HCI против классической виртуализации: архитектурный выбор для современного ЦОД

В чём различие?

Классическая модель: раздельные компоненты

Традиционная виртуальная инфраструктура строится по принципу "лучший компонент в каждой категории". Серверы – это вычисление. На них все для вычислений. СХД — для надежного хранения информации, а также максимально быстрой записи и чтения. Сетевое оборудование — для передачи информации с минимальными задержками и с максимальной полосой пропускания. Это три независимых уровня: compute (серверы), storage (внешняя СХД) и network (коммутаторы). Каждый элемент по отдельности делает свою функцию максимально хорошо.

Такой подход предполагает, что Compute ноды не хранят данные — вся информация находится на внешней СХД, доступной по сети. Это делает серверы stateless: любой узел может взять на себя нагрузку отказавшего, так как данные хранятся централизованно.

Результат – ваши виртуальные машины защищены с помощью механизмов автоматического рестарта виртуальных машин от аппаратных сбоев, а от потери данных они защищены ровно в той степени, которую может предоставить СХД (ведь в конце-концов виртуальная машина – это файлы на диске). Ну а СХД защищает информацию как на уровне дублирования аппаратных компонент (несколько контроллеров, RAID, етс.), так и с помощью механизмов репликации.

В результате, если у вас получается грамотно собрать все компоненты, у вас получается система, которая позволяет из каждого компонента выжать максимум.   

HCI: единый программно-определяемый комплекс

Гиперконвергентная инфраструктура объединяет вычисления, хранилище и сеть в единую систему, работающую на стандартных x86-серверах. Локальные диски каждого сервера объединяются в общий пул хранения с помощью программно-определяемого слоя, а данные реплицируются между узлами для обеспечения отказоустойчивости.

Ключевое отличие: в HCI узлы – stateful, то есть каждый сервер одновременно является и вычислительным ресурсом, и частью распределённой системы хранения. А это значит, что во-первых, требуется обеспечить достаточную скорость записи и чтения, а также требуется как-то защищать эти локальные данные.

В этом месте важно сказать, что производители HCI решений часто позволяют создавать Storage ноды для расширения только SDS части или даже подключать внешние СХД, однако предлагаю этот вопрос "замять для ясности", поскольку это достаточно "специальные" кейсы, которые не меняют архитектурное принципы, позволяя, однако, сгладить влияние ошибок проектирования (например сайзинг) или внезапные требования, возникшие в процессе реализации.

В результате HCI системы обрастают «ньюансами». Во-первых, требуется быстрая система ввода-вывода. Тут нельзя экономить на NVMe дисках и контроллерах. Кроме того, ПО HCI имеет гораздо больший overhead (количество ресурсов, которое тратится на обеспечение виртуализации, и которые нельзя отдать виртуальным машинам). Overhead этот нужен для того, чтобы во-первых, оптимизировать чтение-запись, а во-вторых для обеспечения защиты данных.

Защита данных в HCI обычно обеспечивается хитрым механизмом репликации – когда данные, записанные на один хост, сразу же реплицируются на другой. Иногда и не раз. С одной стороны это дает защиту от аппаратного сбоя любого из хостов. С другой — места для хранения требуется в 2-3-4 (смотря какой у вас уровень паранойи) раза. Пропускной способности ваших коммутаторов тоже требуется больше, ведь вы копируете все, что пишете тоже 2-3-4 раза. Это, кстати, причина, по которой почти любой, кто строит HCI, должен ментально приготовиться к переходу с 10G на 25G как минимум (если еще этого не сделал).

Все это вместе делает хосты и сопутствующую инфраструктуру для HCI радикально дороже. С другой стороны вам больше не нужна СХД. Впрочем, как не трудно заметить, все зависит от размеров инфраструктуры. Потому что сначала HCI дешевле классики, потом, если она растет, она становится гораздо дороже, а потом… опять дешевле! Но об этом позже.

Кстати, бонус! Вся HCI инфраструктура управляется через единую панель, и вы можете уволить своего Storage админа.

Pro и Contrа HCI решений

Управление и администрирование

Плюс: единая консоль для вычислений, сети и дисков, снижение требований к количеству узких специалистов.

Минус: программный стек сложен, единая точка отказа в управлении. Сбой одного программного компонента способен привести к отказу всего кластера и потере данных. Требуется высокая квалификация персонала и качественная техническая поддержка вендора.

