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2013年10月20日 星期日

完美打造虛擬化之儲存管理架構

前言
「虛擬化」確實可為企業帶來管理與成本上的效益,但一般廠商在導入虛擬化專案時,通常只將重心擺在前端主機如何虛擬化、如何Sizing將多個實體主機虛擬至一台主機上、…,皆著重於前端主機上的考量因素,常常會忽略另一個同等重要的因素-虛擬主機存放的儲存平台;就資料安全層面來看,將前端實體主機虛擬化後,負責儲存這些虛擬主機的儲存平台扮演的角色更較以往重要,要達成完整的主機虛擬化及應用各種虛擬化的好處勢必要將資料集中,但這也意謂著主機虛擬化背後的風險-”Consolidated Servers = Consolidated Risk”。


此外,「虛擬化」並非只是將前端主機虛擬化而已,也必需搭配後端儲存系統提供相對應的「內部虛擬化」機制來相配合才能將虛擬化的效益真正地展現出來,以下是NetApp Solution提供相對應於VMware的解決機制與架構圖。

Customer RequirementVMware for ServersNetApp for Storage
虛擬化架構VMware ESX ServerOperations Manager
集中管控機制VMware VirtualCenterFlexVol & FlexClone
快速且彈性、靈活的配置機制VMware VMotionFlexShare
效能最佳化機制VMware Distributed Resource Scheduler (DRS)
RAID-DP
Snapshot
SnapMirror
可靠性機制VMware Hight Availability (HA)
Single storage architecture
Support for all major OS
Support for all ESX protocols: FCP, iSCSI & NFS
複合式、跨平台支援Support for all major operating systems, Fibre Channel, iSCSI and NFS 





主機虛擬化與儲存系統虛擬化整合架構圖


主機虛擬化雖是當前也是未來的既定趨勢,但唯有建置一套穩定、可靠且易於管理的儲存平台才能將主機虛擬化的效益完全展現,否則如同將所有的雞蛋放在一個不牢固的破籃子裡,稍一不慎,將更難以收拾。而虛擬化的目的是要滿足使用者對環境的多種需求,當然不能只從前端主機著手,若沒有後方儲存系統相對應機制的緊密整合,充其量也只是做到前端主機利用率的提升,並不能提高儲存系統的利用率及效能,以下僅就NetApp Solution應用在主機虛擬化時之整合優勢作一詳細介紹。


一、更安全的資料保護

1.1 專利的RAID DP保護機制:傳統只能容錯單顆磁碟故障的硬碟保護機制(RAID 3、4、5),隨著硬碟容量愈來愈大及SATA硬碟的大量使用,其安全性受到相當嚴重的挑戰,而對一些要求高度可靠性的環境而言,似乎唯一的選擇既是RAID1/0,但選擇RAID1/0意謂使用者要投資多一倍的磁碟成本,雖然得到較RAID 5更高的安全性,但卻無法提供在單一RAID Group中同時或先後容錯「任意」兩顆的磁碟故障。


資料來源:EMC CLARiiON Best Practices for Fibre Channel Storage, CLARiiON Firmware Release 16 Update


近來各大儲存廠商先後宣佈支援RAID 6,乍看之下能容錯「任意」兩顆磁碟故障似乎是各儲存廠商基本、必要的機制,但其實宣誓的意義卻大於實質應用的意義,傳統的RAID 6雖能獲得高安全性與低建置成本,但卻需忍受「效能不佳」的問題,因此很少在講求效能的production環境上真正使用。




SNIA只給予RAID 6定義-能容錯「任意」兩顆磁碟,較為常見的為Distributed Dual Parity RAID 6,透過這類演算法實做的RAID 6(EMC CX3, DMX3, HDS AMS/USP, HP XP),只是在既有的RAID 5下延伸一顆磁碟,缺點是會付出更高的overhead,如下圖在同樣顆數的RAID 5與RAID 6在random write環境下會有1/3效能上的耗損。


資料來源: HDS - Using RAID-6 with Hitachi TagmaStore™ Storage for Improved Data Protection


相較前述RAID 1/0或一般常用的RAID 6,NetApp專利的RAID DP能提供與一般RAID 6相同等級的安全機制(皆高於RAID 1/0),不僅不需投資多一倍的成本,且更不會有效能overhead的缺陷問題,以下是Microsoft TechNet網站上說明NetApp 獨家專利的RAID DP機制雖有與RAID 6同等級的安全性,但並卻不會有像傳統RAID 6有效能差的缺陷。


