Software-Defined Shared Storage mit VMware Virtual SAN

von Thomas Joos am , 05:43 Uhr

VMware vSAN bietet die Möglichkeit, den lokalen Plattenplatz der vSphere-Hosts zu einem virtuellen Speicher zusammenzufassen. Virtual SAN bietet ab Version 6.2 auch Enterprise-Funktionen wie Deduplizierung und Datenkomprimierung.

Unternehmen, die auf VMware vSphere setzen, können die physischen Datenspeicher der einzelnen Virtualisierungs-Hosts im Cluster zu einem gemeinsamen virtuellen Datenspeicher zusammenfassen. Dazu wird vSAN [1]genutzt. VMware stellt diese Technik für Netzwerke mit VMware vSphere 6 zur Verfügung, um die Verwendung des Speichers für VMs im Netzwerk zu verbessern. Durch die Integration von vSAN stellen die Knoten im Cluster also die VMs bereit und gleichzeitig den angebundenen Datenspeicher.

VMware bezeichnet vSAN auch als Bestandteil der hyper-converged Software (VMware HCS). Durch die direkte Integration in den Hypervisor bietet vSAN einen effizienten Datenspeicher, der Flashspeicher gemeinsam mit herkömmlichen Datenspeicher verbinden und gemeinsam verwalten kann. VMware positioniert vSAN aber nicht nur für große Unternehmen oder Rechenzentren, sondern auch für Niederlassungen oder kleinere Netzwerke. Denn vSAN bietet auch die Unterstützung von zwei Knoten. Durch die einfache Einrichtung profitieren dann auch diese Netzwerke von den Vorteilen der Speicher-Virtualisierung.

Darum ist der Einsatz von vSAN sinnvoll

Durch die Zusammenlegung der physischen Datenträger der Hosts zu einem vSAN erreichen Unternehmen eine Hochverfügbarkeit der gespeicherten Daten für ihre Infrastruktur, da vSAN auch ein integriertes und verteiltes RAID bietet. Dazu unterstützt vSAN ab Version 6.2 einen einfachen oder doppelten Paritätsschutz, der den Ausfall eines oder mehrerer Hosts verkraften kann. Die Absicherung entspricht also dem Einsatz eines RAID 5 oder RAID 6. Vorherige Versionen bis vSAN 6.1 konnten virtuelle Maschinen nur spiegeln (RAID 1). Eine Spiegelung der Daten ist auch in der neuen Version problemlos möglich, allerdings bevorzugen vor allem größere Unternehmen eher den Schutz über RAID 5 oder RAID 6. Dafür müssen aber mehr Hosts zum Einsatz kommen als bei einer herkömmlichen Spiegelung.

VMware vSan (Bild: VMware) [2]

Für den Betrieb einer RAID-6-Konfiguration sind mindestens sechs Knoten im Cluster notwendig. In diesem Fall kann das vSAN aber problemlos den Ausfall von zwei Knoten verkraften. Natürlich kann auch weiterhin auf RAID 1 gesetzt werden. Das hat den Vorteil, dass mehr Knoten ausfallen können, ohne die VMs und den virtuellen Speicher zu gefährden. Allerdings benötigt die Absicherung in diesem Fall deutlich mehr Speicherplatz, da keine Paritätsinformationen genutzt werden, sondern Kopien der VMs.

Auch Storage Quality of Service (QoS) und die Deduplizierung von Daten sind möglich (ab vSAN 6.2). Durch QoS lässt sich zuverlässig verhindern, dass eine VM durch zu viele Schreiboperationen die Leistung anderer VMs beeinträchtigt. Eine Komprimierung der Daten lässt sich ebenfalls nutzen, um Speicherplatz zu sparen und die Datenübertragung zu beschleunigen. VMware sieht die Nutzung der Deduplizierung gemeinsam mit der Komprimierung vor. Gerade durch diese Neuerungen in vSAN 6.2 bezeichnen viele Experten vSAN auch als Enterprise-tauglich.

