Neu in vSAN 8 Express Storage Architecture für NVMe

Virtual SAN (vSAN) wurde ursprünglich entwickelt, um performanten Software-definierten Speicher mit seinerzeit üblichen SATA/SAS-Geräten bereitzustellen. Die neue vSAN Express Storage Architec­ture (ESA) bringt dagegen für Hochleistungs­speichergeräte (NVMe) ein höheres Maß an Leistung, Skalierbarkeit und Ausfallsicherheit.

vSAN ESA baut auf der ursprünglichen Speicherarchitektur von vSAN (vSAN OSA) auf und erweitert diese um die Möglichkeiten moderner Hardware. Mit vSAN 8 haben Nutzer somit die Wahl zwischen beiden Architekturen.

Aufbau von ESA

Die neue Architektur erweitert vSAN 8 um ein protokollstrukturiertes Dateisystem namens vSAN LFS, einen neuen schreiboptimierten Objektmanager und ein neues Objektformat.

 

Vergleich von vSAN OSA mit der Express Storage Architecture
Vergleich von vSAN OSA mit der Express Storage Architecture.

Moderne MLC-, TLC- und QLC-NAND-Flash-Geräte verwenden die schnelle NVMe-Schnittstelle und verfügen über viel mehr Kapazität als in der Vergangenheit, und das bei drastisch gesunkenem Preis. Darüber hinaus hat die Anzahl der Server-CPU-Kerne in den letzten Jahren dramatisch zugenommen und 25- oder 100GB-Netzwerke sind zu vertretbaren Preisen pro Port verfügbar. Auf der anderen Seite fordern Kunden ihren Anwendungen mehr Leistung ab, indem sie ihnen mehr virtuelle Ressourcen zuweisen, wünschen sich aber gleichzeitig Datendienste wie Platzeffizienz und Verschlüsselung. Folgende Abbildung verdeutlicht die Evolution:

Die Evolution in vSAN von Version 5.5 bis 8.
Die Evolution in vSAN von Version 5.5 bis 8.

Die eigentlichen Fortschritte in der ESA-Architektur finden sich vor allem in zwei Bereichen. Das ist zum einem ein neues patentiertes protokollstrukturiertes Dateisystem vSAN LFS. Es erlaubt vSAN, neue Daten schnell aufzunehmen und gleichzeitig für einen sehr effizienten vollständigen Stripe-Schreibvorgang vorzubereiten. Das LFS kann auch Metadaten hocheffizient speichern.

Zum zweiten beinhaltet die ESA-Architektur einen optimierten, protokoll­strukturierten Objekt-Manager und eine entsprechende Datenstruktur. Diese Ebene ist um eine neue Hochleistungs-Block-Engine und einen Schlüssel­wertspeicher herum aufgebaut. Sie liefern große Schreibnutzlasten und minimieren gleichzeitig den für Metadaten erforderlichen Overhead.

Das neue Design wurde speziell für die Fähigkeiten der oberen Schichten von vSAN entwickelt, um Daten ohne Konflikte an die Geräte zu senden. Es ist hochgradig parallel und hilft, die Leistungs­fähigkeit von ESA auf Geräteebene zu erreichen.

Die zwei wichtigsten Komponenten der ESA-Architektur sind das LFS und der Object Manager
Die zwei wichtigsten Komponenten der ESA-Architektur sind das LFS und der Object Manager.

Im Prinzip hat VMware mit ESA einige Datendienste an die Spitze des vSAN-Stacks verschoben, um die für diese Aufgaben erforderlichen Ressourcen zu reduzieren. Beispielsweise werden Daten jetzt auf der höchsten Ebene komprimiert und verschlüsselt, um die so genannte Prozessverstärkung zu minimieren.

So lassen sich unter anderem Prüfsummen auf innovative Weise wiederverwenden, was doppelten Aufwand vermeidet.

Neuerungen von vSAN 8

Insgesamt führt die neue OSA-Architektur die im Folgenden näher erläuterten Verbesserungen ein.

