Стратегия межЦОДовского взаимодействия

Современные компании предъявляют к ЦОД широкий набор требований: от обеспечения глобального доступа к данным до поддержки приложений для мобильных устройств. Все чаще передовые компании, такие как Microsoft, Google, Yahoo! и др., делают ставку на создание «зеленых» ЦОД, которые позволяют максимально эффективно использовать электроэнергию, средства охлаждения, технологическое пространство и сетевые ресурсы. Ища новые места для строительства ЦОД и формулируя новые подходы к использованию их мощностей, компаниям приходится принимать во внимание целый ряд факторов, среди них:

• рост бизнеса — за счет как собственного развития, так и слияний и поглощений;
• потребность снизить расходы, консолидируя информационные ресурсы в ЦОД;
• экономия за счет выбора для ЦОД места с более низкой стоимостью земли, энергии и воды;
• географическая диверсификация рисков для обеспечения непрерывности бизнес-процессов.

В случае географического разнесения площадок ЦОД различные системы, в том числе хранения информации, должны быть способны работать через городские (MAN) и глобальные (WAN) сети. В некоторых случаях узлы ЦОД могут быть удалены друг от друга на сотни и даже тысячи километров.

Многим компаниям приходится поддерживать работу как новых, так и унаследованных приложений. С годами для каждого приложения формировались свои подключения через территориально распределенные сети, что в результате привело к большому числу таких подключений, а следовательно, к неэффективному использованию ресурсов каналов связи, плохой управляемости и чрезмерному расходованию полосы пропускания.

Требования к сети со стороны бизнеса продолжают расти. Предприятия развертывают все новые приложения, «жадные» до полосы пропускания. Доступ к информации в реальном времени должен быть обеспечен из множества мест по всему миру. Неудивительно, что объемы трафика IP стремительно увеличиваются: в ближайшее четырехлетие ежегодный рост, по прогнозу, составит 46%. Ежегодный же рост ресурсов систем хранения достигает 60%. Постоянно ужесточаются и требования к алгоритмам защиты данных.

Новые задачи накладывают серьезную нагрузку на сетевую инфраструктуру и на бюджет организаций. Необходима выработка стратегического подхода к развитию сетей ЦОД. Трафик критически важных приложений должен обслуживаться с предсказуемым качеством, с минимальной задержкой и высокой скоростью. Гибкое и прозрачное управление из конца в конец трубуется обеспечить для широкого набора клиентских интерфейсов и приложений. Наконец, повышение пропускной способности должно осуществляться максимально экономично.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВАРИАНТЫ

Сегодня существует немало технологий, с помощью которых можно обеспечить необходимую для межЦОДовского взаимодействия пропускную способность (см. Рисунок 1). Выбор оптимального решения требует анализа множества факторов, а также хорошего понимания специфики работы приложений. Высокие требования к безопасности, обеспечение независимости путей передачи данных и их резервирования — все это очень важные задачи, повышающие стоимость решения. Поэтому важно найти разумный компромисс между стоимостью и требуемыми характеристиками.

Рисунок 1. Выбор технологий для межЦОДовского взаимодействия.

Традиционные услуги SONET/SDH постепенно заменяются более гибкими сервисами Carrier Ethernet и оптическими каналами со спектральным мультиплексированием (Wavelength Division Multiplexing, WDM). Последние могут быть реализованы в собственной корпоративной сети или получены в качестве управляемого сервиса от оператора связи. При соединении ЦОД по каналам WDM достигаются наивысшая и хорошо масштабируемая производительность, минимальная задержка, четко определенные параметры соединений и высокая степень безопасности. Объединив в одном канале WDM несколько соединений, можно упростить структуру сети и снизить эксплуатационные расходы.