Verteilen und verwalten lässt sich der Speicher automatisiert über Richtlinien. Das erhöht die Verfügbarkeit und erleichtert gleichzeitig die Verwaltung. Komprimierung und Deduplizierung arbeiten eng zusammen. Um die Funktion nutzen zu können, ist ein All-Flash-Speicher im vSAN-Cluster notwendig. Dieser lässt sich mit SSD/HDD kombinieren. Ohne einen Flash-Speicher macht der Einsatz der Deduplizierung und Komprimierung keinen Sinn. VMware begründet das durch erhöhte Schreibvorgänge bei Wiederherstellungen. Damit kommt ein Flashspeicher besser zurecht als herkömmliche Datenträger.

Das sind die Möglichkeiten von vSAN

vSAN gab es bereits mit vSphere 5.5. Die Funktion wurde in vSphere 6 aber überarbeitet und deutlich verbessert. Mit vSphere 5.5 mussten Unternehmen noch eine virtuelle Appliance implementieren, mit der die Verwaltung von vSAN durchgeführt wurde. Das ist mit vSphere 6 nicht mehr notwendig. Weiterhin notwendig ist jedoch vCenter, denn hierüber wird vSAN verwaltet. vSAN arbeitet mit allen Funktionen in vSphere zusammen, sodass Unternehmen keine Einschränkungen befürchten müssen, wenn sie den Datenspeicher für die VMs über eine Virtualisierung des lokalen Speichers zur Verfügung stellen. Auch die Hochverfügbarkeit (DA) sowie DRS und Storage DRS lassen sich gemeinsam mit vSAN einsetzen.

vSAN erlaubt die Anbindung von drei bis zu 64 Hosts zu einem gemeinsamen virtuellen Speicher. Ab Version 6.2 besteht auch die Möglichkeit nur zwei Knoten anzubinden. Das ist allerdings nur für sehr kleine Netzwerke sinnvoll. Der virtuelle Speicher steht nach der Erstellung des vSAN in seiner Gesamtheit als Shared Storage auf allen Virtualisierungs-Hosts zur Verfügung. vSAN kann in diesem Bereich auch für eine Hochverfügbarkeit und eine Steigerung der Geschwindigkeit sorgen. Je mehr Clusterknoten Teil des vSAN sind, umso besser lassen sich die Daten verteilen, was die Hochverfügbarkeit und Leistung steigert. Wichtig ist natürlich, dass die vSphere-Hosts, deren Datenspeicher eingebunden werden sollen, über eine schnelle Netzwerkleitung verbunden sind.

Um vSAN sinnvoll einzusetzen, sollten in den Servern SSDs verbaut sein, zusätzlich zu herkömmlichen Festplatten. Die SSDs werden als schneller Zusatzspeicher verwendet, um häufig verwendete Daten immer schnell zugriffbereit zu haben. Besonders sinnvoll ist der zusätzliche Einsatz von All-Flash-Speicher, gemeinsam mit SSDs. All-Flash-Speicher, SSD und HDD werden innerhalb eines vSAN zusammengefasst. Wie die Daten gespeichert werden, legt das vSAN selbst fest. Auf hochperformanten Systemen kann es Sinn machen, komplett auf HDDs zu verzichten und alle Daten auf All-Flash und SSDs zu speichern. In jedem Fall muss jeder Host über mindestens eine SSD verfügen, damit der Einsatz von vSAN Sinn macht. Ohne das Zwischenspeichern von Daten auf einer SSD wäre die Leistung zu schlecht.

Daten, die ständig in Benutzung sind, bleiben also immer im Cache, was den schnellen Zugriff gewährleistet. Erst wenn die Daten nicht mehr so häufig genutzt werden, speichert vSAN diese auf die Datenträger mit geringerer Geschwindigkeit, also zum Beispiel HDD, oder beim Einsatz von All-Flash-Speicher, auf SSD.

