Les avantages d un réseau IP dédié au stockage

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1 LIVRE BLANC DATA CENTER Les avantages d un réseau IP dédié au stockage Les sociétés spécialisées dans les applications, le stockage et la virtualisation recommandent un réseau de stockage IP dédié pour assurer une faible latence déterministe. Ce livre blanc explique l importance de la latence pour la performance des applications.

2 L étendue du stockage IP, blocs et fichiers, s est énormément développée dans la mesure où de plus en plus d applications utilisent des fichiers pour la gestion du stockage tandis que la bande passante Ethernet a augmenté pour répondre aux exigences de la virtualisation des serveurs qui implique l hébergement de multiples applications par serveur physique. Aujourd hui, de nombreux clients ont autant, voire plus, de stockage NAS que de stockage par blocs connecté à leurs applications. En outre, un nombre croissant des applications qui utilisent le stockage IP sont des applications stratégiques de niveau 1 (tier 1). Cette nouvelle situation a changé la donne pour la conception des réseaux connectant les hôtes des applications à leurs baies de stockage NAS. CANAUX DE STOCKAGE ET RESEAUX DE STOCKAGE IP Depuis les premiers jours de l informatique, les E/S de stockage utilisent des «canaux» dédiés pour déplacer les blocs de données entre les disques durs et le système d exploitation hôte. Au milieu des années 80, est apparu un protocole ouvert pour les canaux des E/S de stockage : l interface SCSI (Small Computer System Interface). Aujourd hui, ce protocole est omniprésent. SCSI inclut un initiateur dans le système hôte et une cible dans le lecteur de disque dur ou l unité de bande. Les E/S sont contrôlées par le noyau du système d exploitation, donc toute application qui a besoin d accéder aux données via une lecture ou une écriture appelle le pilote de périphérique SCSI du système d exploitation qui exécute l opération pour l application. Initialement, l interface SCSI utilisait un bus parallèle en fil de cuivre pour connecter plusieurs périphériques à un adaptateur hôte unique. Mais, le volume du stockage augmentant, cette architecture dédiée est devenue insuffisante. Deux solutions ont été développées. La première solution est le réseau de stockage SAN Fibre Channel (FC SAN), qui agit comme un réseau sans perte, à faible latence pour le trafic SCSI. L autre solution consiste à utiliser des systèmes de fichiers partagés tels que NFS (Network File System) et CIFS (Common Internet File System) (développé plus tard) qui s appuient sur un réseau IP de type «meilleur effort» et le protocole TCP (Transmission Control Protocol) pour garantir la transmission des données. 2

3 Lorsque vous utilisez un réseau de stockage pour le transport SCSI, SCSI attend de ce réseau certaines qualités. En général, comme SCSI est un protocole de canal et non de client/ serveur, il s attend à : une faible latence déterministe une transmission garantie L évolution des canaux d E/S par blocs dédiés depuis les bus point-à-point vers les réseaux any-to-any s est heurtée à la croissance phénoménale des besoins en stockage de données et à la nécessité d une bande passante plus large. De même, les systèmes de fichiers anyto-any ou Network Attached Storage (NAS), sont courants. Au lieu du transfert par blocs de et vers l espace de stockage, ils utilisent un système de fichiers tels que NFS ou CIFS. Les deux reposent sur une architecture client/serveur dans laquelle les clients envoient des requêtes aux serveurs de fichiers pour accéder, lire et écrire des fichiers entiers sur le serveur pour le compte du client. Le système d exploitation client appelle un pilote réseau TCP/IP pour créer et gérer un système de fichiers hiérarchique dans des dossiers imbriqués placés sur le serveur et pour lire et écrire les données des fichiers dans ces dossiers et les envoyer au client. LES ARGUMENTS POUR UN RESEAU DE STOCKAGE IP DEDIE Voici une liste partielle des entreprises qui recommandent que le trafic de stockage IP utilise un réseau physique dédié. Notez que le stockage IP comprend à la fois le stockage par blocs (iscsi) et le stockage par fichiers (NAS). Recommandation Apache CloudStack : architecture.html#separate-storage-network VMware, Best Practices for Running VMware vsphere on iscsi Security Considerations, Private Network: Citrix, Citrix Zen Server Design: Designing Zen Server Network Configurations Chapter 6: Designing Your Storage Network Configuration: EMC, Clariion Best Practices for Performance and Availability; Release 30.0 Firmware Update, Applied Best Practices Chapter 3: Network Best Practices: IBM, Redbook, b-type Data Center Networking: Design and Best Practices Introduction Chapter 9: IP Storage Area Networks, Challenges in iscsi SANs: arate+iscsi+network+best+practices&source=bl&ots=nx85tc_1z5&sig=f0y9561mur8zoi VhKYukxVWWiOY&hl=en&sa=X&ei=DSLpU6PzL873yQSL5YDYCA&ved=0CDAQ6AEwAw#v= onepage&q=ibm%20separate%20iscsi%20network%20best%20practices&f=false NetApp, NetApp and VMware vsphere Storage Best Practices Chapter 3: Storage Network Design and Setup, 3.3 Ethernet Storage Networking Basics, Separate Ethernet Storage Network: fukiw75442/fas-and-v-series-storage-systems-discussions/2645/1/ NetAppandVMwarevSphereStorageBestPracticesJUL10.pdf 3