Скорость развёртывания

Плюс: разворачивается как единый комплекс за часы, нет необходимости в интеграции разрозненных компонентов.

Минус: высокие требования к конфигурации хостов. Даже минимальная сборка требует серьёзных вложений.

Масштабирование

Плюс: линейный рост ёмкости и производительности с каждым новым узлом. Диапазон масштабирования — до сотен хостов. Отсутствует проблема «бутылочного горлышка» на контроллерах СХД, характерная для классической архитектуры при крупном расширении.

Минус: минимальная отказоустойчивая конфигурация — 3 узла, рекомендуемая — 4. Варианты на одном хосте не имеют практического смысла ни для HCI, ни для классической виртуализации.

Отказоустойчивость

Плюс: встроенные механизмы самовосстановления, репликация, автоматическая миграция ВМ при сбое узла.

Минус: сложность программных компонентов сама по себе является источником рисков, особенно в процессе обновлений.

Производительность

Плюс: локальность данных — виртуальная машина работает с дисками своего узла по локальной шине, исключая задержки сети SAN. Узлы передают данные самостоятельно, единый узкий канал отсутствует.

Минус: чувствительность к неравномерным нагрузкам. Если одна ВМ на узле интенсивно нагружает дисковую подсистему, страдают все ВМ на этом же узле. Высокая уязвимость к мисконфигурациям сети — даже небольшие задержки вызывают деградацию работы виртуальных машин. Расход ресурсов на репликацию создаёт повышенную нагрузку на сетевую инфраструктуру.

Капитальные затраты (CAPEX)

Плюс: ниже порог входа — используются стандартные x86-серверы, отсутствует дорогостоящая внешняя СХД со специализированными контроллерами.

Минус: высокая удельная стоимость хоста, обязательные затраты на модернизацию сети.

Эксплуатационные расходы (OPEX)

Плюс: экономия на персонале — кластером управляет один администратор, меньше времени уходит на диагностику на стыке систем.

Минус: сложный процесс обновления ПО, высокие риски инцидентов из-за программных ошибок, зависимость от оперативной и квалифицированной поддержки вендора.

Работа со специфическими нагрузками

Для высоконагруженных транзакционных баз данных с критичными требованиями к латентности внешняя СХД с NVMe и выделенными контроллерами часто стабильнее и быстрее. Прямого преимущества у HCI в этом классе задач нет.

Что выбрать?

Когда выбирать HCI

• Инфраструктура строится с нуля или требует существенного обновления. HCI позволяет быстро развернуть современную платформу без многомесячных интеграционных работ.

• Важна скорость масштабирования. Для быстрорастущего бизнеса или проектов с неясными требованиями к ресурсам —узлы добавляются по мере необходимости. Идеально для Cloud-провайдеров!

Когда выбирать классическую схему с СХД

• Высоконагруженные базы данных и специфические рабочие нагрузки. Для транзакционных баз данных с жёсткими требованиями к задержкам выделенная СХД может обеспечить более предсказуемую производительность.

• Необходимость независимого масштабирования хранилища и вычислений. Если вам требуется добавить только ёмкость без увеличения вычислительных мощностей — классическая архитектура позволяет это сделать

• Существующие крупные инвестиции в СХД. Если у вас уже есть дорогостоящая СХД и вы не готовы к замене — нет смысла отказываться от работающей. инфраструктуры.

• Специфические требования к управлению данными. Некоторые задачи требуют особых функций, которые есть только у конкретных СХД-вендоров. Например кластера с использованием SCSI примитивов.

• 
  

Заключение

HCI и классическая архитектура с внешней СХД — это не "плохое" против "хорошего", а разные инструменты для разных задач. Для большинства современных корпоративных нагрузок, особенно при строительстве инфраструктуры с нуля, HCI предлагает лучшее соотношение простоты управления, надёжности и совокупной стоимости владения. Однако классическая трёхуровневая архитектура сохраняет преимущества в специализированных сценариях с экстремальными требованиями к производительности или в среде со сложившейся инфраструктурой и накопленной экспертизой.

Рынок активно движется в сторону HCI, но в каждом конкретном случае необходимо точно понимать все сильные и слабые стороны обоих вариантов.