Кроме того, стремительно развиваются сервисы Carrier Ethernet, которые часто приходят на смену выделенным линиям. Для подключения ЦОД эти сервисы могут применяться в двух основных вариантах: Ethernet Private Line (E-Line) или E-LAN. Например, E-Line позволяет подобрать скорость передачи, более точно соответствующую реальным потребностям приложений, чем в случае использования выделенной линии. В целом наличие различных опций Carrier Ethernet дает возможность выбрать для конкретного проекта достаточно экономичный и хорошо масштабируемый сервис, а автоматизированные процедуры обеспечат оперативное его получение.

Еще один популярный вариант — сервисы IP, которые можно получить от оператора связи или сформировать в собственной корпоративной сети (крупные компании чаще предпочитают второй вариант). Широкое распространение Интернета и растущий клиентский трафик, генерируемый в локальной сети, предопределяют быстрый рост сетей IP.

Рост популярности новых, интенсивно расходующих сетевые ресурсы приложений, таких как IP-телефония, видео, хранение данных в сети и пр., приведет к резкому повышению нагрузки на сети IP и нередко к их перегрузке.

Пограничные маршрутизаторы обычно «принимают» трафик через интерфейсы Gigabit Ethernet (GbE), но при этом им приходится поддерживать и широкий набор других интерфейсов, включая Е1, DS-3 и SONET/SDH, что может приводить к рассогласованию параметров передачи и перегрузкам в сети. Например, для подключения устройств хранения часто используют кадры Ethernet увеличенного размера (jumbo), чем достигается лучшее согласование с системами Fibre Channel.

Однако поддержка таких кадров в сети IP представляет серьезные сложности. В результате приходится разбивать трафик на более мелкие блоки, что приводит к увеличению числа пакетов IP и снижает эффективность передачи.

РАЗНЫЕ МАСШТАБЫ — РАЗНАЯ СКОРОСТЬ

Очень часто дополнительный ЦОД организуется для резервирования важных данных. В наиболее критических системах используется синхронное копирование, для менее ответственных систем — асинхронное. Очевидно, что в случае синхронного копирования требуются каналы связи с максимальной пропускной способностью (см. Рисунок 2).

Рисунок 2. Масштабируемость межЦОДовского взаимодействия.

Сети хранения и обслуживающие их транспортные системы ранжируются в зависимости от того, сколько данных должно быть передано в определенный промежуток времени. Мультитерабитные сети хранения (SAN) крупных компаний содержат большое число контроллеров и коммутаторов, для осуществления резервного копирования и передачи файлов в них используется множество интерфейсов Fibre Channel и гигабитных каналов связи.

Как показало недавнее исследование, проведенное Forrester Consulting и посвященное вопросам восстановления после аварий, примерно 65% организаций приходится защищать более 50 Тбайт данных. Предположим, в ЦОД хранится 70 Тбайт информации и каждый день изменяется примерно 1/10 ее часть. Несложный расчет показывает, что для копирования произведенных изменений такого объема лучше всего подойдут каналы WDM с пропускной способностью 2,5 или даже 10 Гбит/с.

Вместе с тем для небольшого хранилища, например основанного на технологии Network Attached Storage (NAS), для копирования изменений вполне достаточно гигабитного подключения к сети IP/MPLS или даже канала DS-3 на 45 Мбит/с. В этом случае объем хранилища можно оценить, скажем, в 1,3 Тбайт; соответственно, в течение восьмичасового рабочего дня для резервного сохранения изменений будет достаточно передать 130 Гбайт. Как можно видеть, выбор сетевых технологий во многом определяется масштабами и спецификой обслуживаемых сетью систем.

ПЛЮСЫ И МИНУСЫ WAN-ОПТИМИЗАЦИИ

При использовании для межЦОДовского взаимодействия IP-сети ее ресурсы задействуются большим числом различных приложений. Удаленный доступ к электронной почте, системам ERP/ CRM, SharePoint и пр. увеличивает трафик IP, что чревато перегрузками, потерями пакетов, увеличением временной задержки и возникновением других проблем.

