避免在数据中心“重击鼹鼠”

2021-12-11 15:32:40

摘要:随着网络和数据中心与日益增加的海量数据的增长的继续斗争,随着IT经理为了业务需要,不懈地追求更快地访问数字信息和提高数据传输速度。高速通信处理器、加速引擎、固态存储技术和真他能够提高性能和减少数据中心网络延迟的技术将变得越来越重要。

  这是一个在任何网络基础设施中的诅咒,特别是在数据中心:明确了一个性能瓶颈,会出现另一个数据或应用程序的问题,这是一个永无止境的游戏,"重击鼹鼠。"在当今的数据中心,"重击鼹鼠"槌是摇摆不定的,以前从未像现在这样,因为随着全球数字信息海量数据的指数级增长,这些瓶颈出现的频率越来越高。

  这些瓶颈大家都很熟悉,如:陈旧的服务器和磁盘存储之间的输入输出(I/O)路径,无论是直接连接,还是在一个存储区域的网络,当微处理器的能力和速度超过存储时,就会出现问题。其他的,随着数据中心把服务器和存储设备整合和在云中的虚拟化,新的瓶颈出现的越来越多。越来越多的企业部署云计算架构,集中存储、处理和网络,以提高计算资源的效率和利用率,提高弹性和可扩展性,降低成本。

  提高数据中心的效率一直是优化资源的个平衡的方法,但这种平衡的方法在今天的网络上,发生了根本的不安定的重大的转变,如:干兆位以太网发展到万兆位,很快就到4万兆,出现了多核的和其他比以往任何时候都更快的处理器,以及固态存储部署的增加。随着虚拟化提高了服务器的利用率以及效率,也加剧了在内存和输入输出(I/O)的内部资源之间的冲突。随着大数据应用的发展,运行不断增长的数以万计的计算机集群处理、管理和存储干兆兆(PB)级的数据,势必造成更多的资源之间的冲突。

  由于数据中心这些动态的变化,保持可接受的性能水平成为一个更大的挑战。但今天,也有行之有效的方法来解决,这些方法有助于IT管理人员,减少冲突的高风险。

  在内存和硬盘驱动器的输入输出(I/O )之间架起一座桥梁

  硬盘驱动器(HDD)的输入输出(I/O)是连接存储服务器(DAS)存储区域网络(SAN)和网络附加存储(NAS)阵列的主要瓶颈。具体来说,在服务器内存的输入输出(I/O)大约需要100纳秒,而硬盘驱动器(HDD)的输入输出(I/O)大约需要10毫秒,相差10万次,这就扼制了应用程序的性能。在存储区域网络(SAN)和网络附加存储(NAS)的延迟往往更高,因为在干预光纤通道(FC)上数据流量拥塞,光纤通道(FC)通过以大网或iSCSI网。

  驱动器容量的增加已经超过更快的旋转驱动器延迟的减少,这些瓶颈已经增加, IT经理们面对着海量的数据,为了保持同步,需要添加更多的硬盘和更多的设备。其结果是,大多数应用程序的性能受到限制,变得与延迟时间有关,而不是与带宽或每秒(IOPS)的输入输出(I/O)有关,而随着存储容量需求继续以每年50-100的增长,这个问题可能更加恶化。请记住,过去三十年来所看到的延迟减少仅仅是30倍,而同期的网络带宽的提高是3000倍。处理器的吞吐量、磁盘容量和内存容量也得到了巨大的收益。

  缓存内容到服务器存储或存储区域网络(SAN),缓存设备可以帮助减少延迟,从而提高 应用程序的性能。但是,因为服务器或缓存设备的内存是以千兆字节(GB)为单位来衡量的,甚至只有一个单一的硬盘驱动器(以兆兆字节TB计的容量)的一小部分,所以,性能的提升往往是不够的。

  NAND闪存形式的固态存储对于缩小内存和硬盘驱动器(HDDs)之间的显著的延迟差距是特别有效的。在容量和延迟方面,闪存能够在动态随机存储器(DRAM)和硬盘驱动器(HDDs)之间架起了一座桥梁,如下图所示。以前,把闪存部署集成到现有的存储架构中,已经是非常昂贵的。如今,有了硬件和软件的创新,闪存成本降低了,易于部署基于闪存的存储,投资回报率更具吸引力。

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  固态存储器通常提供了最高的性能,当闪存加速卡被直接放置在服务器上的点对点串行连接(PCIe)总线上时。嵌入式或基于主机的智能高速 缓存软件是用来把"热数据"放置在闪存中,在那里,数据的访问约20微秒,比在硬盘驱动器2800微秒的速度快140倍。一些卡支持几个兆兆 字节(TB)的固态存储,现在,一类新的解决方案还提供内部闪存和串行连接SCSI (SAS)接口,来创建一个高性能固态和磁盘冗余(RAID)硬盘驱动器存储解决方案的组合。基于点对点串行连接(PCIe)的闪存加速卡可以提高数据库的应用程序的性能5到10倍,在任何一个直连方式存储(DAS)或存储区域网络(SAN环境)中。