資料來源:http://technet.microsoft.com/en-us/library/bb738146.aspx


1.2檔案系統:
NetApp的專利檔案系統WAFL,可提供最高的資料安全與最低的停機時間。在不正常斷電與關機狀態下,不限容量大小,也不需要執行硬碟檢查,能在復電三分鐘後即可開始提供服務,檔案系統不會損毀,尚未完成的交易也不會流失。而當備援硬碟正在重建資料時發生斷電,復電後系統會自動從未完成的地方繼續重建,不會從頭開始重建,以縮短重建的時間,並降低風險。


1.3虛擬主機備份
NetApp Snapshot緊密整合VMware Virtual server backup,讓這些Guest OS能保有不同時間點的複本,透過NetApp Snapshot能讓Guest OS獲得一致性的線上快照備份,其過程如下:


(1)讓VM進入「Hot Backup」模式,並產生一份redo log,在結束前該VM新增的寫入會先寫到該redo log上。
(2)透過NetApp Snapshot執行快速對該VM進行線上快照備份。
(3)將該VM離開備份模式,並apply redo log,確保資料能維持正確性。


    透過NetApp Snapshot來備份VM的優點如下:
  • 在數秒即可完成快照備份。
  • 執行快照備份時後沒有Background Disk I/O。
  • 空間最省,不需1:1空間對應。

根據IDC報告指出,有93%的資料回復需求可從Snapshot中取回,此舉也說明了快照備份機制對防止資料毀損的重要性,現行各儲存廠商也都提供硬體的快照備份機制,一般可概分兩大類,最常見的為Copy On Write Snapshot,代表廠商有EMC:CLARiiON /SnapView, Celerra /SnapSure, DMX/Snap;IBM:DS/FlashCopy;HP:EVA/Vsnap, XP/Business Copy, MSA/Virtual Replicator;HDS:Copy-on-first write Snapshot,此類的快照機制,不僅要預先規劃快照保留空間(Reserved LUN),而且執行後會對儲存設備效能產生極大的影響,通常每個LUN的可保留份數也很少(EMC SnapView每個LUN最多只能做8份snapshot,HDS AMS只能做14份,HDS USP能做到64份),這也意謂使用者無法常常對資料做備份且又能保存一段時間,代表資料落差的指標RPO(Recovery Point Objective)也勢必加大,資料損失量也愈多。


相較於友商的快照備份機制,NetApp專利的快照機制(Redirect On Write Snapshot)不會對儲存設備效能產生嚴重的影響,也不需要預先規劃保留空間,且每個LUN或Volume可提供最多255份的快照備份,可經常做快照備份,大幅降低資料損失量。


Source:VeriTest, Nov 2006


二、更彈性的資料管理

2.1 存取模式:ESX 3.0.x以上皆支援 FCP、iSCSI與NFS方式將Guest OS放置在Storage上運行,而NetApp是目前業界唯一有能力同時提供FCP、iSCSI與NFS三種存取協定來建置VMware平台的儲存設備。


Protocol
ESX 3.0.x
ESX 3i/3.5
Virtual Machine
NetApp Support
FCP SAN
支援(Boot)
Virtual HBA
支援
iSCSI – SW
支援
Virtual HBA or Guest OS Initiator
支援
iSCSI – HW
支援(Boot)
Virtual HBA
支援
NFS
支援
Virtual HBA or Guest OS Client
支援


如考慮最低建置成本與最彈性運用建議採用NFS,透過NFS做為VMware的Datastore可獲得最佳的管理性與擴充性,從ESX 3.0.x以上的版本已能支援NFS做為Datastore,不需像先前版本必需要先格式化成VMFS,因此也不會有像VMFS有效能及擴充上的限制。


透過VMFS做為Datastore示意圖
  

透過NFS做為Datastore示意圖


2.2彈性空間配置:在設計和部署VMware整合方案時,如果没有完善地考慮儲存系統的整合,只會將成本由前端主機轉嫁到儲存管理上。虛擬化前有100台主機需要管理,虛擬化後也依然需管理100台的主機資料,差別只在於要管理的實體主機減少了,全集中在同一座儲存系統上,因此若儲存系統無法提供彈性的空間管理機制,人員的負擔並不會有所減輕。透過NetApp獨步全球的內部空間虛擬化技術,可協助使用者輕易實現從實體層到VM層的線上容量管理,大幅降低人員管理負擔。



