Auslagerung von aufwändigen Aufgaben direkt in das Speicher-Subsystem –so lautet der Königsweg für die Server-Virtualisierung. Im Vmware-Umfeld spielen die Vorteile der Netapp-Systeme eine große Rolle. Sie reichen von der Reduzierung bei Backup/Recovery über die Hochverfügbarkeit des Speichers bis hin zu hocheffizienter Storage-Ausnutzung – auf der Basis von Thin Provisioning und Deduplizierung.

Die Konsolidierungseffekte im Zuge der Server-Virtualisierung eröffnen den Unternehmen ein enormes Einsparungspotenzial. Denn sie haben damit die Möglichkeit, mehrere Server als virtuelle Maschinen (VMs) auf einer physischen Hardware zu betreiben. Dabei sind Konsolidierungsraten von 5 zu 1 keine Seltenheit. Zudem erwarten zumindest die Marktforscher unisono, dass dieses Verhältnis weiter steigt: Es sollen binnen der nächsten zwei Jahre sogar bis zu 25 VMs pro Server-Hardware betrieben werden. Neben der Frage nach einer möglichst balancierten Auslastung der Hardware tritt ein weiterer Aspekt in den Vordergrund: Verlagert ein Unternehmen seine Server aus der Produktivumgebung in die VMs, zieht ein Hardware-Ausfall nicht nur ein System in Mitleidenschaft. Es fallen unter Umständen sämtliche VMs aus, die auf der physischen Hardware zum Einsatz kommen. Daher sind selbst bei kleinen und mittleren Unternehmen Konzepte gefragt, die eine möglichst hohe – und dennoch bezahlbare – Ausfallsicherheit der IT-Umgebung garantieren.

Im Bereich der Server-Infrastruktur auf der Basis der günstigen x86/x64-basierten Industrie-Standardserver eignen sich dazu Cluster-basierte Lösungen. Es kommen dabei zwei oder mehr Cluster-Knoten zum Einsatz, die alle auf einen gemeinsamen Speicher arbeiten. Diese Speichersysteme und deren Anbindung müssen allerdings dann ebenfalls ausfallsicher ausgelegt sein. Dazu gibt es entsprechende Hardware-Konfigurationen, wie sie Hersteller wie NetApp im Programm haben. Bei der Anbindung über ein Speichernetzwerk, das auf Fibre Channel aufsetzt, sind die Kanäle zum Speicher entsprechend redundant auszulegen. Will ein Unternehmen die Storage-Anbindung über iSCSI einsetzen, so gibt es ebenfalls die passenden Lösungen – wie etwa »Multipath IO« (MPIO).

Im Zuge seiner »Virtual Infrastructure« (VI) arbeitet VMware mit einem eigenen Dateisystem, dem VMFS (Virtual Machine File System). Es ermöglicht den Zugriff von mehreren VMs auf dieselben Speicherbereiche (auch als Datastores bezeichnet) und bringt vor allem bei geclusterten Architekturen große Vorteile. Die VMFS Datastores lassen sich als LUNs (Logical Unit Numbers) konfigurieren, auf die über Fibre Channel, iSCSI oder auch mittels FCoE (Fibre Channel over Ethernet) zugegriffen wird. Das VMFS kümmert sich darum, dass auf gewöhnliche LUNs gleichzeitig von jedem ESX-Server (sprich jedem Knoten eines ESX-Clusters) zugegriffen werden kann, ohne dass man Dateninkonsistenzen zu befürchten hat.