Einschränkungen von vSAN – Atlantis USX und Co. sind überlegen

Auch wenn vSAN für viele Netzwerke ein interessanter Ansatz für Software Definied Shared Storage ist, vor allem wenn es um den Datenspeicher von VMs geht, ist die Lösung nicht perfekt. Denn im Gegensatz zu Softwarelösungen wie Atlantis USX [3] kann vSAN nicht den Arbeitsspeicher der Hosts anbinden. Lösungen wie Atlantis USX beschleunigen den Zugriff auf Datenspeicher, indem sie freien Arbeitsspeicher der angebundenen Hosts als Zwischenspeicherplatz für Daten nutzen, die anschließend auf die Festplatten geschrieben werden.

Atlantis USX fasst dazu die lokalen Festplatten der angebundenen Server zusammen und trennt diese auch nach Storage-Tiers auf, zum Beispiel SSD, HDD, NVMe oder iSCSI. Durch die zusätzliche Anbindung von Arbeitsspeicher kann USX die Leistung der Umgebung deutlich beschleunigen, da häufig verwendete Daten im Arbeitsspeicher zwischengespeichert werden, und danach der Zugriff über die langsameren Speicher erfolgt. Durch den Einsatz von USX lässt sich also bestehende Speicherhardware deutlich beschleunigen.

Dazu ist vSAN nicht immer in der Lage, zumindest nicht uneingeschränkt. Zwar kann auch vSAN als All-Flash-Architektur genutzt werden, um zum Beispiel Daten zwischen zu speichern, allerdings ist hier Atlantis USX wesentlich flexibler, vor allem durch die mögliche Einbindung des Arbeitsspeichers der angebundenen Hosts. vSAN unterstützt dagegen problemlos die Datenspeicherung auf PCIe- oder ULLtraDIMM-Flash. Dieser Speicher dient zum Abarbeiten der direkten Schreib-Prozesse. Die Datenspeicherung erfolgt anschließend auf SSDs. Atlantis USX kann daher durchaus als potenter Ersatz für vSAN gesehen werden.

Mit Atlantis USX kann der lokale Speicherplatz aller angebundenen vSphere-Hosts zu einem virtuellen Speicher zusammengefasst werden, inklusive des Arbeitsspeichers (Screenshot: Thomas Joos). [4]Mit Atlantis USX kann der lokale Speicherplatz aller angebundenen vSphere-Hosts zu einem virtuellen Speicher zusammengefasst werden, inklusive des Arbeitsspeichers (Screenshot: Thomas Joos).

VMware Storage DRS und vSAN

In VMware 6 besteht nicht nur die Möglichkeit lokalen Datenspeicher mit vSAN zu virtualisieren, sondern seit vSphere 5 besteht auch die Möglichkeit generell Datenspeicher zu einem Storage-Cluster zusammenzufassen. Genauso wie bei DRS für VMs und Hosts, können Administratoren auch für Datenspeicher einen DRS-Cluster aktivieren. Damit Storage DRS einsetzbar ist, benötigen Unternehmen eine Enterprise-Plus Lizenz. Grundsätzlich ist die Technik auch mit vSphere 5 kompatibel. Für einen leistungsstarken Einsatz macht es aber Sinn alle Hosts auf vSphere 6 zu aktualisieren.