2.3瞬間複製部署虛擬主機:透過NetApp的瞬間複製技術-FlexClone,可瞬間完成OS複製,且不影響線上系統運作,最後再視狀況決定是否進行實體分割,減低容量的需求。


雖然VMware本身也能提供複製虛擬主機的功能(template),但需要有1:1的額外空間,不僅耗費空間且相當費時,無法做到快速部署,但透過NetApp FlexClone卻可解決上述問題,每個虛擬主機的複本不佔空間,只佔異動量,可視情況進行實體分割。




三、更有效率的資源調配:主機利用率的提升並不代表能提高儲存系統的利用率及效能,主機虛擬化後,儲存系統彈性空間調整機制將更加重要。

3.1效能調配:透過NetApp的動態虛擬化技術-FlexVol可大幅提高儲存系統的效能,而透過FlexShare可以動態調配各應用服務的效能優先權,將硬碟的空間與性能做最有效率的利用。


大多數公司或單位內都有各種類的應用服務,例如資料庫、電子郵件和主目錄及應用程式等。而傳統IT環境面臨的難題是無法整合上述各類的應用服務,既使花大錢導入高昂的儲存系統也未必能解決上述問題,原因是一開始儲存系統資源已經先被配置給某一應用服務,除非打掉重建,否則無法重態重新調配儲存資源,但透過NetApp FlexShare可以在同一系統上合併兩種或更多種上述應用服務。例如,IT環境中有Oracle Database和用戶主目錄,透過FlexShare可以為為資料庫設置高於主目錄的資源優先級,以便確保主目錄流量不會干擾重要的資料庫操作。


FlexShare可以Volume為單位,設定存取資源的優先程度,分別對前端應用程式的重要性與對效能的需求,調配資源使用的優先順序,用戶還能以FlexShare設定更精細的存取政策動態調整,如下圖所示。

 

3.2空間虛擬化調配:透過資源隨選配置(Thin Provisioning)機制-NetApp FlexVol來最大化企業對儲存系統的投資。NetApp具備動態虛擬化技術能大幅提高儲存空間利用率及系統效能,可隨時根據應用服務的使用現況做動態線上空間的擴增與縮小,透過NetApp儲存系統內部虛擬化的機制來與前端VMware主機虛擬化做完整的整合。




3.3 空間節省:NetApp A-SIS消除重複數據(Deduplication)技術能與Vmware完美结合,藉由刪除虛擬機器底層重複的數據資料,可大幅節省VMware空間消耗(30%-60%),而且適用所有資料型態(SAN/NAS/ISCSI),背景執行的A-SIS亦不會影響線上環境的效能。



四、完整有效的異地備援措施:當虛擬化開始建構實施後,真正底層實體的資料事實上已經全部集中在後端的儲存設備內,儲存設備的資料可用度變成第一優先的重要。這時候有效保障虛擬化服務可用度的異地備援方案變得勢在必行。


異地備援架構:NetApp提供全系列儲存設備內建Snap Mirror功能,配合導入虛擬化架構時,任何本地儲存設備的資料損毀皆可以有效的透過遠端的NetApp儲存設備立刻接手啟動服務。而需要針對線上的虛擬化主機進行額外獨立的測試開發時也可以直接利用NetApp儲存設備提供的 Flex Clone功能,不影響及中斷異地備援保護措施而讓測試開發或需要演練的項目直接獨立運作。


NetApp業界獨一的異地備援架構同時提供線上資料與歷史備份的遠端複製


結語
根據國外分析單位統計,當客戶真正建構一個虛擬化環境與建構相對應的儲存管理架構的投資比重約是1:5的比值。意味者假設當你真正導入虛擬化在虛擬軟體架構上花費了100元,相對應的儲存管理花費累計平均會是5倍以上。如此驚人的隱藏管理成本絕對是客戶再導入虛擬架構必須謹慎思量的,透過NetApp簡單穩定快速的儲存架構,完美輕鬆打造建構一個虛擬化儲存管理架構。

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