Storage und Virtualisierung

Viele Serverhero-Kunden beschäftigen sich mit dem Thema Virtualisierung bzw. Storage-Virtualisierung. Dazu haben wir eine Übersicht mit Informationen zu den klassischen physischen und den neueren virtualisierten Storage-Ansätzen zusammengestellt.
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1. Was ist Storage-Virtualisierung?

Weniger Hardware und Software durch Virtualisierung (mars solutions)

Kurzdefinition:
Softwareunterstützte abstrahierte Darstellung eines physischen Datenspeichers;

Das bedeutet im Einzelnen, physische Speicher aus mehreren Netzwerkspeichersystemen werden zusammengelegt, d. h. dem Benutzer/Administrator erscheinen sie als ein singulärer und zentral steuerbarer Speicher. Da sich die Daten jedoch in den physischen Speicherorten befinden, müssen sie erst kopiert werden, um bei der virtualisierungsbedingten Änderung der Speicherkonfiguration keine Verluste zu riskieren. So entsteht ein Speicherpool (virtuelles Storage Attached Network, vSAN), der die benötigten Kapazitäten für Anwendungen liefert und durch die Virtualisierung dem Administrator die Arbeit (Datensicherung, -archivierung, -wiederherstellung etc.) erleichtert. Die Anwendungen laufen auf virtuellen Rechnern bzw. virtuellen Maschinen (VMs), die sich gegenüber dem Benutzer als „normales“ Betriebssystem (Operating System, OS) ausgeben. Zwischen Anwender und Speicher(umgebung) wird quasi eine logische, virtuelle Ebene eingefügt.

Speichervirtualisierung (eigene Darstellung)

2. Welche Vorteile bietet Virtualisierung?

Generell werden die Kapazitäten von Rechnern bzw. Servern nicht vollständig genutzt, sodass im Grunde immer Ressourcen frei sind. Durch Virtualisierung können sich die Hardware-Geräte diese Ressourcen teilen, um Privatanwendern, aber auch kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) Zeit- und Kosteneinsparungen zu ermöglichen, da mit weniger Einsatz mehr Leistung reicht wird.
Dabei wird zwischen Software- und Hardware-Virtualisierung unterschieden.

Die Vorteile ergeben sich primär aus der reduzierten Hardware. Es wird weniger Energie verbraucht und weniger Raum bzw. Stellfläche benötigt. Unternehmen profitieren zusätzlich von der besseren Anpassbarkeit. Probleme können im laufenden Betrieb behoben werden, da die IT-Prozesse redundant auf (mindestens) zwei verschiedenen physischen Systemen ablaufen. Auch die Flexibilität wird durch die Möglichkeit der Fernwartung stark erhöht und letztlich geht vieles schneller, da virtuelle Maschinen (VM) einfach und schnell installiert werden können. All dies führt insgesamt zu Kosteneinsparungen.

3. Hardware- und Software-Virtualisierung

Grundsätzlich werden bei der Hardware-Virtualisierung virtuelle Ressourcen (CPU oder Speicher) zur Verfügung gestellt.
Das typische Beispiel hierfür ist eine Virtuelle Maschine (VM), die als Gastsystem auf einem (oder mehreren) physischen System(en) läuft. Das physische System wiederum wird als Host (bzw. Wirt) bezeichnet.

Damit ist es einfacher, Virtualisierungsplattformen zu entwickeln und dabei Entwicklungsdauer und -kosten zu verringern sowie die Leistung virtueller Plattformen zu steigern. Außerdem können mehrere virtuelle Plattformen unabhängig voneinander betrieben werden, da auf man auf der Hardwareebene zwischen ihnen wechseln kann, und es besteht die Möglichkeit der logischen Trennung virtualisierter Gastsysteme (VMs) von der Architektur bzw. der Implementierung der Host-Plattform. Ähnlich verhält es sich mit Software-Virtualisierung: ein Programm muss nicht auf dem Rechner/Server installiert sein, d. h. eine virtualisierte Software wird direkt ausgeführt.

