Virtualiseeritud andmekeskuse disain

Sissejuhatus

Kasutaja vaatenurgast on teabe süsteem hästi määratletud standardis GOST RV 51987 — „automaatne süsteem, mille toimimise tulemuseks on väljuminformatsiooni esitlemine edasiseks kasutamiseks“. Kui vaadata sisemist struktuuri, on iga IS põhimõtteliselt koodis ellu viidud omavahel seotud algoritmide süsteem. Laiemas mõttes realiseerib Turingi- Churchi tees algoritm (ja sellega seoses IS) mitme sisendandmete muundamise mitmeks väljundandmeks.
Võib isegi öelda, et sisendandmete muundamises peitub teabe süsteemi olemus. Seetõttu määratakse IS ja kogu IS kompleksi väärtus läbi sisendi ja väljundi andmete väärtuse.
Selle põhjal peaks projekteerimine algama ja aluseks võtma andmed, kohandades arhitektuuri ja meetodeid andmete struktuuri ja tähenduse järgi.

Salvestatud andmed
Projekteerimise ettevalmistamise olulise etapi moodustavad omaduste saamine kõigi andmekogude kohta, mida plaanitakse töödelda ja hoida. Need omadused hõlmavad järgmist:
— Andmete maht;
— Andmete elutsükli teave (uusandmete kasv, eluaeg, vanade andmete töötlemine);
— Andmete klassifikatsioon ettevõtte põhitegevusele mõju poolelt (kolmnurgas konfidentsiaalsus, terviklikkus, kättesaadavus) koos rahanduse näitajatega (nt andmekao maksumus viimase tunni jooksul);
— Andmete töötlemise geograafia (töötlemisseadmete füüsiline asukoht);
— Regulatiivsed nõuded iga andmeklassi kohta (nt FZ-152, PCI DSS).

Infosüsteemid

Andmeid mitte ainult ei salvestata, vaid töödeldakse (muudetakse) ka infosüsteemides. Järgmiseks sammuks andmete omaduste määratlemise järel on maksimaalselt täpne infosüsteemide inventeerimine, nende arhitektuurilised omadused, omavahelised sõltuvused ning nõuded infrastruktuurile nelja tüüpi ressursside tingimustes:
— Protsessorite arvutusvõime;
— Operatiivmälu maht;
— Nõuded andmesalvestussüsteemi mahule ja jõudlusele;
— Andmesidevõrgu nõuded (välistooted, kanalid infosüsteemi komponentide vahel).
Nõuded peavad olema iga teenuse/mikroteenuse kohta, mis kuulub IS-i koosseisu.
Erakordselt on oluline märkida, et õige projekteerimise jaoks peavad olema andmed IS-i mõju kohta ettevõtte põhitegevusele rahalise seisuga IS-i seiskumise korral (rubla tunnis).

Ohtude mudel

Kohustuslik on olemasolev ametlik ohtude mudel, mille eest plaanitakse andmeid/teenuseid kaitsta. See mudel hõlmab mitte ainult konfidentsiaalsuse, vaid ka terviklikkuse ja kättesaadavuse aspekte. St näiteks:
— Füüsilise serveri rike;
— Top-of-the-rack lüliti rike;
— Optilise ühenduse katkestamine andmekeskuste vahel;
— Operatiivse andmehoidla täielik rike.
Mõnel juhul kirjutatakse ohtu mudelid mitte ainult infrastruktuuri komponente, vaid ka konkreetsete IS-ide või nende komponentide kohta, näiteks DBMS-i rike koos andmestruktuuri loogilise hävitamisega.
Kõik projekti raames tehtud otsused kaitse kohta mittekirjeldatud ohtude vastu on ebavajalikud.

Regulaatorite nõuded

Kui töödeldavad andmed kuuluvad regulatiivsete organite kehtestatud erireeglite alla, on kohustuslik esitada teave andmekogumite ja töötlemise/hoidmise reeglite kohta.

Eesmärgid RPO / RTO

Iga kaitsetüübi kavandamine nõuab sihtandmete kaotuse ja teenuse taastamise aja näitajaid iga kirjeldatud ähvarduse jaoks.
Ideaalis peaks RPO ja RTO omama seotud kulusid andmete kaotuse ja seisaku kohta ajaühikus.

