Hyper-converged Infrastruktur: Storage als Bundle-Lösung

Eine hyper-konvergente Infrastruktur fasst Storage, Server und Netzwerk in Nodes zusammen. Allerdings könnte ein Zusammenfügen erforderlich werden.

Hyper-konvergente Lösungen gehören wohl zum größten Trend des Jahres 2014 und auch 2015, was nicht zuletzt auch dem Launch von EVO:RAIL zu verdanken ist. Das ist eine hyper-konvergente Hardware-Lösung von VMware und seinen ausgewählten Partnern. 

Hyper-Konvergenz hat sich rapide entwickelt und deswegen beleuchten wir etwas genauer, wie der Begriff definiert ist und warum IT-Manager Lösungen dieses Marktsegments in Betracht ziehen sollten, um ihre Storage-Infrastrukturen im Rechenzentrum weiter auszubauen.

In den späten 1990er und frühen 2000er Jahren kamen Unix- und x86-Systeme auf den Markt, die den Mainframe ablösten. Innerhalb des stets wiederkehrendem Kontraktions/Expansions-Prozesses der Technologiebranche entwickelte sich aus eng gekoppelten Mainframes in spezialisierte Systeme, die auf Netzwerk, Storage und Server basieren. 

Die steigende Verbreitung der Servervirtualisierung resultierte letztlich darin, dass große Firmen große Teams an hoch erfahrenen und gut bezahlten Technologie-Spezialisten einsetzten. Dieser Silo-Ansatz führte wiederum zu einer enormen Technologieausbreitung und steigenden Betriebskosten, die oftmals weitaus höher waren als die Anschaffungskosten.

Eine konvergente Infrastruktur war der erste Schritt hin zur Vereinfachung der Betriebsprobleme dieser Silo-Modelle. Die Produkte kombinierten Technologien verschiedener Hersteller in einen einzigen Stack an Compute (Server), Storage und Netzwerk, der gewöhnlich als eine Stock Keeping Unit (SKU) vertrieben wird. Konvergente Lösungen reduzieren operationale Komplexität, indem sie die Auswahl der einzusetzenden Technologien beschränkt und ein einheitliches Management sowie zentralen Support bietet. 

Geht etwas schief, muss man quasi nur eine Anlaufstelle anschreien und nicht drei oder vier. In vielen Fällen ist die Hardware-Plattform der konvergenten Infrastruktur nicht gerade billig, aber der Gesamt-TCO ist geringer, da die Betriebskosten geringer ausfallen.

Definition: Hyper-converged Infrastruktur

Hyper-converged oder auch hyper-konvergente Lösungen führen den Integrationsprozess der konvergenten Infrastruktur noch einen Schritt weiter. Die physischen Komponenten von Storage und Compute sind hier in einem einzigen physischen Formfaktor vereint, typischerweise als Rackserver mit Standard-DAS. Ausfallsicherheit, die normalerweise durch eine Dual-Controller-Architektur gewährleistet ist, wird hier mittels eines Scale-out-Modells multipler Nodes umgesetzt. Das ist eine Funktion, die auch eingesetzt würde, um Server-Stabilität und Hypervisor-Failover zu unterstützen.

Hyper-konvergente Lösungen nutzen in der Regel Standard-Hardware statt spezieller ASICs oder FPGA-Chips (Field-Programmable Gate Array), die auch in dediziertem Storage zum Einsatz kommen. Die Hauptunterscheidungsmerkmale findet man daher in der Software, aus der letztlich die wichtigsten Vorteile hervorgehen.

Alle heutigen hyper-konvergenten Lösungen basieren auf der Verwendung eines Hypervisors, sei es VMware vSphere, Microsoft Hyper-V oder Open Source KVM.

Distributed Storage

Eine zentrale Funktion hyper-konvergenter Lösungen ist der Einsatz so genannten Distributed Storage (verteiltes Storage). Dabei werden DAS-Komponenten jedes physischen Servers zusammengefasst, um einen logischen Pool an Disk-Kapazitäten zu erstellen, der alle Ressourcen des Scale-out-Node-Clusters nutzt. Die Scale-out-Technologie offeriert dabei einige Vorteile:

Resiliency (Stabilität/Ausfallsicherheit): Data Protection wird über multiple Nodes gewährleistet, die den Ausfall eines einzelnen Drives oder einer ganzen Node absichern kann.