4. Virtuelle Maschine (VM)

Dies ist ein virtuell erzeugter Rechner, der vom Benutzer bei der Anwendung wie ein physischer Rechner mit Hardware und Betriebssystem wahrgenommen wird. VMs werden als Gastsysteme auf physischen Systemen (Hosts) umgesetzt. Auf diese Weise sind mehrere Gastsysteme bzw. virtuelle Server auf einer Hardware-Plattform möglich (je nach Hardwarekapazität). Die Verwaltung und Überwachung dieser Gastsysteme erfordert jedoch eine Software: den Hypervisor (auch Virtual Machine Monitor, VMM).

5. Hypervisor

Gesteuert und überwacht werden die VMs von einem Hypervisor. Dies ist eine abstrahierende Schicht zwischen tatsächlich vorhandener Hardware (und ggf. auf dem System bereits installiertem Betriebssystem) und weiteren zu installierenden Betriebssystemen. Solche Systeme ermöglichen die Definition einer virtuellen Umgebung (Hardwareressourcen, insbes. CPU, Speicher, Festplattenplatz, verfügbare Peripherie), die unabhängig von der tatsächlich vorhandenen Hardware als Basis für die Installation von (Gast-)Betriebssystemen dient.
Hypervisoren gibt es als hardwarebasierte und softwarebasierte Ausführung.

5.1. Hardwarebasiert

Nativer Hypervisor oder Bare-Metal-Hypervisor oder Typ-1-Hypervisor; ist direkt auf der Hardware des Hostrechners installiert und steuert die Hardware sowie die Gastbetriebssysteme der VMs.
Benutzer:
Rechenzentren von Unternehmen oder andere serverbasierte Umgebungen
Beispiele:
Microsoft Hyper-V, VMware vSphere, KVM (Kernel-based Virtual Machine; 2007 in den Linux-Kernel integriert, Open Source), Nutanixs Acropolis AHV (Acropolis Hypervisor), Citrix XenServer, etc.

5.2. Softwarebasiert

Gehosteter Hypervisor oder Typ-2-Hypervisor, wird als Softwareschicht oder Anwendung auf einem herkömmlichen Betriebssystem ausgeführt.
Benutzer:
Privatpersonen, die auf einem PC mehrere Betriebssysteme ausführen
Beispiele:
VMware Workstation, Oracle VirtualBox

6. Klassische Storage-Systeme

Je nach Anwendung und Unternehmen werden unterschiedliche Anforderungen an Speicherlösungen gestellt. Dafür gibt es drei physische Speicherlösungen Direct Attached Storage (DAS), Network Attached Storage (NAS) und Storage Attached Network (SAN).

6.1. Was ist DAS (Direct Attached Storage)?

Direct Attached Storage (eigene Darstellung)

Bei Direct Attached Storage handelt es sich um eine Festplatte, die direkt über SAS [Serial Attached SCSI (Small Computer System Interface)] oder FC-P2P (FibreChannel Point to Point), also nicht über das Netzwerk, an einen einzelnen Rechner oder Server angeschlossen ist (Punkt-zu-Punkt-Verbindung). Ebenfalls möglich sind alle anderen blockbasierten Übertragungsprotokolle, wie eSATA, FireWire, USB mit UAS und ATA/ATAPI (Advanced Technology Attachment with Packet Interface; veraltet).

Vorteile:

• Schnell (da kein Netzwerk, sondern direkte Verbindung zw. Speicher und Rechner/Server)
• Einfache Verwendung / wenig Hardware-Aufwand (kaum/geringe Komplexität)
• Vergleichsweise günstig
• Kein Protokoll-Stack / Protokoll-Overhead
• Geringe Laufzeiten / Latenzen
• Wird (daher) gern für hochperformante Anwendungen eingesetzt

Nachteile:

• Andere Computer/Server können nur über Netzwerk und Host auf die DAS-Daten zugreifen
• Deshalb Aufwand durch Verwaltung von Benutzerrechten / Freigaben --> kaum flexibel
• Pro Festplatte ist ein eigener Hardware-Anschluss erforderlich
• Entfernung vom Host zum Storage ist begrenzt (10 m bei SAS)
• Dadurch sind Defekte der verbundenen Festplatte problematisch, weil Daten ggf. nicht mehr verfügbar sind [bzw. mit Backup gesichert sein müssen (--> Aufwand!)]
• Wenig skalierbar (nur Scale-Up: vertikale Skalierung durch Hinzufügen von mehr Ressourcen, wie größere/bessere/mehr CPU(s), mehr Hauptspeicher, ...)