Ressursipoolide jagamine

Pärast kogu esmase siseteabe kogumist on esimene samm andmekogumite ja infosüsteemide rühmitamine basseinides, lähtudes ähvardusmudelitest ja regulatiivsetest nõuetest. Määratakse erinevate basseinide jagamise tüüp – programmiliselt süsteemitarkvara tasandil või füüsiliselt.
Näited:
— Isikuandmeid töötlev kontuur on täielikult füüsiliselt eraldatud teistest süsteemidest;
— Varukoopiad hoitakse eraldi andmesalvestuslahenduses.

Selle käigus võivad poolused olla osaliselt iseseisvad, näiteks määratakse kaks arvutusressursi madalat, mis kasutavad ühte andmete salvestamise ja ühte andmeedastusressursi auku.

Arvutusvõime

Virtuaalse andmekeskuse arvutusvõime abstraktsed vajadused mõõdetakse virtuaalsete protsessorite (vCPU) arvu ja nende koondumise määra füüsilistes protsessorites (pCPU). Antud juhul 1 pCPU = 1 füüsiline protsessorituum (ilma Hyper-Threadingut arvestamata). vCPU arv summeeritakse kõikides määratud ressursipoolides (igal neist võib olla oma koondumise määr).
Koondumise määr koormatud süsteemide puhul saadakse empiiriliselt, tuginedes juba olemasolevale infrastruktuurile või pilotinstallatsiooni ja koormustestidele. Mittekoormatud süsteemide puhul rakendatakse 'parimaid praktikaid'. Eriti VMware nimetab keskmiseks koondumise määraks 8:1.

Operatiivmälu

Kogu vajadus RAM-i järele saadakse lihtsa summeerimise teel. Operatiivmälu ülekirjutamist ei soovitata.

Salvestusressursid

Salvestusressurite nõuded saadakse, liites kokku kõik mahtude ja tootlikkuse basseinid.
Tootlikkuse nõuded väljenduvad IOPS-i kaudu koos keskmise lugemise/kirjutamise suhtega ja vajadusel maksimaalse reageerimisaega.
Teenuse kvaliteedi (QoS) nõuded peavad olema eraldi näidatud konkreetsete basseinide või süsteemide jaoks.

Andmeedastusvõrgu ressursid

Andmeedastusvõrgu nõuded saadakse, liites kokku kõik ribalaiuse basseinid.
Teenuse kvaliteedi (QoS) ja latentsuse (RTT) nõuded peavad olema eraldi näidatud konkreetsete basseinide või süsteemide jaoks.
Andmeedastusvõrgu ressursside nõuete raames tuleb samuti näidata võrguühenduse isoleerimise ja/või krüpteerimise nõuded ning eelistatud mehhanismid (802.1q, IPSec jne)

Arhitektuuri valik

Käesolevas juhendis ei käsitleta muud valikut kui x86 arhitektuur ja 100% serverite virtualiseerimine. Seetõttu piirdub arvutusallika arhitektuuri valik serveri virtualiseerimisplatvormi, serverite vormifaktori ja serverite üldiste konfiguratsiooninõuete valikuga.

Valiku peamine aspekt on kindel otsus kasutada traditsioonilist lähenemist, kus andmete töötlemise, salvestamise ja edastamise funktsioonid on eraldatud, või konvergente.

Klassikaline arhitektuur eeldab intellektuaalsete välistest andmesalvestus- ja edastuslahenduste kasutamist, samal ajal kui serverid toovad üldisse füüsiliste ressursside hulka vaid protsessorivõimsuse ja mälumahtu. Äärmuses muutuvad serverid täiesti anonüümsed, omamata mitte ainult oma kettaid, vaid isegi süsteemi identifikaatorit. Sel juhul kasutatakse operatsioonisüsteemi või hüperviisori laadimist sisseehitatud välkmägedelt või välistest andmesalvestussüsteemidelt (boot from SAN).
Klassikalise arhitektuuri raames toimub valik lamineerimise (blade) ja riiulisüsteemide (rack) vahel eelkõige järgmiste põhimõtete kohaselt:
— Kulutõhusus (keskmiselt on kassiserverid odavamad);
— Arvutusdensiivsus (labidatel on kõrgem);
— Energiatarve ja soojustootmine (labidatel on suurem ühekohaline soojus);
— Skaalautuvus ja haldamisvõime (labidate puhul on suuremate paigalduste korral vähem pingutust);
— Laiendusseadmete kasutamine (labidate puhul on valik väga piiratud).
Konvergeeritud arhitektuur (tuntud ka kui hüperkonvergeeritud) ühendab andmete töötlemise ja salvestamise funktsioone, mis toob kaasa kohalike ketaste kasutamise serverites ja seetõttu loobub klassikaliste labidate vormitegurist. Konvergeeritud süsteemide jaoks kasutatakse kas kassiservereid või klastrisüsteeme, mis ühendavad ühes korpuses mitu labidaserverit ja kohalikke kettaid.

