I/O-Konsolidierung

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Teil 10 von 19 aus der Serie "Virtualisierungstechniken"

Sollen VMs freizügig auf Betriebsmittel zugreifen können, ist es nicht besonders sinnvoll, wenn sie dies über unterschiedliche Medien bzw. Netze erledigen müssen. Das erhöht die Komplexität und erschwert die VM-Wanderung erheblich. Problematisch ist hier vor allem der Speicherzugriff, weil in der Vergangenheit SANs häufig mit Fibre Channel aufgebaut wurden, alle anderen Betriebsmittel jedoch über Ethernet zu erreichen sind. Mit der I/O-Konsolidierung möchte man hier Abhilfe schaffen.

Kern der I/O-Konsolidierung ist die Konvergenz von LAN und SAN im RZ. Hersteller und Standardisierung haben uns in diesem Zusammenhang mit einer Unmenge neuer Begriffe überflutet, iSCSI, FCIP, FCoE, EoFC, CEE, DEE und DCB sind nur einige davon. Der enge Zusammenhang zwischen Virtualisierung und Speichertechnologie wurde ja bereits angesprochen.

In heutigen RZs benutzen Unternehmen üblicherweise Ethernet für die TCP/IP-Netze und Fibre Channel für Storage Area Networks SAN.

Ethernet-Netzwerke werden üblicherweise dazu aufgebaut, dass Benutzer relativ geringe Datenmengen über LANs oder auch größere Distanzen bekommen können.

Storage Area Networks in Unternehmen und Organisationen implementiert, die für Anwendungen wie Booting, Mail Server, File Server oder große Datenbanken den Zugriff auf Block-I/O benötigen.

Die Vorteile der SANs sind:

  • zentralisiertes Management,
  • hohe Sicherheit,
  • sinnfälliger Verwaltung der Speicher-Ressourcen,
  • einheitliche Darstellung und Implementierung spezieller Storage Services, wie periodische Backups,
  • Unterstützung des Betriebs effektiver Benutzungsniveaus der Speicher-Ressourcen.

Die Konvergenz von LAN und SAN im RZ bringt eine Reihe möglicher Vorteile. Sie
beruht auf der Abbildung von „Speicherverkehr“ auf die Ethernet Switching Fabric mittels einer geeigneten Technologie wie z. B.

  • iSCSI,
  • FCoE,
  • FCIP.

iSCSI ist bewährt und problemlos. FCoE klingt zunächst einmal gut, stellt aber zusätzliche Anforderungen an die Ethernet Switching Fabric, die ggf. komplex und kritisch werden können, obwohl sie sich zunächst trivial anhören:

  • Lossless Ethernet
  • Congestion Notification & Control

Nach einigen Anlaufschwierigkeiten kann man heute sagen, dass FCoE mittlerweile gut funktioniert. Die notwendigen Erweiterungen der Grundfunktionen eines Ethernets konnten mit den IEEE DCB (Data Center Bridging)-Protokollen erfolgreich etabliert werden. Der ANSI-Standard FC-BB-5 erweitert mit entsprechneden Zusatzfunktionen die Kommunikationsfähigkeiten von FC-Geräten und FC-Fabrics auf die Gegebenheiten eines mittels DCB konvergierten Ethernets.

Das Data Center Ethernet als Grundlage für FCoE ist eine unmittelbare Weiterentwicklung des Ethernets mit zusätzlichen funktionalen Elementen, siehe dazu Bild 1.

I/O-Konsolidierung ist von der Konzeption her sehr einfach: man bringt SAN- und Ethernet-Verkehr auf das gleiche Kabel.

In Fällen, wo die Trennung dieser Netze aus welchen Gründen auch immer gewünscht ist, bleibt immer noch der Vorzug, dass man die gleiche Hardware für beide Typen von Netzlast flexibel nutzen und zuordnen kann.

Die Vorzüge dieser einfachen Idee für die Anwender sind enorm. Unternehmen, die eine derartige I/O-Konsolidierung vornehmen, werden

  • erhebliche Gewinne in der Slot-Effektivität von Servern haben
  • mit Multifunktions-Netzwerk- und Storage Adaptern die Verkabelung eines Racks erheblich vereinfachen
  • die Abwärme, die ein Server erzeugt, reduzieren (und damit den Stromverbauch)

Heute benutzt man 4,6, oder sogar 8 Netzwerk-Adapter in kritischen Servern. Das können z. B. 2 FC-Host Bus-Adapter und 2 Ethernet NICs sein, bei virtuellen Maschinen je nach Vorgaben des VM-Herstellers auch bis zu vier NICs zusätzlich.