Einsatzgebiete und Anwendungen für DAS (hochperformant: Tier-0- und Tier-1-Storage):

• Datenbankanwendungen
• Caching
• E-Mail-Server (Exchange-Server)

6.2. Was ist NAS (Network Attached Storage)?

Network Attached Storage (eigene Darstellung)

Netzwerkgebundener Speicher:
Eine Festplatte ist bzw. mehrere Festplatten sind eigenständig, d. h. sie funktionieren mit eigener Stromversorgung unabhängig vom Rechner/Server und stehen über eine Netzwerkschnittstelle mit diesem in Verbindung. NAS-Systeme sind für viele Netzwerkprotokolle geeignet, am meisten wird jedoch das iSCSI-Protokoll (internet Small Computer System Interface) verwendet. Häufig ist die für den Betrieb benötigte Software bereits vorinstalliert.

Vorteile:

• Speicherplatz ist für Netzwerkteilnehmer einfach und schnell verfügbar oder wird je nach Benutzer aufgeteilt
• Dadurch können verschiedene Endgeräte auf die Daten zugreifen
• Flexibel und skalierbar (durch Einbau größerer Festplatten)
• Kann als Sicherung für Archivierungszwecke oder Disaster Recovery verwendet werden
• RAID-Konfigurationen möglich (bei hochwertigen NAS)
• Für Privatanwendung oder KMU geeignet (--> SOHO: Small Office/Home Office)

Nachteile:

• Erhöhte Zugriffszeiten (Latenz)
• Bei Ausfall kein Zugriff auf die Daten mehr
• Bei falscher Konfiguration können Daten teilweise verschwinden
• NAS-Server im Dauerbetrieb haben einen hohen Stromverbrauch

Einsatzgebiete und Anwendungen für NAS (Tier-2- und Tier-3-Storage, mit All-Flash-Systemen und 10-Gbit/s auch Tier-1-Storage und teilweise Tier-0-Storage):

• (Langzeit-)Archivierung
• Back-up-to-disc
• Storage-Konsolidierung
• Videoüberwachung
• Streaming / Medienserver (z. B. Plex)
• Höherwertige NAS mit blockbasiertem Speicher (über Ethernet und/oder SAN bzw. FC) bieten Unified Storage-Optionen

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Exkurs: Virtualisierte NAS

NAS-Systeme sind virtualisierbar. Die abstrahierte Zusammenführung einzelner isolierter Speicher vereinfacht theoretisch die Verwaltung: mehrere Systeme werden logisch als ein System abgebildet. Jedoch bedingten anderweitige Probleme (komplexe Verwaltung der Zugriffsrechte bei gemischten Plattformen etc.) die Abkehr von NAS-Virtualisierungen auf Rechenzentrumsebene.

Generell ist festzuhalten, dass heutzutage die Grenzen zwischen den Systemen inzwischen fließend sind:

In NAS-Systemen kann auch ein blockbasierter Zugriff (über iSCSI) möglich sein. Umgekehrt ist bei modernen SAN-Ausführungen auch ein dateibasierter Zugriff möglich (mittels Disk Arrays). Und mit Software Defined Storage (SDS) eröffnen sich neue und bessere Optionen, so können moderne Storage-Lösungen auch objektbasierte Speicher und Speicher für virtuelle Umgebungen oder auch Container-Systeme ermöglichen. Selbst mit sehr günstigen Produkten für wenige hundert Euro kann ein NAS-System teilweise als iSCSI-Target implementiert und einer Logical Unit Number (LUN) zugeordnet werden, um zum Beispiel den Speicher eines VMware-Hosts in die Storage-Anwendung zu verlagern.