4 Voici les principales raisons pour lesquelles de nombreux fournisseurs recommandent un réseau distinct pour le stockage IP : Faible latence déterministe, Transmission garantie, Domaine administratif plus petit donc plus facile à dépanner, Moins de compromis en terme de configuration, Meilleure localisation des pannes, Moins de complexité en termes d amélioration et de maintenance. Les E/S de stockage doivent absolument être exécutées, encore une fois avec une faible latence, donc un réseau à transmission garantie est très important. En fait, il s agit d une faiblesse en ce qui concerne Ethernet et IP lorsqu ils sont utilisés pour le transport du trafic de stockage car ce sont des modes de transmission qui font appel au «meilleur effort» et n impliquent pas une transmission garantie. Le protocole TCP doit donc assurer la transmission garantie ce qui peut s avérer très difficile en cas d encombrement du réseau. Par exemple, comparativement aux réseaux de stockage par blocs Fibre Channel, les réseaux IP s appuient sur TCP pour une transmission fiable mais cette opération peut nécessiter plusieurs tentatives en cas de congestion du réseau. Avec davantage de flux, toute congestion de port peut déclencher l algorithme de démarrage lent (slow start) de TCP avec beaucoup de retard dans l exécution des E/S de stockage. Un domaine d administration unique pour le stockage simplifie la gestion et le dépannage. De même, un réseau de stockage dédié simplifie l administration du stockage en évitant toute responsabilité partagée et donc tout conflit puisque l administrateur du stockage est le seul à gérer le stockage et son réseau de transport. Dans de nombreux cas, mélanger le trafic de stockage avec d autres types de trafic réseau résulte en des compromis au niveau de la configuration réseau qui peuvent compliquer la gestion du stockage. Par exemple, les paramètres de fenêtre glissante de TCP et les compteurs de temps de transmission (round-trip timers) influent sur le temps nécessaire à la récupération d un paquet perdu. Les modifier pour les adapter à plusieurs types de trafic peut ajouter à la complexité de la configuration réseau. Toute personne ayant déjà diagnostiqué des problèmes techniques n a pu que constater que plus le domaine de l analyse était réduit, plus il était facile d effectuer l analyse. D où l idée d un réseau dédié pour le trafic de stockage, si l on suppose que les dépenses d investissement du réseau sont comparables au coût d extension d un réseau existant en vue de gérer l augmentation du trafic de stockage. De plus, mettre à niveau et entretenir un grand réseau peut devenir compliqué. Il est plus facile de maintenir des réseaux de moindre envergure dédiés au trafic du stockage que de maintenir un grand réseau complexe qui gère en même temps le trafic de stockage et le trafic général. Bien que ces exigences semblent simples, elles imposent des limites strictes quant à la façon dont le réseau est conçu et quant aux capacités des protocoles réseau. Envisageons une analogie : le corps humain contient un certain nombre de «réseaux» : circulatoire, nerveux, lymphatique, etc. Chaque «réseau» se connecte à bon nombre des mêmes cellules dans l ensemble du corps, pourtant chacun d eux est physiquement isolé des autres. Une des explications quant à la séparation de ces trois réseaux pourrait être que le fait de les regrouper imposerait tant de demandes sur la structure qu il serait difficile, voire impossible, de répondre efficacement aux besoins collectifs sans compromettre la santé d un grand organisme multicellulaire. 4