 

Die wichtigsten Verbesserungen durch die Express Storage Architecture
Die wichtigsten Verbesserungen durch die Express Storage Architecture.

Bessere Platzeffizienz von RAID-5/6-Erasure-Encoding bei RAID-1-ähnlicher Leistung: 

Die ESA-Architektur erreicht das mit Hilfe des neuen protokoll­strukturierten Dateisystems und Objektformats sowie mit dem adaptiven RAID-5 Erasure Coding. Es garantiert Platzeinsparungen bereits auf Clustern mit nur 3 Hosts. Verwendet der Nutzer eine RAID-5-Erasure-Encoding-Richtlinie, dann überprüft ESA die Host-Anzahl im Cluster und wählt die geeignete RAID-5-Datenplatzierung aus. vSAN ESA kann auch erkennen, ob sich die Anzahl der Hosts geändert hat, und dann die RAID-5-Policy entsprechend anpassen. Im Vergleich zu RAID-1 verbraucht diese neue adaptive RAID-5-Richtlinie weniger Kapazität zum Speichern von Daten und macht diese widerstandsfähiger sowie einfacher verwaltbar.

Intelligentes E/A-Management für vSAN-Netzwerkverkehr: 

Mit der verbesserten Effizienz von vSAN ESA ist unter anderem gemeint, dass der Storage-Traffic nahezu mit der Geschwindigkeit auf Geräteebene verarbeitet werden kann. Diese höhere I/O-Verarbeitungsrate kommt dadurch zustande, dass die ESA vSAN-bezogenes Netzwerk-I/O bei Konflikten adaptiv priorisiert, um eine Überlastung des Netzwerks zu vermeiden, wenn sehr anspruchsvolle Workloads ausgeführt werden. In diese Kategorie gehört auch das adaptive Netzwerk-Traffic-Shaping, welches sicherstellt, dass die VM-Leistung auch bei eine Neusynchronisierung beibehalten wird.

Höhere Komprimierungsraten: 

Die auf Speicherrichtlinien basierende Datenkomprimierung bietet mit ESA bis zu viermal höhere Verdichtungsraten pro 4-KB-Datenblock als vSAN OSA, denn die Komprimierung erfolgt nun wie oben beschreiben viel höher im Storage-Stack, um die CPU-Kosten und die Netzwerklast zu minimieren. Die neue Komprimierungs­richtlinie ist standardmäßig aktiviert und kann pro VM mit einer einfachen Speicherrichtlinie getriggert werden, anstatt durch einen Cluster-basierten Dienst.

vSAN ESA bringt eine optimierte Datenkomprimierung
vSAN ESA bringt eine optimierte Datenkomprimierung.

 

Effizientere Verschlüsselung: 

Ähnlich wie bei der Komprimierung findet auch die Verschlüsselung bei ESA in den oberen Schichten des vSAN-Stacks statt. Da die Daten bereits komprimiert wurden, findet der Verschlüsselungs­prozess nur einmal statt. Daten, die zwischen Hosts fließen, sind dadurch ebenfalls verschlüsselt. Diese Verbesserung eliminiert die früher zusätzlich notwendigen Ent- bzw. Verschlüsselungs­schritte und ermöglicht eine maximale CPU- und Netzwerkeffizienz, wodurch mehr Ressourcen für VMs frei werden.

Neues Speicherpool-Konstrukt: 

vSAN 8 ESA geht über das Konzept von Festplattengruppen, diskretem Caching und Kapazitätsebenen hinaus. Es ermöglicht Benutzern, Speichergeräte für vSAN in einem Speicher-Pool zu beanspruchen, zu dem alle Geräte eines Hosts hinzugefügt werden, um zur Kapazität von vSAN beizutragen. Dies verbessert die Wartbarkeit der Laufwerke sowie das Datenverfügbarkeits-Management und hilft, die Kosten zu senken.

Vereinfachte Bereitstellung und Betrieb von Speicherressourcen:

vSAN ESA vereinfacht die Speicherverwaltung noch weiter, indem sie automatisiert prüft, ob ESA auf zugelassener Hardware ausgeführt wird. Diese Verbesserung trägt primär dazu bei, die Wahrscheinlichkeit potenziell problematischer Bereitstellungen zu verringern.