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6.3. Was ist SAN (Storage Area Network)?

Storage Attached Network (eigene Darstellung)

Dies ist ein parallel zum Server-Client-LAN existierendes Speichernetzwerk zur Anbindung von Festplattensubsystemen (Disk-Array) und Tape-Libraries an Server-System, d. h. mehrere Server sind über ein Netzwerk an einen Datenpool angebunden.
Es ist eine Erweiterung von Direct Attached Storage (DAS), wobei einem Server über ein Netzwerk bzw. verschiedene Netzwerkprotokolle Disk-Speicherkapazität zugeordnet wird. Dank dynamischer Disk-Arrays kann (einem anderen Server) Speicherplatz hinzugefügt oder entnommen werden. Letztere Funktionalität ist vorwiegend in SAN-kompatiblen Disk-Arrays implementiert.
Direct Attached Storage (DAS) ist eine direkte Verbindung zwischen einem Server und einem direkt angeschlossenen Daten-Speicher. Ein Storage Area Network (SAN) hingegen verbindet mehrere Server an mehrere Speicher-Systeme über ein Netzwerk – auch über große Entfernungen.
Ein SAN ist strukturell mit einem LAN (Local Area Network) vergleichbar, da es auch aus Hubs, Switches und Router besteht.

Vorteile:

• Größere Distanzen als bei Direct Attached Storage (da Glasfaser)
• Kapazitäten bündeln: mehrere physische Datenspeicher bilden (virtuell) eine große Einheit plattformunabhängiger und flexibel verfügbarer Gesamt-Kapazität
• Multipathing dank Fiber Channel Fabric: Festplatten-Zusammenschluss kann über mehrere Host-Bus-Adapter erreicht werden. In Kombination mit den Querverbindungen gibt es kaum Überlastungen und die gespeicherten Daten sind dadurch hochverfügbar
• Redundanz durch mehrere physische Datenspeicher: hohe Datensicherheit, da bei einem Festplattenausfall immer noch eine Datenkopie auf einer anderen Festplatte verfügbar ist

Nachteile:

• Komplexität/Preis: teure Hardware und Fachkenntnisse nötig für korrekte Installation und Verwaltung (komplexere Konfiguration/Administration)
• Abhängigkeit: Bei Ausfall des SAN sind auch alle angeschlossenen Rechner/Server betroffen
• Kompatibilität: Viele Komponenten unterschiedlicher Hersteller können zu Kompatibilitätsproblemen führen.

Einsatzgebiete und Anwendungen für SAS (hochperformant: Tier-0- und Tier-1-Storage,
bei entsprechender Infrastruktur auch Tier-2- und Tier-3-Storage):

• Datenbankanwendungen
• Virtuelle Server für IaaS (Infrastructure as a Service)
• Plattformübergreifende Datenverwaltung
• Storage-Konsolidierung
• Zentrales blockbasiertes Storage (shared):
  • Virtualisierung
  • Cluster (wenn Cluster-File-System verwendet wird)

7. Virtualisiert: vSAN, SDS und hyperkonvergente Systeme

Bei Storage-Virtualisierung wird dem Speichersystem eine logische, virtuelle Schicht hinzugefügt, um den Benutzer von den physikalischen Grenzen des Systems zu entkoppeln und dem System-administrator die Verwaltung effizienter zu gestalten sowie die Auslastung der Speicherumgebung zu erhöhen.

7.1. Was ist virtualisiertes SAN (vSAN)?

Virtualisiertes SAN ist eine logische Partition in einem Storage Area Network (SAN), um den Datenverkehr (Traffic) in bestimmten Bereichen des SANs zu isolieren und auf diese Weise ein virtuelles Speichernetzwerk zu erhalten. Dieses besteht aus Ports aus einer Reihe verbundener Fibre-Channel-Switches, die eine virtuelle Struktur (bzw. Fabric) bilden. Ports innerhalb eines einzelnen Switches können trotz gemeinsam genutzter Hardware-Ressourcen in mehrere virtuelle SANs partitioniert werden. Umgekehrt können mehrere Switches eine Reihe von Ports zu einem einzigen virtuellen SAN verbinden. Die Switch-Ports sind jeweils nur einem vSAN zugeordnet. Die jeweiligen vSANs sind vollständig voneinander isoliert und verfügen über eigene Sicherheitskriterien. vSANs sind skalierbar.