Netapp bringt im Bereich der Storage Virtualisierung eigene Technologien ins Spiel, die eine Verbesserung der Speicherfunktionen zur Folge haben. Dabei erweitern die Funktionen der Netapp-Storage-Systeme die Features, die VMware selbst bietet – etwa im Bereich des Thin Provisioning oder der Deduplizierungs-Lösungen. Damit lassen sich dann im Speicherbereich durch den Einsatz der FAS-Systeme mehr Kosten einsparen. Vor allem die Deduplizierungs-Lösungen tragen dazu bei, dass bei den VMFS Datastores die bestehenden Kapazitäten eines FAS-Arrays besser ausgenutzt werden

Unterschiedliches Thin Provisioning

Die höhere Auslastung im Zuge der Virtualisierung resultiert aus dem Overprovisioning der einzelnen Ressourcen. CPUs, Arbeitsspeicher, Netzwerk-Interfaces aber auch das Speichersubsystem werden prinzipiell höher ausgelastet, als Ressourcen vorhanden sind. Doch da nicht alle Einheiten gleichzeitig mit Maximalbedarf agieren, schafft es das System, die meiste Zeit über mit diesem Overprovisioning auszukommen, ohne dass die Performance leidet. Denn aus einem gemeinsamen Ressourcen-Pool werden die jeweils nötigen Einheiten – etwa Speicherblöcke – bei Bedarf entnommen.

Dieses Konzept lässt sich noch weiter treiben. Denn wenn die Deduplizierung der Daten noch dazu kommt und vom Speichersubsystem transparent übernommen wird, steigt der Speicherbedarf nicht so stark an. So lassen sich noch mehr Informationen mit dem bestehenden Storage Pool abdecken.

Vor allem wenn die einzelnen VMs auf einer ähnlichen Ausgangskonfiguration aufsetzen, spielt die Deduplizierung ihre Stärken aus. Typischerweise ist das bei einer VDI (Virtual Desktop Infrastructure) der Fall, bei der eine Vielzahl von Desktop-VMs auf einem Server aktiv sind. Bei Netapp lässt sich die »FAS Data Deduplication« verwenden, damit die einzelnen VMs in einer Vmware-Umgebung einzelne physische Blöcke auf einem FAS-System gemeinsam verwenden können. Diese Funktionalität wird komplett vom Speichersubsystem abgebildet, sprich die Vmware-Administratoren müssen dazu keine Konfigurationsänderungen an der VI vornehmen. Da diese Funktion komplett vom Netapp-Speichersystem zeitgesteuert abgewickelt wird, müssen die Prozessoren der einzelnen ESX-Server bei diesen Aktionen auch keine Last übernehmen.

Mit dieser problemlosen Art der Deduplizierung kommt auch eine Lösung für eine andere Aufgabe ins Spiel: Der Aufwand für die Sicherung und die Wiederherstellung der Daten geht – je nach der Deduplizierungsrate – zurück.

Die Deduplizierung wird bei Netapp auf der Basis von Volumes aktiviert. Je nachdem, welche Arten von Daten auf dem Volume liegen, ergibt sich dann auch ein entsprechender Deduplizierungsgrad. Hier kann der Administrator allerdings steuernd eingreifen: Die höchste Datenreduktion ergibt sich, wenn man ähnliche Betriebssysteme (sie bestehen ja in der Regel aus vielen identischen Dateien) und ähnliche Applikationen in einem Datastore ablegt, der dann auf einem Volume liegt, auf dem die Deduplizierung aktiviert ist.

Integration in Vsphere 4 und 5

Mit der Vorstellung von »vSphere 4« hat Vmware einen neuen Weg eingeschlagen und spezielle Interfaces für die Speicherfunktionen definiert. Damit haben die Hersteller von Storage Arrays die Möglichkeit, die Integration ihrer Speichersysteme in die ESX-Umgebung zu optimieren. Netapp ist als einer der ersten Hersteller im Speicherumfeld eine strategische Partnerschaft mit Vmware eingegangen. Die drei hauptsächlichen Interfaces sind:

• Die »vStorage APIs für die Array-Integration« (VAAI),
• die »Storage I/O Control« und
• die »Storage Performance Statistics«.

Mit der VAAI lassen sich bestimmte Funktionen beschleunigen, da nicht mehr der Hypervisor (und somit die CPUs des Servers), sondern das Storage-Subsystem für die Ausführung zuständig ist. Damit ergibt sich eine weitaus höhere Skalierbarkeit für den Storage-Bereich. Bei der ersten Version der VAAI stehen drei Funktionen im Vordergrund: »Full Copy«, das »Block Zeroing« und das »Hardware-assisted Locking«.