Die generelle Funktion von Storage DRS entspricht der DRS-Funktionalität für Hosts. Wenn die Leistung eines Datenspeichers zu stark beansprucht wird, kann vSphere einzelne VMs in einen anderen Datenspeicher verschieben. Dadurch werden stark verwendete Datenspeicher entlastet, während nicht so stark ausgelastete in das System besser eingebunden werden. Storage DRS kann also in Umgebungen mit schnellem Datenspeicher auch durchaus als Ersatz zu vSAN gesehen werden. In einem solchen Beispiel dient Storage DRS zur Anbindung verschiedener Datenspeicher. Zusammen mit vSAN macht Storage DRS keinen Sinn, da hier der Speicher nicht virtualisiert und zusammengefasst wird. Storage DRS ist allerdings eine hervorragende Technologie, wenn mehrere verschiedene Datenspeicher zum Einsatz kommen sollen.

vSAN in der Praxis

Am einfachsten verschaffen sich Administratoren einen Überblick über vSAN, indem sie die Umgebung in einem Testsystem installieren. Generell ist es beim Einsatz von vSAN sinnvoll einen eigenen VMkernel-Adapter für das System zur Verfügung zu stellen. Es ist darüber hinaus empfehlenswert Multicast auf den beteiligten Netzwerkkomponenten zu aktivieren. Für eine Testumgebung ist das natürlich nicht notwendig. Die Einrichtung von vSAN zeigt bereits wie wichtig der Einsatz genügender Netzwerkadapter in einem vSphere-Host ist.

vSAN kann über einen eigenen VMKernel-Adapter kommunizieren, der wiederum über eine eigene physische Netzwerkverbindung verfügen sollte (Screenshot: Thomas Joos). [5]vSAN kann über einen eigenen VMKernel-Adapter kommunizieren, der wiederum über eine eigene physische Netzwerkverbindung verfügen sollte (Screenshot: Thomas Joos).

Die Erstellung und spätere Verwaltung von vSAN erfolgt im Cluster über den Webclient. Nach der Verbindung mit dem vCenter kann vSAN konfiguriert werden, wenn die entsprechende Lizenz vorhanden ist. Die Einrichtung erfolgt über einen Assistenten. Sobald die vSphere-Umgebung auf 6.0 Update 2 aktualisiert ist, stehen auch die neuen vSAN-Funktionen zur Verfügung, wenn die entsprechende Lizenz eingetragen ist.

Über den Webclient kann vSAN auf dem vCenter für den Cluster und seine Knoten aktiviert werden (Screenshot: Thomas Joos). [6]Über den Webclient kann vSAN auf dem vCenter für den Cluster und seine Knoten aktiviert werden (Screenshot: Thomas Joos).

Sobald das vSAN aktiviert ist, kann es in den Einstellungen des Clusters im Webclient konfiguriert werden. Dazu steht der neue Menüpunkt „Virtuelles SAN“ zur Verfügung. Sobald die Aktivierung erfolgt ist, konfiguriert der Assistent alle Knoten im Cluster. Das vSAN muss nur einmal aktiviert und konfiguriert werden, alle Knoten werden automatisch angebunden.

Die Verwaltung des Datenspeichers, der im vSAN zusammengefasst ist, erfolgt über Festplattenverwaltung. Hier lässt sich genau festlegen welche kompatiblen Datenträger auf den einzelnen vSphere-Hosts im Cluster an das vSAN angebunden werden können. Der Assistent erkennt auch, ob es sich bei dem Datenträger um eine SSD oder HDD handelt. An dieser Stelle lässt sich natürlich auch Flashspeicher als zusätzliches Storage-Tier einbinden.

vSAN nutzen und verwalten

Ist das vSAN erst angelegt, erscheint es automatisch bei den Datenspeichern in vSphere, genauso wie andere Datenspeicher auch. Die Verwendung von vSAN unterscheidet sich daher nicht von der Verwendung anderer Datenspeicher. VMs können den Speicher ebenfalls nutzen. Die Verteilung auf die verschiedenen physischen Datenträger erfolgt automatisch im Hintergrund.

Die Festplatten eines Hosts fast vSAN zu einer Festplattengruppe zusammen. Alle Festplattengruppen der verschiedenen Hosts bilden schließlich das komplette vSAN. In den Einstellungen des vSANs ist die Kapazität zu sehen sowie der Status. Hier ist es besonders wichtig, dass die Netzwerkkommunikation zwischen den Knoten im vSAN funktioniert.  Ein vSAN ist generell sehr flexibel skalierbar. Durch das Hinzufügen neuer Datenträger zu einem Host kann ein vSAN auch erweitert werden. In der Verwaltung des vSAN lassen sich alle Festplatten des Hosts neu einlesen und anschließend anbinden.