7.2. Was ist Software Defined Storage (SDS)?

Der Datenspeicher wird zentral über eine Software verwaltet, wodurch die Trennung zwischen Speicher(software) und zugrunde liegender Hardware erreicht wird. Dies ist keine physische Trennung, sondern eine „Softwareschicht“ zwischen dem physischen Speicher und der Datenanfrage. Im Grunde zählt SDS nicht zur Storage-Virtualisierung, da bei SDS die Speichersoftware durch Abstrahierung vom Gerät selbst getrennt wird, während bei Storage-Virtualisierung die Kapazitäten mehrerer Storage-Geräte zusammengeführt werden, sodass es nur scheinbar ein einziges Storage-Gerät ist.

Funktionen und Merkmale von SDS:

• Automatisierung
• Standardschnittstellen
• virtualisierter Datenpfad mit Datei-, Block- und Objektschnittstellen
• Skalierbarkeit
• Transparenz

Vorteile von SDS:

1. Hardwareunabhängigkeit:
   unterschiedliche Anbieter für Hardware und SDS möglich
2. Kosteneffizienz:
   Scale-Out (horizontale Skalierung: Hinzufügen weiterer Gesamtsysteme, wie Server/Speicher) bietet Unabhängigkeit bei Kapazitäts- und Leistungsanpassung
3. Flexibilität:
   Das Storage kann mit verschiedenen Elementen zusammengestellt werden, z. B. externe Festplatten, Disk- oder Flash-Speicher, Cloud, etc.
4. Automatisierung:
   Es werden stets alle angebundenen Speicherelemente einbezogen, um ohne Administratoreingriffe oder Hinzufügen von Hardware automatisch alle erforderlichen Kapazitäts- und Leistungsanpassungen durchzuführen.
5. Freiheit:
   SDS ist aufgrund seiner Hardwareunabhängigkeit uneingeschränkt skalierbar.

Einsatzgebiete und Anwendungen für SDS:

SDS kann sehr flexibel für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden:

• Objekt-Storage
• Rich Media Storage
• Container
• Cloud
• Big Data-Analysen
• Hyperkonvergente Infrastrukture (Hyper Converged Infrastructure, HCI)
• etc.

7.3. Was ist Hyper Converged Infrastructure (HCI)?

Kurzdefinition:
Vereinigung von Speicher, Netzwerk und Rechenleistung in einem Gerät bzw. Cluster.

Hyper-Converged-Systeme haben mindestens zwei Nodes (dt. Knoten; adressierbares Element/Gerät eines Netzwerks) und können auf eine beliebige Anzahl von Nodes erweitert werden. Der lokale Speicher der Nodes wird virtualisiert in einen Speicherpool zusammengeführt.

Darauf können virtuelle Festplatten (vDISKs) oder LUNs (Logical Unit Number) erstellt werden, um darauf wiederum Speicherplatz für virtuelle Server zu schaffen. Die Systeme sind um mehrere Nodes erweiterbar. Durch die vollständige Unabhängigkeit von der Hardware und aufgrund der Zentralisierung ergeben sich ein effizienterer IT-Betrieb, kürzere Implementierungszeiten (da alles von einem Hersteller), hohe Skalierbarkeitsflexibilität, reduzierter I/O-Blender-Effekt (wenn das Speichernetzwerk Teil der Appliance eines HCI-Systems ist), erleichterte Verwaltung und Kostenreduzierungen.

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• Server und Storage – Grundlagen
• Unterschiede zwischen CTO und BTO
• Übersicht zu SAS, SATA, PCIe, NVMe & Co.
• Die 3 Speichermethoden File Storage, Block Storage, Object Storage

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