Skalierbare native Hochleistungs-Snapshots: 

Die ESA-Architektur kann Datenzustände zu einem bestimmten Zeitpunkt schnell und effizient erfassen.

Admins erhalten eine visuelle Darstellung des Speicherverbrauchs durch Snapshots
Admins erhalten eine visuelle Darstellung des Speicherverbrauchs durch Snapshots.

Dank der Intelligenz dieser neuen „nativen Snapshots“ kann eine beliebige Anzahl von Snapshots mit minimaler Auswirkung auf die Leistung der VM erstellt werden, wobei die Konsolidierungszeiten drastisch verkürzt werden. Laut VMware lassen sich Backups damit bis zu 100-mal schneller erstellen.

Erhöhte maximale Kapazität auf Geräten in der Cache-/Pufferebene für vSAN OSA: VMware erhöht in vSAN 8 zudem das logische Limit der Pufferkapazität von 600 GB auf maximal 1,6 TB, das ist nahezu eine Verdreifachung gegenüber vSAN 7.

Dies erschließt auch Nutzern der Original Storage Architecture (OSA) die Vorteile von Hochleistungs­geräten mit höherer Dichte, um mehr Performance und eine höhere Konsistenz für ihre vSAN-Umgebungen zu erreichen.

Diese zusätzliche Kapazität auf der Pufferebene bedeutet, dass Workloads über längere Zeiträume mit einer höheren Leistungsrate ausgeführt werden können.

vSAN Proactive Insights-Funktion: Kunden erhalten mit der proaktiven Insights-Funktion in vSAN 8 mehr Unterstützung, um die Kompatibilität sicherzustellen. So informiert diese Funktion zum Beispiel über potenzielle Hardware-/Software-Kompatibilitäts- oder Support-Lücken, selbst wenn sich der Nutzer nicht beim Programm zur Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit (CEIP) registriert.

Diese Erweiterung kommt übrigens beiden vSAN-Architekturen, vSAN OSA und vSAN ESA, zugute.

Für wen eignet sich ESA?

Laut VMware eignet sich die vSAN Express Speicherarchitektur für alle Kunden und Cloud-Anbieter, die auf die neueste Hardware-Generation umsteigen. Das Bereitstellen von platzsparendem und äußerst belastbarem Speicher ohne Leistungseinbußen, die Nutzung aller beanspruchten Speichergeräte für die Kapazität und neue Komprimierungs­verfahren sprechen eine deutliche Sprache.

Dabei stellt sich natürlich auch unvermeidlich die Frage, ob die OSA-Architektur verschwinden wird, weil viele Kunden stark in vSAN-geeignete Hardware investiert haben. VMware wird vSAN daher auf absehbare Zeit weiterhin OSA unterstützen. Dabei bietet die neueste OSA-Version in vSAN 8 die Möglichkeit, auch vorhandene Hardware effektiver zu nutzen. Werden neue Cluster von vornherein unter Berücksichtigung von ESA konfiguriert, kann das zu einer Senkung der Gesamt­betriebskosten im Vergleich mit OSA führen. Dazu trägt unter anderem bei, dass keine dedizierten Cache-Geräte benötigt werden. Von der neuen Architektur profitiert auch die Verwaltung, die sich durch das Entfernen des Konstrukts der Festplattengruppen oder kleinerer Fehlerdomänen vereinfacht.

Fazit

VMware erweitert vSAN 8 mit der neuen Express Storage Architecture (ESA). Diese beinhaltet zahlreiche Innovationen, die höhere Leistungs- und Effizienzniveaus, verbesserte Ausfallsicherheit, vereinfachten Betrieb und eine weniger aufwändige Verwaltung ermöglichen. Laut VMware können Kunden die Vorteile der neuesten Hardware-Generation mit vSAN 8 besser nutzen, um auch anspruchsvollste Workloads mit höchster Leistung und Effizienz auszuführen.

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