Cisco HyperFlex
Cisco HyperFlex

Yeni Nesil Veri Merkezi Çözümlerinde HyperConverged Mimarisi

Günümüz gelişen IT mimarileri , hızlı ilerleme ile birlikte yanlarında her geçen gün sayıları artan ve aşılması gereken bir takım yeni gereksinimler getirmektedirler. Bu gereksinimler çerçevesinde gelişen teknoloji her gün yeni ürünler ile bu sorunların üstesinden gelmeye çalışmaktadır. Bu ihtiyaçlardan kaynaklı olarak, hızlı, basit, ölçeklenebilir ve güvenilir data-center bileşenleri yaratma doğrultusunda gelişen ve "Hyper-Converged" olarak isimlendirilen mimariler günümüzde yaygınlaşmaya başlamıştır.

Cisco da bu ihtiyaçlara en iyi şekilde cevap verebilmek adına , yeni nesil ölçeklenebilir, esnek, veri güvenliğinin en üst düzeyde olduğu, "HyperConverged" sistemlerinin tüm potansiyelini en üst düzeye çıkarır iken bu ihtiyaçların hiçbirinden ödün vermeden, basit  kurulum ve yönetim yetenekleri ile donatılmış ürünü olan "HyperFlex" sistemini geliştirmişdir. 

 Cisco HyperFlex sisteminde uçtan uca çözümlemelerde kullanılmak üzere, yazılım tabanlı mimariler kullanılmıştır. Bu yazılım tabanlı mimariler , Cisco Unified Systems (Cisco UCS) suncuları, yazılım tabanlı veri saklama alanları (SDS), yine yazılım tabanlı ağ (SDN)  sistemleri ile entegre edilerek, yüksek verimlilikte, kolay ölçeklenebilir, data güvenliğinden ödün verilmeden maksimum performans alınabilen bir HyperConverged ürün olan Cisco HyperFlex müşterilerine hizmet vermek üzere sunulmuştur.

 

Cisco HyperFlex HX Data Platformu

Cisco HyperFlex HX Dataplatformu, "enterprise-class" veri yönetim servisleri ile yüksek performanslı dağıtılmış veri mimarisi kullanan yeni nesil bir dosya sistemi kullanarak yazılım tabanlı veri depolama sistemlerinde mevcut sınırları aşarak yeni bir devir başlatmıştır.

Şekil 1: Cisco HyperFles Sistemi, sadece Cisco'nun sunabildiği bir çok özelliği kapsayan yeni nesil bir hiper bütünleşik çözümdür.

Cisco Hyperflex HX Data Platformu şunları sunmaktadır:

  • Enterprise-Class Veri Yönetimi  bunun için sistem, geliştirilmiş veri koruma, replikasyon , tekilleştirme, sıkıştırma, "thin provisioning", verimli boş alan kullanımı sağlayan özel klon alma ve snapshot teknolojilerinin tümünü barındıran dağınık veri mimarisini bulundurur
  • Basitleştirilmiş Veri Yönetimi  tüm veri alanı fonksiyonlarının mevcut yönetim sistemine entegre olarak günlük yönetim işlerindeki gereksinimlerin hızlı ve basit şekilde yönetilmesini sağlamaktadır.
  • Bağımsız Ölçeklenebilirlik  birbirinden bağımsız olarak  ölçeklenebilen, compute, cache, kapasite ile yapınıza uygun esnek gelişim imkanı sunar.
  • Sürekli Veri Optimizasyonu  arka plan da akıllı zamanlamalar kullanılarak çalıştırılan "inline-deduplication" ve "compression" teknikleri kaynakların verimli kullanılmasını sağlar.
  • Dinamik Data Yerleşimi Cisco ya özel algoritmalar ile veri her bir node üzerindeki, memory, ECF (SSD)ve lokal depolama disk lerinde otomatik olarak yerleştirilir.
  • API Tabanlı Platform Mimarisi mevcut ve gelecekteki hybrid bulut teknolojilerinin entegrasyonun da esneklik kazandırır.