Performance: Die I/Os für jede beliebige virtuelle Maschine (VM) kann von einem gesamten Server-Cluster geliefert werden. Das lässt eine kombinierte I/O-Bandbreiten-Aggregation (Zusammenführung) von vielen Festplatten und SSDs zu. Werden Daten lokal mit einer VM verbunden, so kann die Latenz des hyper-konvergenten Storage geringer sein als die von externen SAN-verbundenen Arrays.

Die Nutzung der Scale-out-Technologie bedeutet, dass lokales Standard-DAS anstatt teurer dedizierter SAN-basierter Storage-Systeme zum Einsatz kommen kann. Die Storage-Komponente einer hyper-konvergenten Lösung kann entweder als VM über die Infrastruktur implementiert werden oder direkt als Kernel-Modul wie bei VMwares Virtual SAN

Es wird derzeit debattiert, ob die Integration im Kernel eine bessere Option ist. Die Kernel-Befürworter, wie zum Beispiel VMware, behaupten, dass diese Lösung stabiler und sicherer ist als eine VM-basierte Implementierung, da die Storage-Feature nicht durch die Aktivitäten anderer VMs beeinflusst wird.

Demgegenüber stehen die Fürsprecher für VM-basiertes Storage, die auf die Vorteile hinweisen, die aus der Trennung des Storage vom Hypervisor-Betriebssystem entstehen – ähnlich wie SAN-Storage einst die Daten von Servern separierte. Zu den angeblichen Vorteilen zählen hier flexiblere Upgrades, Ausfall-Isolierung (das Storage führt nicht zum Absturz der Compute) sowie die Isolierung der Performance und der Security.

In beiden Fällen hängt die optimale Lösung von der Qualität der Implementierung ab.

Hyper-konvergente Produkte: reine Software vs. Hardware

Bevor wir die Vor- und Nachteile hyper-konvergenter Lösungen diskutieren, sehen wir uns zunächst die Modelloptionen an. Hyper-konvergente Systeme können entweder als Appliances mit Soft- und Hardware oder als reine Software-Produkte erworben werden.

Appliance-Produkte haben bestimmte Vorzüge gegenüber reinen Software-Produkten, unter anderem:

Getestete Integration. Hier haben die Hersteller bereits alle Integrationstest mit den individuellen Komponenten durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Konfiguration effizient läuft. Das heißt zum Beispiel, das bereits die passenden HBAs und SCSI-Controller verbaut sowie auf ihre Performance und Zuverlässigkeit getestet wurden. Bei einem Upgrade werden nur einige wenige Hardware-Tests erforderlich, was den Upgrade-Prozess vereinfacht und kontrollierbarer macht.

Performance Benchmarks. Hersteller können eigene Benchmark-Tests ihrer Lösungen durchführen und somit gute Empfehlungen darüber geben, wie viele VMs in einer Konfiguration unterstützt werden können. Das gibt Anwendern mehr Kontrolle über die spezifischen Modelle und bestimmte Anzahl, die sie für ihre Anforderungen anschaffen müssen.

Verfechter der reinen Software-Lösungen betonen, dass ihre Produkte die so genannte Hardware-Steuer eliminieren, die jeder Hersteller für alle durchgeführten Komponenten-Validierungen in Rechnung stellt. Anwender, die sich bereits bei einem Hersteller gut aufgehoben fühlen, können eine reine Software-Lösung auf bestehender Hardware oder auf günstigerer Hardware dieses Herstellers installieren. Der Nachteil hierbei ist, dass der Anwender dann nicht mehr nur einen Ansprechpartner bei Problemen hat, so dass die Diagnose spezifischer Probleme extrem erschwert werden könnte (wie schon bei VMware VSAN und SCSI-Controller).

Vor- und Nachteile der Hyper-Konvergenz

Ob nun als Appliance oder Software, hyper-konvergente Infrastruktur-Produkte  offerieren den Anwendern einige Vorteile, haben aber auch Nachteile.