CPU / Mälu

Konfiguratsiooni õige arvutamiseks on oluline mõista keskkonna koormust või iga iseseisva klastri koormust.
CPU piiratud – keskkond, mille jõudlus on piiratud protsessori võimsusega. Lisamälu ei muuda midagi jõudluse (serveris olevate VMide arvu) osas.
Mälu piiratud – mäluga piiratud keskkond. Suurem serveri mäluhulk võimaldab käitada rohkem virtuaalmasinaid.
GB / MHz (GB / pCPU) – see on keskmine suhe, mis mõõdab selle konkreetse koormuse mälu ja protsessori jõudluse tarbimist. Seda saab kasutada vajaliku mäluhulga arvutamiseks antud jõudluse korral ja vastupidi.

Serveri konfiguratsiooni arvutamine

Kõigepealt tuleb määrata kõik koormustüübid ja otsustada, kas ühendada või jagada erinevaid arvutusgruppe erinevatesse klastritesse.
Seejärel määratakse iga määratud klastri puhul suhe GB / MHz, teades eelnevalt koormust. Kui koormus ei ole teada, kuid on ligikaudne arusaam protsessorijõudluse tasemest, saab kasutada standardseid vCPU:pCPU koefitsiente nõudmiste tõlkimiseks füüsilistesse reaalsetesse protsessoritesse.

Iga klastri puhul jagame vCPU nõudmiste summa koefitsiendiga:
vCPU_summa / vCPU:pCPU = pCPU_summa – vajalike füüsiliste tuumade arv
pCPU_summa / 1.25 = pCPU_ht – tuumade arv koos Hyper-Threading'i korrigeerimisega
Oletame, et peame arvutama klastrit, millel on 190 tuuma / 3,5 TB RAM-i. Eesmärgiks on 50% protsessori koormuse ja 75% mälu koormuse saavutamine.

pCPU
190
CPU kasutus
50%

Mälu
3500
Mälu kasutus
75%

Sokkel
Põhi
Srv / CPU
Srv Mälu
Srv / Mälu

2
6
25,3
128
36,5

2
8
19,0
192
24,3

2
10
15,2
256
18,2

2
14
10,9
384
12,2

2
18
8,4
512
9,1

Sellisel juhul kasutame alati kõige lähemale ümmardamist ülespoole (=ROUNDUP(A1;0)).
Tabelist on selgelt näha, et tasakaalustatud valikud sihtnäitajate osas on mitu serveri konfiguratsiooni:
— 26 serverit 2*6c / 192 GB
— 19 serverit 2*10c / 256 GB
— 10 serverit 2*18c / 512 GB

Valik nende konfiguratsioonide vahel tuleks teha arvesse võttes muid tegureid, nagu näiteks soojusenergia ja saadaval olev jahutus, juba kasutusel olevad serverid või hind.

Serveri konfiguratsiooni valimise eripärad

Laiad VM-id. Kui on vaja paigutada laiu VM-e (mis on võrreldavad 1 NUMA sõlmega või suuremad), on soovitatav valida server, mille konfiguratsioon võimaldab selliste VM-ide jäämist NUMA sõlme piiresse. Suure hulga laiade VM-ide korral on oht klastrite ressursside fragmenteerimiseks ja sel juhul tuleks valida serverid, mis võimaldavad laiaid VM-e paigutada võimalikult tihedalt.

Ühe punkti viga domeeni suurus.

Serveri suuruse valik toimub samuti ühe punkti vea minimiseerimise põhimõttest lähtuvalt. Näiteks, kui valida järgnevate vahel:
— 3 x 4*10c / 512 GB
— 6 x 2*10c / 256 GB
Muudel juhtudel tuleks valida teine variant, kuna ühe serveri rikke (või hoolduse) korral kaotatakse mitte 33% klastrite ressurssidest, vaid 17%. Samuti väheneb kaks korda virtualiseeritud masinate ja süsteemide arv, millele avarii mõjus.