 

Mimari

Cisco HyperFlex sistemlerinde kullanılan veri mimarisi, en 3 ve daha fazla Cisco HX-Serisi sunucu üzerinde yaratılan yüksek erişilebilir cluster üzerinde çalıştırılır. Her sunucu üzerinde, dahili şekilde bulunan yüksek hızlı katıl hal diskleri(SSD) üzerine HyperFlex HX Data Platform kontrol sanal sunucuları yüklenir ve veri yüksek kapasiteli geleneksel diskler de tutulur. Bu kontrol sunucuları 10Gb ethernet bağlantısı üzerinden haberleşme sağlarlar. Sunucular verilere erişimini dosya,blok,obje ve API eklentileri ile sağlarlar. Bu sayede yeni eklenen sunuclar üzerine compute,storage capacity ve I/O lineer şekilde kesintisiz ve performans kayıpsız olarak dağıtılabilir.

Şekil 2: Dağıtık Cisco HyperFlex Sistemi

VMware Vsphere ortamında yüklenmiş olan kontroller sunucuları, her bir sunucu üzerinde bulunan memory cpu çekirdeklerini kullanır. Bu kullanım verilen oranların üzerine çıkmayarak sunucu üzerine ek bir yük getirmeyecek şekilde dizayn edilmiştir. Bu nedenle sunucular üzerinde bulunan diğer sanal sunucular üzerinde de herhangi bir performans kaybı yaşanmasının önüne geçilmiş olur. Kontroller sunucuları, fiziksel sunucular üzerinde ki disklere VM_Direct_Path yöntemi ile ulaşarak herhangi bir hypervisor etkileşimine girmez. Bunu sağlanabilmesi için her bir sunucuda bulunan raid kontroller kartları, kontroller sanal sunucularına Pass-Through yöntemi ile eklenerek disklere direk erişim verilmiş olur. Bu disk yapsının VMware hypervisor erişimi ise iki adet önceden kurulumuş olan bundle sürücüleri ile sağlanır. Bunlar:

  • IO Visor: Bu sürücü yardımı ile NFS network dosya sistemi tanımlamaları hypervisor üzerine yapılır. Hypervisor katmanı tarafından incelediğimizde bu sürücü yardımı ile disk havuzu, hypervisor üzerine bir veri alanı tanıtılarak sanal sürücülerin üzerinde barındırılması sağlanır.
  • VMware vStorage API for Array Integration (VAAI): Bu katman sayesinde snapshot ve clone gibi ileri düzey dosya operasyonlarında oluşan veri yükü optimize edilerek, gerçek verinin kopyalanması yerine metadata verisi  manipüle edilerek çok kısa sürelerde yeni sunucuların oluşturulması sağlanır. Bu şekilde ortamda çok hızlı şekilde yeni uygulama havuzlarının yaratılması mümkündür.

 

Nasıl Çalışıyor?

Cisco HyperFşex HX Data Platform'u hypervisor katmanında tüm okuma ve yazma taleplerini ve de sanal sunucular tarafından yaratılan okuma yazma taleplerini kontroller sunucuları yardımı ile sağlar.(Hypervisor ler kendilerine ait bağımsız diskler üzerinde yer almaktadır.) Data Platformu'nun oluşturmuş olduğu log-structured dosya sistemi önbellek katmanı olarak sistemdeki SSD diskleri kullanır ve okuma isteklerini, yazma tepki sürelerini optimize ederek geliştirir ve kalıcı yazma işlemini yüksek kapasiteli HDD katmanı üzerinde sonlandırır.

 

Veri Dağılımı

Gelen veri önbellek katmanı olan SSD'ler kullanılarak optimize edilmiş şekilde yüksek performans da tüm sunucular üzerine dağıtılır. Bu yöntemin verimli olması için, alınan veri talepleri parçalanarak aynı anda tüm sunucular üzerine dağıtılır. Bu işlem esnasında kurulum anında belirlenmiş olan güvenlik politakasında belirlenmiş kopya sayısı baz alınır.

Şekil 3: Veri HyperFlex kümesi içinde farklı node'lara dağıtılır.