Einfach einzusetzen. Dies ist wahrscheinlich der bekannteste Kosten und Ressourcen sparende Vorteil der Hyper-Konvergenz. Eine solche Lösung lässt sich typischerweise innerhalb von wenigen Stunden installieren und in Betrieb nehmen. Bei anderen großen Lösungen für virtuelle Server kann das Tage und Wochen in Anspruch nehmen. 

Größtenteils kleinere Firmen erleben diesen Einsparungseffekt, da sie nicht über dedizierte IT-Teams verfügen, welche die Lösung zusammensetzen. Installationsvorteile waren natürlich auch die stärksten Pluspunkte der ersten hyper-konvergenten Lösungen.

Geringere Kosten. Man kann sich darüber streiten, ob hyper-konvergente Lösungen günstiger sind als der Einsatz einer zugeschnittenen Lösung für virtuelle Server, zumindest von der Hardware-Seite aus. Betrachtet man aber auch die Betriebskosten, so entstehen mit hyper-konvergenten Lösungen oft geringere Kosten.

Einfaches Management. Hyper-konvergente Lösungen offerieren ein einfacheres Management. So lassen sich beispielsweise einzelne Nodes in Clustern entfernen oder hinzufügen, was einen kontinuierlichen Upgrade-Pfad gewährleistet. Darüber hinaus arbeiten Hersteller daran, das Eco-System ihrer Produkte zu verbessern, indem sie optimierte Monitoring- und Alarmfunktionen hinzufügen. Diese erlauben einen pro-aktiven Support bei Hardware-Ausfällen.

Ressourcennutzung. Da die Nodes hyper-konvergenter Lösungen sowohl Compute als auch Storage bereitstellen (Performance und Kapazität), besteht natürlich das Risiko, dass zusätzlich Storage oder Compute benötigt und angeschafft werden muss, während die andere Ressource noch nicht völlig ausgenutzt wird. 

Hersteller adressieren das Problem, indem sie unterschiedliche Node-Konfigurationen zulassen und asymmetrische Node-Konfigurationen unterstützen. Dabei können viele verschiedene Nodes innerhalb der gleichen Konfiguration gemischt werden.

Anwendungsszenarien für hyper-konvergente Systeme

Wie bei jeder anderen technologischen Kaufentscheidung, muss auch bei hyper-konvergenten Lösungen eine Evaluierung erfolgen, um zu sehen, ob die Lösung den Rechenzentrumsanforderungen entspricht. Zunächst wurden diese Produkte von kleineren Unternehmen eingesetzt, besonders dort, wo Ressourcen fehlten und Prozesse vereinfacht werden sollten. 

Aus der Perspektive der Anwendung gibt es keine Einschränkungen, obwohl transaktionsreiche Anwendungen sich wahrscheinlich nicht so gut eignen. Unternehmen nutzen hyper-konvergente Systeme für alle möglichen Workloads, was es für traditionelle Hersteller schwierig macht, individuelle Komponenten-Architekturen an den (IT-)Mann zu bringen. Allerdings eignen sich hyper-konvergente Lösungen auch für andere, isoliertere Aufgaben wie zum Beispiel für VDI-Umgebungen oder das Hosten von Standalone-Applikationen.

Beispiele hyper-konvergenter Produkte

Der Markt echter hyper-konvergenter Anbieter ist relativ klein und umfasst einige erwähnenswerte Appliance-Hersteller ebenso wie reine Software-Anbieter.

Nutanix (Appliance). Nutanix ist wahrscheinlich der bekannteste Hersteller Appliance-basierter Hyper-Konvergenz-Lösungen. Das Unternehmen wurde 2009 gegründet und lieferte seine ersten Produkte unter der Marke „No SAN“ 2011 aus – lange vor dem Hype um Hyper-Konvergenz.

Das Kernprodukt ist die Virtual Computing Platform (VCP), ein Scale-out-, Node-basiertes Produkt, das zunächst auf dem VMware vSphere ESXi Hypervisor aufbaute und nun auch Hyper-V und KVM unterstützt. Storage-Funktionen werden hier über das Nutanix Distributed Filesystem (NDFS) implementiert. NDFS ist ein verteilter Storage-Layer – ähnlich dem Google File System – und nutzt Feature wie MapReduce, um Deduplizierung und andere Effizienzfunktionen umzusetzen.