Hosts über Fault Domains gruppieren

Bei der Verwaltung des vSANs lassen sich auch so genannte „Fault Domains“ erstellen. Hierüber haben Administratoren die Möglichkeit, Hosts zu gruppieren. So gruppiert das vSAN zum Beispiel die Hosts eines Racks oder eines Rechenzentrums. Die Konfiguration erlaubt aber nicht nur das Zusammenfassen von Servern, sondern auch das strikte trennen.

Der Vorteil dabei besteht darin, dass sich dadurch genau festlegen lässt, welche Hosts den Speicherplatz der anderen Hosts zum Ablegen und Replizieren von VMs gemeinsam nutzen sollen oder eben nicht. Dazu sind dann keine verschiedenen vSANs notwendig, sondern mehrere Fault Domains innerhalb eines vSANs. Beim Erstellen eines vSANs wird immer eine standardmäßige erste Fault Domain erstellt.

Fault Domains helfen dabei vSphere-Hosts in einem vSAN voneinander zu trennen (Screenshot: Thomas Joos). [7]Fault Domains helfen dabei vSphere-Hosts in einem vSAN voneinander zu trennen (Screenshot: Thomas Joos).

Setzen Unternehmen vSAN zusammen mit VM-Replikationen ein, kann vSphere auf Basis der Fault Domains im vSAN erkennen, ob das Replikat auf dem Datenträger eines bestimmten Hosts gespeichert werden soll oder nicht. Da ein Replikat zum Schutz vor einem Ausfall genutzt wird, ist es sicherlich sinnvoll festzulegen, wo dieses generell gespeichert werden soll, oder wo es auf keinen Fall gespeichert werden soll.

vSAN kann nativ mit vSphere High Availability (HA) und Fault Tolerance (FT) zusammenarbeiten. Auch mit der Replikation von VMs mit vSphere Replication ist vSAN in der Lage. Virtual SAN Stretched Cluster bieten Schutz auf Ebene der Rechenzentren oder der Racks im Netzwerk. Durch die Rack-Erkennung können virtuelle Maschinen für eine bessere Fehlertoleranz optimal im Netzwerk verteilt werden. Die aktuelle Version von vSAN unterstützt Direct-Attached-JBODs. Daher ist auch der Einsatz auf Blade-Servern denkbar.

Über den Assistenten zur Einrichtung eines vSANs lassen sich auch Stretched-Cluster erstellen, die sich über mehrere Rechenzentren verteilen (Screenshot: Thomas Joos). [8]Über den Assistenten zur Einrichtung eines vSANs lassen sich auch Stretched-Cluster erstellen, die sich über mehrere Rechenzentren verteilen (Screenshot: Thomas Joos).

 

Speicherrichtlinien im vSAN

Innerhalb eines vSAN lassen sich auch Richtlinien festlegen, mit denen die Verwendung des Datenspeichers durch die VMs besser steuerbar ist. Beim Anlegen eines neuen vSAN legt vSphere automatisch eine neue VM-Speicherrichtlinie an. Diese kann über den Webclient verwaltet werden. Alternativ unterstützt vSAN aber auch das Erstellen weiterer Richtlinien.

VM-Speicherrichtlinien erlauben eine Steuerung der Datenspeichernutzung der VMs (Screenshot: Thomas Joos). [9]VM-Speicherrichtlinien erlauben eine Steuerung der Datenspeichernutzung der VMs (Screenshot: Thomas Joos).