Bir uygulama veri yazdığında, veri ilgili block bilgisinin bulunduğu uygun sunucu üzerindeki veri yığını üzerine yollanır. Bu yaklaşım ile aynı anda birden çok kanaldan yazma işlemi gerçekleştirilebilir bu sayede, sanal makinanın bulunduğu yerden bağımsız olarak sürekli ve stabil yüksek performans sağlanarak oluşabilecek veri darboğazlarının önüne geçilir. Bu teknolojik yaklaşım diğer ürünlerdeki yaklaşımdan farklı olarak Cisco HyperFlex sistemlerinin farklı bir noktada yer almasını sağlar.

  • Veri Yazma: Veri yazma işlemleri önbellek katmanındaki SSD diskler üzerine yazılarak kopyaları da parallel olarak diğer sunucular üzerinde bulunan SSD disklere yollanır ve sonrasında yazma işlemi onaylanır.
  • Veri Okuma: Veri okuma işlemlerinde, yüksek oranda veri sunucu lokalindeki önbellek SSD disklerinden gerçekleştirilir ancak verinin lokaldeki önbellekde bulunmaması durumunda, diğer sunuculardaki önbellek disklerinden veri aktarımı gerçekleştirilir.  Bu yöntem sayesinde darboğazların önüne geçilerek sürekliliği sağlanmış peformans elde edilmektedir.

Bir sanal sunucunun Vmware Dynamic Resource Scheduling (DRS) kullanılarak yeni bir yere taşınması esnasında HyperFlex Data Platformu üzerinde herhangi bir veri aktarımı gerekli değildir. Bu yaklaşım sayesinde sanal sunucu hareketleri esnasında ciddi oranda verimlilik sağlanmaktadır.

 

Veri Operasyonları

Data Platformu, Cisco HyperFlex'e özel önbellek katmanında SSD diskleri kullanan log-structured dosya  sistemini ile, gelen okuma istekleri,yazma tepkime sürelerini hızlandırıp kapasite katmanında ise yüksek depolama alanlı HDD leri kullanır.  Gelen veriler, belirlenmiş erişilebilirlik politikası baz alınarak sunucu saysına göre veri parçacıklarına ayrılır. Yine politikada belirlenmiş olan sunucu sayısına göre gelen yazma isteği tüm SSD önbellek disklerine dağıtıldıktan sonra yazım işlemi sistem tarafından onaylanır. Bu şekilde sunucu yada SSD disklerin bozulması esnasında veri kaybının önüne geçilir. Sonraki aşamada ise veri bir alt katmanda yer alan ucuz maliyetli yüksek kapasiteli HDD ler üzerine kalıcı olarak kaydedilir.  Bu şekilde yüksek hızlı SSD ler ile düşük maliyet yüksek kapasiteli HDD lerin kullanılması toplamda sahip olunan depolama alanının hızdan ödün vermeden maliyetlerinin düşmesi sağlanmış olur.

Log-Structured dosya sistemi, ayarlanabilir "write log" dolana kadar verileri önbellek SSD disklerinde tutar sonrasında alt katmandaki HDD lere yazılmak üzere veri akışını sağlar. Eğer önceden yazılmış bir veri bloğu ile karşılaşır ise sadece yeni blokları alarak meta-data verisini güncellemek  yollu ile tek bir "seek" işlemi ile yüksek miktarda ardışık veriyi kaydeder. Bu sistematik ile geleneksel "read-modify-write" modelindeki bir çok "seek" işlemi ile küçük miktarda dağınık verinin kaydedilmesinin önüne geçilerek, gerçek hayata operasyonel zaman çerçevesinde yüksek performans ve verimlilik sağlanır.

Veri tüm önbellek disklerine dağıtıldıktan sonra tekilleştirme ve sıkıştırma işlemi gerçekleştirilir. Ancak bu işlemler yazma operasyonu sistem tarafından onaylandıktan sonra gerçekleştirildiği için, operasyonel zaman diliminde herhangi bir performans penaltısına neden olmaz. Küçük çapta ki tekilleştirme blokları sayesinde tekilleştirme oranları iyileştirilmiş olur. Sıkıştırma yöntemi ile de verinin ayakizi küçültülerek verimlilik sağlanır. Bu işlemlerin arkasından veri alt katmandaki HDD lere taşınır ve önbellek alanı yeniden kullanılabilmek için boşaltılır.