Das Full Copy kommt zum Einsatz, wenn der ESX-Host das Kopieren der Daten initiiert. Über die VAAI wird das Storage Array in die Lage versetzt, die gewünschten Kopiervorgänge selbst auszuführen, ohne dass der Server selbst die Daten lesen und dann schreiben muss. Damit wird nicht nur die Last für die CPU reduziert, auch das Netzwerk wird weniger in Beschlag genommen, wenn man einzelne VMs clonen muss oder sie mittels »VMotion« umziehen möchte.

Anlegen von neuen Disks

Das Block Zeroing reduziert die Zeit für das Anlegen von neuen Disks. Soll eine neue, formatierte und möglichst schnell nutzbare VDMK (»Thick VDMK«) zum Einsatz kommen, muss die VDMK formatiert und mit Nullen beschrieben werden. Diese Aktion kann über die VAAI ebenfalls an das Speichersubsystem übergeben werden. Auch hier reduziert sich der Aufwand für den Server.

Der dritte Punkt, das Hardware-assisted Locking, kümmert sich um den Zugriff auf das VMFS. Dieses Cluster-Dateisystem erlaubt den gleichzeitigen Zugriff von mehreren ESX-Hosts – und somit von mehreren VMs. Daher sind spezielle Vorkehrungen nötig, um bestimmte Bereiche im Dateisystem zu sperren, wenn die Informationen dort verändert werden. Erst wenn diese Modifikationen abgeschlossen sind, darf eine andere Einheit auf diesen Bereich wieder zugreifen. Mit dem VAAI wird ein effizienter Sperrmechanismus möglich, da sich der ESX-Host und das Speichersystem die zugehörigen Aufgaben teilen können.

Vmware bietet selbst eine Snapshot-Funktionalität als eine Software-basierte Lösung an. Doch zugleich weist das Unternehmen darauf hin, dass wegen der besseren Performance und der höheren Stabilität eine Hardware-basierte Snapshot-Funktionalität die bessere Wahl ist. Auf den Netapp-Systemen gibt es schon seit vielen Jahren eine entsprechende Snapshot-Funktion. Sie lässt sich auch leicht in eine Vmware-Umgebung integrieren. Damit steht dem Administrator eine absturzsichere Snapshot-Funktion zur Verfügung, mit der er auf den einzelnen VMs arbeiten und somit einzelne VMs auch komplett wiederherstellen kann. Dabei zieht diese Lösung die Performance des ESX-Systems nicht in den Keller, da das Speichersystem die Aufgaben alle selbst ausführt.

NFS-Zugang für Vsphere

Von Vsphere aus ist zudem noch der Zugriff auf NFS-Datastores möglich. Auch in diesem Ansatz haben alle Knoten eines ESX-Clusters den gleichzeitigen Zugriff auf die NFS-Speicher-Arrays. Auf den Systemen von Netapp ist der Zugriff auf NFS extrem optimiert. Damit lassen sich Ergebnisse für das Verhältnis VMs pro Datastore erzielen, die um den Faktor zehn über den des Wettbewerbs. Das führt dann in letzter Konsequenz zu einer massiven Reduzierung der notwendigen Anzahl von Datastores und damit zu entsprechend geringeren Verwaltungsaufwand.

Das Thema Performance bei NFS-Datastores bekommt Netapp in den Griff, weil einerseits ein ähnliches Speicherlayout zum Einsatz kommt wie bei VMFS. Andererseits bekommt eine jede Virtual Disk File eine eigene Ein-Ausgabe-Queue zugeordnet, die direkt vom FAS-Speichersystem verwaltet wird und somit den ESX-Host nicht belastet. Zudem stehen alle Speicherfunktionen und Zusatz-Tools des Netapp-Systems zur Verfügung, da in diesem Fall eine Integration des Netapp-WAFL-Systems (Write Anywhere File Layout) in die Virtualisierungs-Plattform von Vmware zum Einsatz kommt.