 

Durch die VM-Speicherrichtlinien kann zusammen mit vSAN eine gewisse Automatisierung der Datenspeicherung sichergestellt werden. Sinnvoll ist das vor allem dann, wenn Service Level Agreements (SLA) für VMs gesetzt sind. Durch die Verwendung des Datenspeichers im vSAN und der Definition von VM-Speicherrichtlinien ist es problemlos möglich, die Hochverfügbarkeit von VMs sicherzustellen. Zusätzlich steigt auch die Leistung der VMs an, da die Datenspeicherung wesentlich schneller erfolgen kann als ohne vSAN. VMware nennt eine Leistung von bis zu 100.000 IOPS pro Host, wenn vSAN eingesetzt wird.

VMware vSphere Virtual Volumes- Storage-Zugriff auf VMs

Durch die VMware vSphere Virtual Volumes (vVOLs) können Storage-Arrays direkt auf VMs zugreifen. Dazu muss der entsprechende Speicher eine Schnittstelle für den virtuellen Speicher in vSphere mitbringen. Der Vorteil dabei ist, dass VMs direkt durch den jeweiligen Speicher exakt die Speichermenge erhalten, die notwendig ist. Das entlastet den Hypervisor und bietet mehr Leistung und höhere Effizienz für VMs. Auch diese Funktion verbessert die Automatisierung der Storage-Verwaltung über Richtlinien. Derzeit arbeiten vor allem Dell, EMC, HP [10], IBM und NetApp mit dieser Funktion zusammen. Es gibt aber zahlreiche weitere Speicherhersteller, die mittlerweile vVols unterstützten. Außerdem kommen ständig neue Anbieter hinzu.

Fazit

Der Einsatz von vSAN ist spätestens ab Version 6.2 für Netzwerke aller Größen sinnvoll. Der Vorteil liegt vor allem in der effizienteren Nutzung der vorhandenen Datenspeicher, wenn kein SAN zum Einsatz kommt. Außerdem wird die Verfügbarkeit der VMs verbessert und die Verwaltung des Datenspeichers erleichtert. Es lohnt sich also, wenn sich Administratoren die Möglichkeiten von vSAN ansehen. Allerdings sollten dazu die Hosts mindestens auf vSphere 6.0 Update 2 aktualisiert werden, da dadurch erst diese Aktualisierungen aller Funktionen von vSAN 6.2 aktiv werden.

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[1] vSAN : http://www.vmware.com/de/products/virtual-san

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[3] Atlantis USX: http://www.atlantiscomputing.com/products/atlantis-usx

[4] Image: http://www.zdnet.de/wp-content/uploads/2016/05/vsan-001k.jpg

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[8] Image: http://www.zdnet.de/wp-content/uploads/2016/05/vsan-006.jpg

[9] Image: http://www.zdnet.de/wp-content/uploads/2016/05/vsan-005.jpg

[10] HP: http://www.zdnet.de/unternehmen/hewlett-packard/

[11] Software-Defined Shared Storage mit VMware Virtual SAN: http://www.zdnet.de/88268414/software-defined-shared-storage-mit-vmware-virtual-san/

[12] Storage in vSphere 6.0 effizient verwalten: http://www.zdnet.de/88269192/storage-in-vsphere-6-0-effizient-verwalten/

[13] VMware vSphere 6: Speicherprofile und vVols für Storage verwenden: http://www.zdnet.de/88269839/vmware-vsphere-6-speicherprofile-und-vvols-fuer-storage-verwenden/

[14] Storage DRS mit VMware vSphere 6: http://www.zdnet.de/88270775/storage-drs-mit-vmware-vsphere-6/

[15] Sechs Aufgaben, die Sie mit herkömmlichen IT-Tools nicht bewältigen können: http://whitepaper.silicon.de/resource/sechs-aufgaben-die-sie-mit-herkoemmlichen-tools-nicht-bewaeltigen-koennen

[16] Virtualisierung: Mythos und Wahrheit: http://whitepaper.silicon.de/resource/virtualisierung-mythos-und-wahrheit