Şekil 4: Cisco HyperFlex sisteminde veri yazma operasyonu

Sık kullanılan veri ve son erişim sağlanan veriler hem önbellek SSD lerinde hemde sunucunu hafızasında saklanır. Sık erişim sağlanan verilerin önbellek katmanında barındırılması HyperFlex sisteminin sanallaştırılmış ortamlardaki verimliliğini artırmaktadır.  Bir sanal sunucu bir veriyi değiştirdiği zaman, çoğunlukla veriye önbellek katmanı üzerinden erişim sağlanır. Buda HDD katmanına daha az erişim ihtiyacı anlamına gelmektedir. Cisco HyperFlex HX Data Platformu I/O Performans ve Veri kapasite katmanlarını ayrıştırarak bizlere birbirinden bağımsız şekilde her iki katmanı da ölçeklendirebilmeyi sağlar.

 

Şekil 5: Veri ön bellekleme ve devamlılık

 

Veri Optimizasyonu

Cisco HyperFlex HX Data Platformu, önbellek (SSD ve Memory) ile kapasite katmanı(HDD) üzerinde sürekli açık, "inline deduplication" ve değişken boyutlu "inline compression" özelliklerini sunmaktadır. Cisco bu özellikleri diğer çözümlerde karşılaşılan performans kayıplarında kapatılmak üzere değil performans kayıpsız sürekli optimizasyon ile çalışarak kapasite kullanımını verimli hale getirmek ve performansı artırmak amaçlı geliştirmiştir.

 

Veri Tekilleştirme

Şekil 6: Cisco HyperFlex sistemi, performansda düşme olmaksızın veri depolamayı optimize eder.

Veri tekilleştirme sistemi diğer sistemlerin aksine Cisco HyperFlex HX Data Platformunda yer alan tüm katmanlarda (memory,önbellek SSD diskleri, kapasite katmanı HDD ler) kullanılmaktadır. Tekilleştirmede patentli olan "Top-K Majority" algoritması kullanılmaktadır. Bu algoritma veri küçük parçalara ayrıldıktan sonra tekilleştirmede gerçek öncelikli verinin tesbit edilmesi yöntemini kullanır. Bu sayede öncelik taşıyan veri parçacıkları çok daha az hafıza kullanılarak, parmak izi çıkarılıp sonrasında da indekslenip tekilleştirilir. Tekilleştirme sadece kapasite katmanındaki HDD ler üzerinde  yer kazanma amaçlı gerçekleştirilmez. Tekilleştirilmiş veri önbellek katmanında da aynı şekilde korunur bu yöntem ile çok küçük veri boyutlarında çok büyük veri blokları önbellek katmanında tutulabilir ve de bu sayede okuma taleplerine verilen cevap hızı dramatik şekilde artırılmış olur.

 

Veri Sıkıştırma

Cisco HyperFlex HX Data Platformu disk alanında ki boş alanı korumak için yüksek performanslı sıkıştırma metodları kullanmaktadır. Diğer ürünlerinde sıkıştırma yanında  negatif performans  etkileri ile birlikte sunulmaktadır. Cisco data platformu CPU-Offload teknikleri ile performans üzerinde etki yaratmaksızın sıkıştırma gerçekleştirir. Log-Structured dağıtılmış obje katmanı, veri operasyonlarında, önceden sıkıştırılmış veri bloklarında ki değişimlerinde herhangi bir negatif  etkide bulunmaz. Bunun yerine yeni gelen değişiklik talepleri sıkıştırılarak yeni bir bloka halinde yazılır. Eski sıkıştırılmış blok ise eğer herhangi bir bağımlılığı (snapshot gibi) bulunmuyor ise silinmek üzere işaretlenir. Bu yöntemde görüldüğü gibi yeni gelen veri yazma isteklerinde herhangi bir okuma işlemi yapılmaz. Bu şekilde geleneksel  "read-modify-write" yöntemindeki okuma yazma penaltılarındaki performans kayıplarının önüne geçilmiş olurnur.