5 De même, gérer le trafic de stockage sur un réseau assurant également le trafic applicatif, client/serveur et web risque d imposer à la structure du réseau des conditions impossibles à gérer de manière efficace et rentable, en raison des diverses contraintes associées à chaque type de trafic. Par exemple, les performances des applications sont limitées par beaucoup de facteurs, mais une réponse lente à une lecture ou une écriture des données dans le stockage est perturbatrice pour le réseau. Par conséquent, une latence faible est essentielle. De même, une latence déterministe qui ne varie pas beaucoup est également extrêmement souhaitable pour garantir des performances prévisibles pour les applications lorsque la charge de travail varie. COMMENT DE PETITS EVENEMENTS PEUVENT PROVOQUER DE GROS PROBLEMES POUR LE STOCKAGE IP Puisque TCP est le protocole couramment utilisé avec NAS dans une conception client/ serveur, il est important de comprendre comment ce protocole réagit à des événements de congestion momentanés à un endroit quelconque du chemin de données. Dans les data centers de plus grande envergure, le réseau utilise souvent une topologie à trois niveaux. Les liaisons entre les commutateurs et les routeurs sont appelés des liaisons ISL (Inter-Switch Links). Ces liaisons assurent la transmission en multiplex de l ensemble du trafic circulant entre les différents niveaux. Les ports, de chaque côté d une liaison ISL, sont donc plus susceptibles de congestion par comparaison avec les ports connectés aux cartes d interface réseau (NIC) du serveur ou aux ports de stockage. Lorsqu un mélange disparate de trafic d application traverse les différents niveaux du réseau, des rafales soudaines de trafic provenant de quelques applications créent un pic dans le transfert des trames au niveau d un port ISL. Ce pic peut entraîner une congestion momentanée au niveau d un port ISL de commutateur ou de routeur. Dans ce cas, le protocole TCP tente de résoudre la congestion en supprimant des trames et en réduisant le taux de transfert de trames autorisé sur le port. TCP augmente ensuite le flux pendant un certain temps jusqu à ce que le port soit en mesure de transmettre le taux de trafic présenté sans congestion. C est le «slow start» (ou démarrage lent). Ce processus peut prendre quelques secondes avant que le plein débit ne soit rétabli après un événement de congestion. Par conséquent, dans un débit mixte où les trames présentes sur une liaison ISL incluent trafic d application et trafic de stockage IP, des trames de stockage peuvent être rejetées lorsque TCP supprime des trames, si bien qu elles ne sont jamais transmises. Ensuite la latence pour l ensemble du trafic sur ce port, y compris le trafic de stockage, peut énormément augmenter lors des slow starts de TCP. Lorsque ce processus est actif, la transmission est donc retardée et le temps de latence devient très important et assez variable. Mesurer l impact des congestions momentanées sur la latence du stockage IP Pour examiner ce qui pouvait se produire dans un réseau de data center utilisant un trafic mixte, avec de multiples applications et du stockage NAS partageant les mêmes liaisons ISL, Brocade a réalisé des tests en s appuyant sur la suite de tests VMmark de VMware. VMmark simule toute une variété d applications typiques s exécutant sur des machines virtuelles (VM) et les soumet à différentes charges de travail correspondant à chacune de ces applications. Comme la charge de travail présentée par le client varie, les E/S de stockage générées par le serveur et transmises vers l emplacement de sauvegarde varient également. Deux mesures sont prises : la latence des E/S et la bande passante totale des E/S. La latence est importante pour les performances de stockage. Elle est corrélée avec le temps de réponse des transactions et c est un indicateur du nombre de transactions d application par seconde. La valeur métier des applications est directement liée à la capacité à traiter autant de transactions que possible. Par conséquent, une latence élevée et variable implique des performances plus faibles des transactions et moins de valeur métier générée par 5

