которая могла бы поддерживать среду VDI, необходимо учитывать много факторов. Хотя бюджеты могут ограничивать выбор некоторых опций, есть ряд решений, которые позволят вам получить производительность, требуемую вашими виртуальными ПК. В первую очередь необходимо правильно определить количество потребляемых ресурсов ПК, а это позволит определить требования СХД, которые, в свою очередь, позволят реализовать соответствующую систему хранения данных. Установив правильную СХД, можно использовать преимущества технологии VDI и не беспокоиться о том, что СХД будет ограничивать производительность пользователей.