 

Log-Structured Dağıtılmış Veri Katmanı

HX Data Platformu, log-structured dosya sistemi, veriyi dağıtılımış obje katmanında gruplara bölerek sıkıştırır ve sonrasında hepsi tek başına adreslenebilir objeler halinde tekilleştirme motoruna gönderir.  Bu objeler sonrasında log-structured dosya sistemine sıralı halde kaydedilirler. Tüm I/O talepleri, rastgale gelen I/O trafiği dahil olmak üzere,sıralı olarak, önbellek katmanı (SSD ve Memory) ve kapasite katmanına (HDD) yazılır. Son olarak bu objeler tüm sunucu kümesine dağıtılarak toplam veri alanının standart şekilde kullanılmasını sağlar.

Sıralı sistem şablonu kullanılarak, sistemde kullanılmakta olan flash-memory'lerin dayanıklılığı artırıldığı gibi, aslında sıralı okuma ve yazma işlemleri için verimli olan HDD lerinde kullanım karakterisklerine uygun olarak en iyi performans alınmış olur. Geleneksel "read-modify-write" yöntemi kullanılmadığı için ise, sıkıştırma,snapshot alma gibi veri operasyonları toplam performansta hissedilir bir etki oluşturmamaktadır. 

Şekil 7: Cisco HyperFlex platformunun veri sistemi

Veri blokları, log-structured dosya yapısındaki sıralı sistem nedeni ile , sabit boyutlu sıkıştırılmış sıralı  objeler şeklinde bölünür. Bu objeler veri koruması ve bütünlüğü için, herbiri parmak izi alınıp checksum değerleri eşliğinde eşsiz adreslenebilir birer anahtar eşliğinde saklanır. Kronolojik olarak yazılan bu objeler, herhangi bir medya yada sunucu hatası esnasında, en hızlı şekilde kurtarılıp yeni medya yada sunucuya transfer edilir.

 

Veri Servisleri

Cisco HyperFlex HX Data Platformu, başlıca aşağıdaki veri hizmetlerini sunmaktadır:

 

Thin Provisioning

Platform, mevcut veri merkezinizi gelecek tahminleri yapmadan, satın alacağınız yeni kapasitenin uzun süre kullanılmadan boşta kalma riskini eleyerek verimli kullanmanızı sağlar. Kullanmış olduğunuz uygulamalarınıza ihtiyacınız olduğu kadar fazla yer tanımlayabilirsiniz, veri sadece kullanıldığı alan kadar gerçek fiziksel veri alanınızda yer tutar. Bu sayede gereksiz yatırımların önüne geçerek mevcut sisteminizi daha verimli kullanmanızı sağlar.

 

Snapshots

Platform, metadata tabanlı(metadata-based) , sıfır kopya (zero-copy)ile snaphot alma yöntemi ile, verinin sürekli erişilebilir olması için kritik olan yedekleme ve uzak bölgeye kopya çıkarma işlemlerini geleneksel yöntemlere göre çok daha verimli ve performanslı gerçekleştirmektedir. Platform, veri alanı verimli (space-efficient) snapshot lar ile, yer sorunu yaşamadan canlı veri yedekleme yapılarak veri kullanılmadığı zamanda harekete taşınabilir yada bu snapshotlardan geri yüklenebilir.

  • Hızlı Snaphot güncellemeleri, Mevcut bir snaphot üzerindeki veri değiştirilmek istendiğinde yeni veri tamamen yeni bir yere yazılarak metadata verisi güncelenir. Bu sayede "read-modify-write" işlemine gerek kalmaz.
  • Snapshotların hızlı silinmesi,  Platfrom sayesinde, bir snapshot sildiğimizde delta-disk tekniğindeki uzun süren ve büyük veri silme sonrasında konsolide etme yerine, sadece SSD önbellek disklerinde yer alan metadata verisi üzerinden küçük miktarda veri silinerek işlem çok hızlı şekilde tamamlanır.