Технологии оптимизации WAN изначально разрабатывались для улучшения взаимодействия филиалов компаний, их малых и домашних офисов с централизованными ресурсами (см. Рисунок 3). Соответствующие контроллеры улучшают работу приложений через территориально распределенную сеть путем уменьшения степени их «болтливости» и снижения задержки. Для этого были разработаны различные механизмы оптимизации: Wide Area File System (WAFS), Wide Area Application Service (WAAS), ускорители приложений, оптимизаторы протоколов и пр. Они достаточно эффективны: благодаря им, такие приложения, как, например, текстовый редактор Word, могут работать с находящейся на удалении в тысячу километров информацией так, как будто она располагается на локальном диске.

Рисунок 3. Подключение филиала (удаленного офиса) к корпоративным ресурсам, консолидированным в ЦОД.

Позволяя компаниям и организациям консолидировать системы хранения и вычислительные мощности в центральном офисе (ЦОД), системы оптимизации открывают возможность для существенной экономии средств. Относительно недавно технологии оптимизации стали применяться и для улучшения характеристик взаимодействия между центрами обработки данных, в том числе для резервного копирования и передачи файлов.

Все более активное использование IP для систем файлового хранения потребовало разработки дополнительных технологий, в частности по сжатию информации. С увеличением числа приложений, переводимых на «рельсы» IP, стали появляться все более «продвинутые» алгоритмы для достижения гарантированного качества обслуживания (QoS), формирования профиля трафика, обеспечения целостности при передаче данных и пр. Механизмы кэширования и дедупликации, благодаря которым исключается повторная передача данных через сеть, еще больше повышают эффективность сетевого транспорта. Некоторые компании предлагают также алгоритмы ускорения приложений и кэширования для резервного копирования информации по IP между ЦОД.

Все системы оптимизации WAN спроектированы таким образом, что на входе и выходе используются интерфейсы Ethernet. Тем самым ограничивается масштабируемость таких решений, а также возможности их применения для построения сетей хранения. Они не могут непосредственно подключаться к коммутаторам Fibre Channel или к контроллерам SAN. Для подсоединения таких систем приходится использовать промежуточные сетевые устройства, а также задействовать несколько гигабитных портов Ethernet, что, в свою очередь, требует использования более скоростных сервисов SONET/SDH или WDM. А это выливается в неэффективное использование пропускной способности каналов связи.

Кроме того, надо помнить, что по сетям хранения обычно передаются данные критически важных для бизнеса приложений. Необходимые при этом схемы резервирования реализовать сложно и дорого, если использовать оптимизаторы WAN. Наконец, во многих случаях осуществляется синхронное копирование данных, в ходе которого должны быть исключены какие-либо их потери. Такой сценарий вообще не поддерживается подобными оптимизаторами.

Учитывая названные ограничения, следует признать, что оптимизаторы WAN позволяют решить тактические задачи, в первую очередь улучшить работу удаленных офисов или систем хранения начального уровня. Они не способны решать весь комплекс задач, стоящих при организации взаимодействия между ЦОД.

МУЛЬТИСЕРВИСНАЯ ПЛАТФОРМА WDM

Эксперты компании Ciena рекомендуют стратегический подход к поддержке высокопроизводительных критически важных приложений в городских (MAN) и глобальных (WAN) сетях. Он кардинально отличается от традиционной оптимизации, приносящей лишь отдельные улучшения, и нацелен на решение главной задачи — организации скоростной, хорошо управляемой и экономически эффективной сети с предсказуемыми характеристиками.

В основе такого решения должна лежать сетевая платформа, обеспечивающая минимальную задержку и максимально полное использование каналов связи, что и позволит исключить проблемы, связанные с перегрузками и неэффективным расходованием ресурсов. Платформа, разработанная Ciena, поддерживает множество приложений путем предоставления различных входных интерфейсов (в том числе для непосредственного подключения систем хранения) со скоростями до 10 Гбит/с (см. Рисунок 4).

Рисунок 4. Подключения WDM-платформы компании Ciena.