6 l application. C est une unité de mesure bien connue, en particulier pour les transactions de commerce électronique sur le web, où la patience du client est limitée et où une application bloquée peut l amener à passer au site d un concurrent. Le réseau de test a été configuré selon une topologie «leaf-spine» à deux niveaux avec les commutateurs Brocade DVX configurés à l aide du mode technologique VCS de Brocade. La technologie VCS Fabric de Brocade est la mise en œuvre par Brocade d une fabric Ethernet. Elle est conçue pour optimiser le trafic de couche 2 en évitant les limitations du protocole STP (Spanning Tree Protocol). La technologie VCS Fabric de Brocade est donc un réseau optimisé avec une résilience à hautes performances et une gestion et une configuration simples. Remarque : Une fabric Brocade VCS dispose de capacités uniques, notamment des trunks ISL qui répartissent l ensemble du trafic sur les différentes liaisons du trunk. Elle permet également d utiliser tous les chemins de coût égal entre les terminaux. Ces caractéristiques n ont pas été utilisées dans le test. La figure 1 montre la configuration de test. Figure 1. Configuration de test. Bien que cette configuration n inclue pas de multiples liaisons ISL combinées en un LAG (Link Aggregation Group) ni de canal de port pour la résilience, le comportement du trafic de stockage IP sous congestion y est bien représenté. Les réseaux de couche 2 avec le protocole STP n autorisent qu un seul chemin entre les commutateurs. Un LAG alloue un flux unique à une liaison unique qui est partagée avec d autres flux sur cette liaison. Par conséquent, lorsqu une liaison fait partie d un LAG ou d un canal de port, la congestion créée par des rafales de trafic sur une liaison unique affecte le trafic de stockage utilisant cette liaison. La configuration de test est donc une bonne représentation de la plupart des réseaux existants gérant du trafic de stockage IP sans la complexité associée à la configuration d un LAG. Scénario de test de base Le scénario de test de base a utilisé le générateur de charge VMmark et collecté la latence de disque de chaque carte d interface réseau ESXi pour chaque application. La configuration a isolé le trafic client/serveur de l application vers l hyperviseur sur un seul serveur ESXi, car clients et serveurs s exécutaient sur des machines virtuelles installées sur un seul serveur ESXi. Toutefois, le trafic de stockage entre le serveur et l emplacement de sauvegarde 6

7 traversait la fabric VCS. La fabric VCS transportait donc uniquement le trafic NAS. Dans le test de base, l outil de génération de trafic Spirent n a inséré aucun trafic dans la fabric VCS. Latence et bande passante du scénario de test de base Les figures 2 et 3 montrent la latence mesurée pendant les tests d évaluation VMmark pour les applications DVD Store (simulation de boutique de commerce électronique) et Olio (simulation Web 2.0) dans la suite de tests VMmark. Figure 2. Latence des E/S disque ESXi de DVD Store, scénario de base. Figure 3. Latence de disque ESXi d Olio, scénario de base. Comme le montrent ces mesures, la latence de disque est excellente. Elle est systématiquement faible, avec uniquement quelques pics mineurs lorsque le pilote de charge de travail VMmark augmente occasionnellement la charge de travail de l application. La bande passante disque correspondante pour le scénario de base est illustrée sur les figures 4 et 5, pour les deux types de charges de travail. Notez que les E/S de stockage sont assez faibles, atteignant parfois seulement 1 Mo/s selon la génération de charge VMmark pour les applications DVD Store et Olio. 7

8 Figure 4. Bande passante disque ESXi DVD Store, scénario de base. Figure 5. Bande passante disque ESXi Olio, scénario de base. Notez que le maximum de bande passante ISL disponible est de 10 gigabits par seconde (Gbit/s) mais la bande passante de stockage réelle pour ces deux applications est assez faible : 20 kilo-octets par seconde (Ko/s) (ou 160 kilobits par seconde, abrégé en Kbits/s) avec des pics occasionnels de 30 secondes allant jusqu à 700 à Ko/s (5 600 Kbits/s à Kbits/s). Bien que cela n apparaisse pas sur les illustrations, le stockage cumulé de toutes les applications du banc d essai VMmark n a pas utilisé plus de 10 à 20 pour cent de la bande passante disponible d une carte d interface réseau 10 Gigabit Ethernet (GbE) installée sur le serveur ESXi. Scénario de test de congestion momentanée du réseau Une série de tests ont été effectués à l aide de l outil de test Spirent pour injecter du trafic dans les commutateurs Brocade VDX afin de créer une congestion sur les chemins ISL pendant le test VMmark. Un cycle d onde carrée de trafic a été injecté qui allait de 1 seconde de niveau haut, 1 seconde de niveau bas jusqu à 20 secondes de niveau haut, 20 secondes de niveau bas. Au cours de chaque essai VMmark de 30 minutes, une seule durée de l onde carrée a été utilisée, par exemple, 1 seconde de niveau haut, 1 seconde de niveau bas pendant un test VMmark, puis un autre test VMmark qui a utilisé une durée de 5 secondes de niveau haut, 5 secondes de niveau bas, et ainsi de suite. