Rechenzentrumsvirtualisierung – Das Netzwerk im Fokus

Scale out oder Scale up – im RZ muss ein neues Netzkonzept her

| Autor / Redakteur: Ragu Kondapalli / Andreas Donner

Ragu Kondapalli, Director of Technology bei LSI beschreibt die Probleme und Lösungen bei der Virtualisierung von Rechenzentren
Ragu Kondapalli, Director of Technology bei LSI beschreibt die Probleme und Lösungen bei der Virtualisierung von Rechenzentren (Bild: LSI)

Mit der Virtualisierung von Rechenzentren verlagert sich der Traffic von einstigen Nord-Süd-Strömen zu massiver Ost-West-Ausprägung. Diesen Anforderungen sind herkömmliche RZ-Netzwerkdesigns nicht gewachsen. Was in Sachen Netzwerktechnik im Rechenzentrum daher jetzt getan werden muss, zeigt dieser Beitrag.

Die Internet-, eCommerce- und Social-Media-Anwendungen von heute erfordern eine umgehende und zuverlässige Verfügbarkeit riesiger Datenmengen, und das jeden Tag. Dies hat zu einem noch nie dagewesenen Bedarf an Transport, Verarbeitung und Speicherung von Terabytes von Daten geführt.

Die anhaltende Migration hin zu Cloud-Computing in der Geschäfts-, Finanz- und Consumer-Welt kündigt die universelle Einführung des rechenzentrumsbasierten Geschäftsmodells in der IT-Branche an. Rechenzentren müssen kosteneffektiv, energieeffizient, skalierbar und flexibel sein, um die kontinuierliche Nachfrage nach Datenzugriff zufriedenstellend bedienen zu können. Dies ist der Impuls für den Übergang des Rechenzentrums von der physischen Welt hin zur virtuellen.

Die Rechenzentrums-Virtualisierung begann mit der Server-Virtualisierung – Technologien, wie z.B. Multicore-Prozessorsysteme und Multithread-Betriebssysteme ermöglichten den Beginn der Server-Virtualisierung. Als immense Datenmengen auf effiziente Weise gespeichert und verwaltet werden mussten, folgte die Virtualisierung von Storage Area Networks (SAN) und Network Attached Storage (NAS). Da Rechenzentren jedoch eine maximale Investitionsrentabilität (ROI) anstreben, ist auch ein effizienter Datentransport von großer Bedeutung – und dies ist die Triebfeder für die Virtualisierung der Rechenzentrumsnetzwerke.

Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit den Bedarfsursachen und den aktuellen Lösungen für die Virtualisierung von Rechenzentrumsnetzwerken. Dabei werden die wichtigsten technischen Herausforderungen besprochen, um RZ-Netze für die neuen Bedarfe fit zu machen. Zudem wird erläutert, auf welche Weise die Control-Plane-Skalierung eine wichtige Rolle bei der gesamten Virtualisierung von Rechenzentrumsnetzwerken spielt.

Rechenzentrums-Virtualisierung – eine Bedarfs- und Lösungsanalyse

Der Bedarf an sofortiger und zuverlässiger Verfügbarkeit von Daten in allen Bereichen der vernetzten Welt von heute verschiebt die Grenzen der Rechenzentrums-Virtualisierung. Das Phänomen des Cloud-Computings mit seiner Skalierbarkeit, seiner Differenzierungsfähigkeit und den niedrigeren Gesamtbetriebskosten (TCO) macht die Virtualisierung bei allen Komponenten des Rechenzentrums notwendig.

Cloud-basierte Enterprise-Webservices, wie die Elastic Compute Cloud (EC2) von Amazon, Online-Dienste von Microsoft oder Enduser-Anwendungen, wie die iCloud von Apple und Web2.0, treiben die Virtualisierung und hier insbesondere die Mandantenfähigkeit im Rechenzentrum steil voran.

Server innerhalb von Rechenzentren wurden durch die Implementierung von Virtual Machines (VMs) virtualisiert. Softwareseitig erzeugten Hypervisoren eine Abstraktion zwischen physischen und virtuellen Maschinen und bildeten viele der Konnektivitäts-, Verwaltungs- und Skalierungsaspekte ab. Der Open-Source-Hypervisor Xen und Produkte wie Microsoft Hyper-V Server ermöglichten die Verteilung von Arbeitslasten vom physischen Server auf mehrere VMs. Hypervisor-basierte Serverplattformen wurden zur vorherrschenden Lösung für die Virtualisierung und Skalierbarkeit von Rechenzentren. Allerdings sind softwarebasierte Hypervisoren nicht in der Lage, mit den Performanceansprüchen der steigenden Kapazitäten von Rechenzentren mitzuhalten. Mitte der 2000er implementierten Marktführer im Prozessorbereich Hardware-Erweiterungen, um die x86-Prozessorvirtualisierung zu unterstützen. Ein Beispiel hierfür ist die AMD-V-Technologie. Diese sorgte für die Hardwarebeschleunigung, die zur Unterstützung der Virtualisierung benötigt wurde, und ermöglichte, dass sich mehrere Betriebssysteme Prozessorressourcen teilen konnten.

Die Auswirkungen auf das Thema Storage

Die Server-Virtualisierung wirkte sich schnell auch auf die Datenspeicher eines Rechenzentrums aus, die sich normalerweise in einem SAN befinden. Sie werden initialisiert, nachdem VM-Images in den Serverspeicher geladen wurden, d.h. das SAN benötigt zusätzlichen Speicher, um die VM-Images auf dynamische Weise zu replizieren und zu sichern.

Die Anfangsphasen der Speicherumwandlung führten zu SANs und Speicher-Hypervisoren. Dadurch konnte der Speicheradministrator die Backup-, Archivierungs- und Wiederherstellungsaufgaben einfacher und in kürzerer Zeit durchführen, indem die eigentliche Komplexität des SAN verdeckt wurde. Doch diese Techniken waren für sich genommen nicht in der Lage, mit den Speicheranforderungen von Rechenzentren Schritt zu halten – es war eine Hardwarebeschleunigung vonnöten, um die SAN-Performance zu steigern und die Speichervirtualisierung zu nutzen.

Bis vor kurzem richteten sich die Bemühungen bei der Rechenzentrums-Virtualisierung auf die Server- und Speichersegmente. Die Netzwerk-Virtualisierung war adhoc und wurde als Add-on-Modul in herkömmliche rechenzentrischen Hypervisoren implementiert. Netzwerkspezifische Erweiterungen bei Hypervisoren führten das grundlegende Konnektivitäts- und Fehlermanagement durch und konnten die Performanceanforderungen kleiner Rechenzentren mit begrenzten VMs pro Serverplattform erfüllen.

Ein neues Netzkonzept muss her!

Bei der aktuellen Generation der Serverfarmen werden jedoch tausende Server und viele VMs pro Server implementiert. Die Anwendungsarbeitslasten, die auf mehrere VMs verteilt werden, steigern die VM-zu-VM-Kommunikation (Ost-West-Verkehr). Andere Faktoren, wie z.B. die VM-Migration und Speicheranwendungen (z.B. Datenreplizierung) haben den Ost-West-Verkehr zusätzlich wachsen lassen. Nun muss das Rechenzentrumsnetzwerk, das für Server-zu-Client-Verkehr (Nord-Süd-Traffic) optimiert ist, umgewandelt werden, um die Vorteile einer Virtualisierung des Rechenzentrums voll ausschöpfen zu können.

Derzeit gibt es mehrere Lösungen zur Verbesserung der Rechenzentrumsnetzwerks. Auf Netzwerkarchitektur-Ebene ist die Entkopplung der Control-Plane-Funktionen von der Data-Plane und deren Virtualisierung ein zunehmender Trend. Dazu gehört die Verbesserung der Effizienz der vorhandenen Netzwerkinfrastrukturen anhand einfacher Upgrades. Horizontale und vertikale Skalierung sind zwei dieser Techniken, die in der Branche in Betracht gezogen werden.

Horizontale Skalierung (Scale out)

Beim Ansatz der horizontalen Skalierung werden Control-Plane-Funktionen getrennt und auf ein Servernetzwerk aufgeteilt. In Abbildung 1 ist die horizontale Skalierung zu sehen. Hier läuft die Control-Plane auf einem separaten Server, der sich in der Serverfarm befindet oder virtualisiert wurde und daher in einer Cloud läuft. Google ist ein Beispiel für ein Mega-Rechenzentrum, das das Modell der horizontalen Skalierung umgesetzt hat.

Vertikale Skalierung (Scale up)

Beim Ansatz der vertikalen Skalierung wird die Rechenleistung des Servers erhöht, indem zusätzliche Rechenressourcen (z.B. x86-Prozessoren) zu vorhandenen Netzwerksystemen hinzugefügt werden (siehe Abbildung 2). Diese Vorgehensweise wird häufig bei traditionellen Rechenzentrumsnetzwerken (z.B. bei Finanzinstituten) implementiert.

Sowohl bei der horizontalen als auch bei der vertikalen Architektur wird die Performance zusätzlich durch die Bereitstellung einer funktionsspezifischen Hardwarebeschleunigung verbessert.

weiter mit Software Defined Networking, Virtualisierungs-Overheads und Service Level Agreements

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