Die Hardware-Plattform ist in sechs Modellen unterschiedlicher Kapazität und Performance erhältlich, unter anderem auch ein All-Flash-System, das NX-9000. Das Unternehmen ging zudem eine Partnerschaft mit Dell ein, um die Nutanix-Software auch auf Dell-Hardware einsetzen zu können.

SimpliVity (Appliance). SimpliVity wurde auch 2009 gegründet, brachte aber seine ersten Produkte erst im April 2013 auf den Markt. Das Unternehmen vertreibt OmniCube – ebenso eine Scale-out-, Node-basierte Appliance. Einige der OmniCube-Daten werden an dedizierte PCIe-Karten geleitet, die Deduplizierung und Kompression in Echtzeit vornehmen. 

Die Datenreduktion lässt sich global ausrollen, was es erlaubt, OmniCube in unterschiedlichen Standorten zu installieren. Hier müssen dann nur neue Daten zwischen den Standorten repliziert werden, nachdem die VM-Images verteilt wurden.

Scale Computing (Appliance). Scale Computing verfolgt einen anderen Ansatz, indem es den Open-Source-Hypervisor KVM nutzt. Dafür musste das Unternehmen seinen eigenen geclusterten, Block-basierten Storage-Layer entwickeln, der als Scale Computing Reliable Independent Block Engine (Scribe) bekannt ist. Scribe abstrahiert den physischen Storage und implementiert I/O-Caching über alle Ressourcen hinweg. Der Hersteller entwickelte zudem eine State Engine, um den Status aller physischen Hardware-Komponenten zu verwalten.

Das Unternehmen fokussiert sich auf kleinere und mittelgroße Firmen (KMU) und nutzt die Open-Source-Software, um die „VMware-Steuer“ anderer Lösungen zu eliminieren.

Nimboxx (Appliance). Nimboxx ist ein weiterer Hyper-Konvergenz-Hersteller, der sein Produkt auf Open-Source-Software aufbaut, insbesondere auf KVM. Das Unternehmen behauptet, seine Lösung lasse sich in weniger als zehn Minuten installieren und einsetzen und gewährleiste eine zehnmal bessere Storage-Performance als der Wettbewerb.

Gridstore (Appliance). Gridstore hat seine Hyper-V-basierte Scale-out-Lösung als hyper-konvergente Lösung neu positioniert, als Gridstore HyperConverged Appliance. Die Produktlinie umfasst Systeme mit All-Flash oder hybrides Storage. Kapazität lässt sich durch zusätzliche hybride oder Kapazitäts-Storage-Nodes hinzufügen.

VMware EVO:RAIL (Software, Referenzmodell). Die EVO:RAIL-Plattform wurde auf der VMworld 2014 vorgestellt und ist eine Kollaboration zwischen VMware (Software) und einer Anzahl an Hardware-Partnern. Dazu gehören derzeit Dell, EMC, Fujitsu, Hewlett-Packard, Hitachi, NetApp und Super Micro Computer. 

Die Lösung folgt Vmwares Vision des Software-defined Data Centers und enthält Komponenten wie Virtual SAN, um einen verteilten Storage-Layer sowie eine schnelle Installation zu gewährleisten. Der größte Nachteil dieser Lösung ist die enge Verbindung zu VMware. Nur dieser Hypervisor wird unterstützt, was für manche Kunden problematisch sein kann.

In der Software-Kategorie sind neben VMware auch Lösungen von Atlantis Computing, DataCore Symphony, EMC ScaleIO, Maxta und StarWind erhältlich. Diese Produkte sind nicht so umfassend und funktionsreich wie die Appliances. Hier benötigt der Anwender ein gewisses Maß an Erfahrung, um die Integration umsetzen zu können.

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Artikel wurde zuletzt im April 2015 aktualisiert

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1 Kommentar

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Ein sehr guter Artikel zur Einführung. Bei den Beispielen ist es mir aber zu Appliance-Lastig. Hyper-konvergent Lösungen können auch flexibel und offen gestaltet werden auf Basis einer SDS-Lösung. Da gibt es auch einige große und kleine Anbieter mit denen man von der Hardware und/oder Bertriebssystem/Hypervisor unabhängig ist.
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