  调整虚拟化的数据中心网络

  虚拟化数据中心的一个共同的瓶颈是转换控制面,一个随着虚拟机数量的增加,可以限制网络性能的潜在的瓶颈。控制面的工作量增加与四个方面有关:

  1、服务器虚拟化增加了相当大的控制开销, 尤其是当移动虚拟机(VM)时;

  2、更多、更大服务器集群,如:分析大数据, 大幅增加了节点间的通信流量;

  3、CPU内核的爆炸性扩张,避免在服务器处 理能力的瓶颈,增加了每台服务器上的虚拟机的数量和服务器集群的规模;

  4、数据中心网络不断扩大,以帮助适应这些 变化,面对无惰的增长,数据中心网络保持延迟和流量性能。

  这些变化在严重地剌激着控制面。例如,在一个虚拟机迁移中,连接、地址解析协议(ARP)信息和路由表可以快速变化,压倒现有的控制面的解决方案,尤其是在大规模的虚拟化环境中。因此,大规模的虚拟机数据迁移往往是不切实际的,因为涉及的开销非常大。

  要实现大规模的虚拟机迁移,控制面需要向上向外扩展。在传统的扩大规模的方法中,现有的与网络平台连接的控制面解决方案需要由额外的或更强大的计算引擎和加速引擎,帮助扩大控制面性能来补充。这些补充资源为其他任务释放CPU周期,提高了网络的整体性能。

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  在新兴的扩展架构中,控制面与数据面是分开的,通常在标准服务器上执行。在某些情况下,控制面任务被分解为子任务,如:发现、传播和恢复,然后再在这些服务器上分布。诸如软件定义网络(SDN)这样的新兴架构,采用可扩展的方法来获得规模更大的控制面。这些架构还使IT经理能够虚拟化网络基板,能够更好地管理和保护数据中心的流量。

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  在向上扩展和向外扩展的架构,智能多核通信处理器,结合了其具有专门的硬件加速引擎的通用处理器,为实现特定功能,可以在控制面性能上产生显著的改善。某些功能,如:数据包处理和流量管理,往往完全可以卸载到配备专用通信处理器的线卡上。

  承诺可以提高服务器的输入输出(1/0 )和网络性能的近期的进步

  今天在许多机构中,是以毫秒为单位的,对更短的响应时间的需求非常强劲。对于一些人来说,如:贸易公司,每毫秒的延迟可以以数百万美元计算。对于其他人,如:在线零售商,每毫秒的延迟所造成的损失可能会是损害竞争力和客户满意度,并最终直接影响收入。

  更多的数字信息通过数据中心,快速的固态存储将越来越多地部署在存储服务器缓存和国态硬盘(SSD)上,在分层为直连方式存储(DAS)和存储区域网络(SAN)配置中。固态硬盘(SSD)的容量和出货量继续增长,通过规模经济降低了每千兆字节(GB)的成本,而智能的闪存存储处理器与复杂的垃圾收集的损耗均衡,增强了纠错算法,继续提高固态硬盘(SSD)的耐力。

  随着越来越多地使用10干兆和40干兆以太网, 12千兆的SAS技术被广泛部署,这将有助于更高的数据传输速率。12千兆的SAS技术除了把现有的6干兆的SAS技术的流量增加一倍,还将利用PCTe 3.0的性能改进,实现超过每秒一百万的输入输出(lOPS)。

  随着数据中心网络的扩展,在控制面和数据面的加速和可编程性的新形式是必要的。为分组处理和流量管理,更多地使用硬件加速,并根据在这些向上或向外扩展的网络上的不同的信息流量,提供确定的相应性能。

  更多的瓶颈

  随着服务器移动到万兆以太网,机架将成为自己的瓶颈。为了帮助清除这个瓶颈,国态存储将高速穿梭在服务器的数据之间,特制的PCIe卡将实现快速的服务器间的通信,在一个机架上的所有部件可能会被调整,以优化性能和成本。随着数据中心开始采用私有云以及多租户的公共云、混合云,转换服务将越来越多地需要更智能的分类和管理流量,提高应用程序的性能和增强安全性。随着越来越多地使用加密和隧道流量,CPU密集型数据包处理任务将需要卸载到特定功能 的加速引擎上,从而达到一个完全分布式的智能网络。

  随着网络和数据中心与日益增加的海量数据的增长的继续斗争,随着IT经理为了业务需要,不懈地追求更快地访问数字信息和提高数据传输速度。高速通信处理器、加速引擎、固态存储技术和其他能够提高性能和减少数据中心网络延迟的技术将变得越来越重要。

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  责任编辑:GOCN



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