I/O-Konsolidierung bedeutet dass ein Kunde statt dessen Multifunktions- Netzwerk/Speicher-Adapter anstelle der netzwerkspezifischen Karten einsetzen kann, und zwar nur zwei. Dadurch spart man bei

  • Rack-Verkabelung
  • Verkabelung generell
  • Switch-Ports
  • I/O-Stromverbrauch
  • Switch-Stromverbrauch
  • Kühlung

In Bild 2 sieht man sehr deutlich, was gemeint ist. Schon ohne Virtualisierung ergibt sich ein deutlicher Effekt, der mit Einführung der Virtualisierung noch deutlich verstärkt wird.

Die Alternativen zur I/O-Konsolidierung sind iSCSI, FCIP, iFCP und FCoE.

  • iSCSI setzt auf TCP/IP auf und geht erst damit auf die Ethernet-Schicht. Damit kann es alle Kontrollfunktionen von TCP/IP benutzen.
  • FCIP ist eine Möglichkeit, FC-Funktionalität auf TCP/IP aufzusetzen. FCIP kann alle Kontrollfunktionen von TCP/IP benutzen, ist aber nicht so marktgängig.
  • iFCP ist eine ähnliche Konstruktion und ebenfalls wenig marktgängig
  • FCoE ist ein neuer Standard im Rahmen des ANSI-Standards zu FC-Backbone Bridges (FC_BB_E), bei dem die TCP/IP-Schichten nicht durchlaufen werden müssen. Dafür werden erhöhte Anforderungen an die Ethernet-Schicht gestellt: „lossless“ Ethernet

Bei allen Alternativen wird der FC-Verkehr auf ein Ethernet mit oder ohne TCP/IP abgebildet. Bild 3 zeigt, wie das in den üblichen Protokoll-Stack eingebettet wird.

Hinter iSCSI und FCoE stehen jeweils Herstellerinteressen sowohl auf der Speicher- als auch auf der Netzwerkseite.

Es gibt eine wüste und unübersichtliche Auseinandersetzung zwischen den jeweiligen Befürwortern von iSCSI und FCoE.

Im Grunde ist diese Auseinandersetzung ebenso wenig sachlich wie hilfreich denn:

  • jemand, der heute iSCSI im unteren und mittleren Leistungsbereich einsetzt und damit zufrieden ist, hat keinen Grund auf FC oder FCoE zu wechseln.
  • jemand, der heute im oberen Leistungsbereich FC einsetzt, wird sich FCoE oder EoFC ansehen.
  • die Substitutionskonkurrenz wird überschätzt.

Außerdem gab es sehr gute Fortschritte hinsichtlich der Hardware-Beschleunigung von iSCSI, z. B. bei HP. Wir sehen jetzt 4-Gb-iSCSI, technisch ist 2010/11 auch 8-Gb-iSCSI möglich. Bild 4 fasst wesentliche Charakteristika von iSCSI, FC und FCoE zusammen. Bild 5 und Bild 6 zeigen die Möglichkeiten des Hardware-Offloads für iSCSI an Messungen aus dem Jahr 2008.

Mittlerweile hat der Chiphersteller Broadcom die Diskussion auf seine Weise erledigt: es gibt eine Reihe von Switch-ASICs, die direkt Koprozessoren für iSCSI und FCoE besitzen und die notwendigen Funktionen ohne Einschränkung der Line Rate (10-GbE) ausführen. Verbaut man diese ASICs in einem Switch, können beim Betrieb beide Varianten, auch bunt gemischt, unterstützt werden.

Fassen wir zusammen:

I/O-Konsolidierung ist möglich und hat folgende Vorzüge für ein RZ:

  • weniger NICs pro Server,
  • Reduktion im Power Budget für die Server,
  • Reduktion der Anforderungen an die Kühlung,
  • signifikante Reduktion der Kabelmenge,
  • nahtlose Konnektivität zwischen SANs und Ethernet,
  • Bewahrung aller Investitionen in FC-Infrastruktur und -Betrieb.

iSCSI ist bekannt und bewährt, benötigt aber relativ hohe Prozessorleistung. Dies kann man aber durch Hardware-Beschleuniger wesentlich mildern.

FCoE kann den FC über Ethernet laufen lassen aber: die Voraussetzungen an das Netz sind höher.

In der nächsten Folge kommen wir zu der Fragestellung, in welcher Weise ein virtualisiertes System überhaupt von einem konsolidierten Netz profitieren kann.

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