Множество каналов локальной сети и систем хранения могут быть агрегированы для эффективного использования линий связи в сетях MAN и WAN. По сути, предлагаемая платформа виртуализирует емкость сети, прозрачно предоставляя необходимую для межЦОДовского взаимодействия пропускную способность. Такой механизм, равно как и уменьшение числа отдельных каналов, каждый из которых ранее использовался для обслуживания своей прикладной системы, снижает совокупную стоимость владения решением в целом.

РЕШЕНИЯ ДЛЯ CARRIER ETHERNET И IP

Передача оптического (Fibre Channel) трафика систем хранения по спектральным (WDM) каналам — процесс естественный. А вот как оптимизировать передачу этого трафика по каналам Carrier Ethernet или IP?

Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним историю: для организации взаимодействия систем хранения поверх IP (а соответствующие решения начали появляться в конце 90-х годов прошлого века), потребовалась разработка новых технологий. Классические сети IP предназначены главным образом для электронной почты и Web-приложений и не слишком хорошо подходят для обслуживания критически важного трафика сетей хранения. Трафик, генерируемый при копировании данных с магнитной ленты или тиражировании содержимого диска, характеризуется более-менее постоянной и высокой скоростью, тогда как, скажем, электронные письма представляют собой небольшие «всплески» трафика.

Среди этих технологий — механизм FCIP, обеспечивающий туннелирование трафика Fibre Channel; iFCP — для независимой маршрутизации соединений SAN; iSCSI — для инкапсуляции в IP команд SCSI. Подобно алгоритмам оптимизации WAN, эти решения предполагают реализацию дополнительных функций, что, в свою очередь, накладывает определенные ограничения и вынуждает идти на компромиссы. В частности, приходится бороться с неэффективностью протокола TCP, который при потере пакетов предусматривает повторную передачу.

Чтобы улучшить взаимодействие ЦОД через территориально распределенные сети Carrier Ethernet и IP, компания Ciena разработала протокол Stream Control Transmission Protocol (SCTP), призванный заменить на транспортном уровне традиционный протокол TCP. Он лучше подходит для транспорта трафика систем хранения, поскольку обеспечивает надежную доставку данных с гарантированным порядком следования пакетов и улучшенным алгоритмом контроля перегрузок. Этот протокол изначально оптимизирован для транспорта через «длинную широкую трубу» и обеспечивает многопотоковость для поддержки нескольких параллельных сеансов связи.

Ключевое отличие SCTP от протоколов UDP и TCP заключается как раз в том, что он позволяет передавать множество потоков данных и поддерживает множество IP-адресов для резервирования подключений (multi-home).

Это позволяет организовать резервные и альтернативные пути передачи данных, что обеспечивает отказоустойчивость сетевой инфраструктуры.

Подводя итог, отметим, что представленные на рынке технические решения позволяют реализовать стратегически продуманный подход к организации межЦОДовского взаимодействия. Соответствующие сервисы могут быть как внедрены в корпоративной сети, так и получены от оператора связи (см. Рисунок 5). Первый вариант дает компании абсолютный контроль над всей сетевой инфраструктурой, позволяя реагировать на самые непредсказуемые изменения требований. Преимущества второго варианта — в минимизации капитальных инвестиций и переносе основных расходов на операционные траты.

Рисунок 5. МежЦОДовское взаимодействие посредством управляемых сервисов оператора связи.

Технологически рассматриваемое взаимодействие может быть организовано как на базе оптических каналов WDM, так и с использованием сервисов Carrier Ethernet и IP. Главное — чтобы выбранные сетевые платформы гарантировали гибкое выделение пропускной способности в соответствии с текущими требованиями, хорошую масштабируемость, отказоустойчивость, а также учитывали специфические задачи, возникающие при объединении нескольких ЦОД в единую систему.

Евгений Савельев — старший менеджер по проектированию систем компании Ciena. С ним можно связаться по адресу: esavelie@ciena.com.