 

Hızlı, Verimli Alan Kullanımı ile Kopya Çıkarma

Platfromda, kopya çıkarma işlemi, yazılabilir snapshot yöntemleri kullanılarak çok hızlı şekilde yeni sanal masaüstü ortamları yaratılmasında yada uygulama testleri için gerekli kopyaların çıkarılmasında kullanılabilir. Bu yöntem ile veri alanı verimli kullanılarak çok az yer işgal eden sadece metadata verisi üzerinde yapılan işlemler ile saniyeler içerisinde yüzlerce yeni kopya performans kaybı olmaksızın yaratılır. Geleneksel verinin tamamının kopyalanması yöntemine göre, çok yüksek miktarda zaman kazancı ile en az sistem kaynağı kullanımı sayesinde IT yönetim süreçlerinde verimliliği artırır.

Kopyalar tekilleştirilmiş şekilde yaratılıtr. Bir kopya diğer kopyalardan farklı veri taşımaya başladığı anda sadece yeni gelen veri saklanır kopyanın kalan kısmı ortak şekilde kullanılır. Platform bu sayede büyük uygulama ortamlarında veri kapasitesi sorunu olmadan büyük miktarlarda kopya çıkarma işlemini en verimli şekilde gerçekleştirebilir.

 

Veri Erişilebilirliği

Platform, log-structered dağıtılmış veri katmanı ile, gelen veri leri belirlemiş olduğumuz veri politikalarına göre kopyalayarak, önbelleğe senkron şekilde kopyalanır buradanda bir yada daha fazla SSD diske kopyalanarak yazma onayı gönderilir. Bu yöntem ile işlem verimli olarak gerçekleştiği gibi node yada disk kayıplarında da veri kaybının önüne geçilmiş olur.

 

Log-structured veri yapısında veri aynı zamanda önbellek den kalıcı disk katmanına aktarılırkende diğer node lar üzerine kopyalanarak, node ve disk sorunlarında verinin korunmasını sağlar.

Bir sorun esnasında uygulama tarafından gelen veri isteği otomatik olarak diğer node lara yönlendirilir. Bu yöntem sorun esnasında yada planlı upgrade yada kesintiler esnasında esneklik kazandırır.

 

Sonuç

Yukarıda anlatılan bilgiler ışığında Cisco HyperFlex Yeni Nesil Data Center yaklaşımında her geçen gün kapsamını genişleten "Hyper Converged" mimariye getirmiş olduğu yeni yaklaşımlar ile pazarda ki yerini sağlam  adımlar ile genişletmektedir. HyperFlex aşağıdaki yenilikler ile diğer ürünlerden farklılaşmakta ve sektöre yeni bir soluk katmaktadır.

  • Fabric Interconnect yapısı ile tüm trafiğin izole ortamda kayıpsız şekilde karşılar, bu bağlantı katmanı ile genişleme ve de 3rd party bileşenlerde esneklik getirir
  • Senkron önbellek katmanı ile okuma ve yazma performasını güvenlikten ödün vermeden yükseltir
  • Log-Structured dosya yapısı ve sıralı veri sistemi ile hızlı okuma yazma işlemleri gerçekleştirir
  • CPU-Offload yönetmi ile performans kayıpsız sıkıştırmayı tüm katmanlarda sağlar
  • Top-K majority yöntemi ile gerçek sık erişilen veri tesbiti yaparak çok efektif tekilleştirme gerçekleştirir
  • Meta-data üzerinden alınan snapshotlar ile çok daha hızlı ve esnek snapshot işlemi gerçekleştirir
  • Sadece yeni gelen veriyi kopyalarak kopya çıkarma işlemini dramatik şekilde hızlandırır, yedekleme yada uzak lokasyona kopyalama işlemlerinde esneklik sağlar.

Video – [Cisco HyperFlex Systems - Go inside Complete Hyperconvergence]

Video – [Introducing Cisco HyperFlex Systems - Choose Wisely]