Klassikalise salvestusseadmese jõudluse arvutamine

Klassikaline salvestusseade arvutatakse alati halvimat stsenaariumi (worst case scenario) silmas pidades, jättes välja operatiivmälu vahemälu ja tehingute optimeerimise mõju.
Alusnäitajatena võetakse aluseks mehaaniline jõudlus kettalt (IOPSdisk):
— 7.2k – 75 IOPS
— 10k – 125 IOPS
— 15k – 175 IOPS

Edasi arvutatakse kettakogus kettakogumis järgmiselt: = TotalIOPS * ( RW + (1 –RW) * RAIDPen) / IOPSdisk. Kus:
— TotalIOPS – kokku vajalik jõudlus IOPS jõul kettakogumilt
— RW – lugemisoperatsioonide osakaal
— RAIDpen – RAID karistus valitud RAID tasemele

RAID ja RAID karistuse seadistamisest räägitakse siinsamas — SAN-i jõudlus. Esimene osa. ja SAN-i jõudlus. Teine osa. ja SAN-i jõudlus. Kolmas osa.

Kuna on saadud ketaste arv, arvutatakse võimalikud variandid, mis vastavad salvestusmahu nõuetele, sealhulgas mitme tasandi salvestamise variandid.
SSD-de kasutamisega süsteemide arvutamine salvestustasandina käsitletakse eraldi.
Flash Cache'i arvutamise eripärad

Flash Cache on üldnimetus kõigile kaubamärgitehnoloogiatele, mis kasutavad löögimälu teise taseme vahemäluna. Flash-keskmise kasutamise korral arvutatakse SAN tavaliselt magnetketastega rajatud koormuse jaoks, samas kui tipukoormuse katab vahemälu.
Siiski on oluline mõista koormuse profiili ja pöördumiste lokaliseerimise määra salvestustehnoloogia blokki. Flash-cache on tehnoloogia, mis sobib kõrge pöördumise lokaliseerimisega koormustele, kuid on praktiliselt kasutamatu ühtlaselt koormatud mahtude jaoks (näiteks analüütiliste süsteemide puhul).

Hübriidsüsteemide arvutamine low-end / mid-range

Hübriidsüsteemid madalamate ja keskklasside jaoks kasutavad mitmekihilist salvestust, liigutades andmeid tasemete vahel vastavalt ajakavale. Samal ajal on parimate mudelite mitmekihilise salvestuse ploki suurus 256 MB. Need omadused ei võimalda pidada mitmekihilist salvestust jõudluse suurendamise tehnoloogiaks, nagu paljud ekslikult arvavad. Mitmekihiline salvestus madala ja keskklassi süsteemides on salvestuse kulutõhususe optimeerimise tehnoloogia, mis sobib süsteemidele, kus koormus on selgelt ebaühtlane.

Mitme tasandi salvestamise puhul arvutatakse peamiselt ülemise tasandi jõudlust, samas kui alumine salvestustase loetakse lihtsalt täiendavaks salvestusmahuks. Hübriidse mitme tasandi süsteemi puhul on kohustuslik kasutada flash-cache tehnoloogiat tasemete vahel, et kompenseerida jõudluse langust äkki kuumenenud alumise tasandi andmete jaoks.

SSD kasutamine mitme tasandi ketta kuber.

SSD kasutamine mitme tasandi ketta kuber erineb sõltuvalt flash-cache algoritmide rakendamise eripäradest selle tootja juures.
Üldine salvestuspoliitika praktika SSD tasemega ketta kuber on SSD first.
Ainult lugemise flash-cache. Ainult lugemise flash-cache tasemel SSD tekib siis, kui kirjutamisoperatsioonide lokaliseerimine toimub oluliselt sõltumatult cache'ist.
Lugemine / kirjutamine flash-cache. Kirjutamise flash-cache puhul määratakse esmalt maksimaalne cache'i maht ja SSD salvestustase tekib ainult siis, kui cache'i suurus ei ole piisav kogu lokaliseeritud koormuse teenindamiseks.
SSD ja puhverdamise jõudluse arvutamine toimub alati tootja soovituste alusel, kuid alati halvimates tingimustes.

Allikas: habr.com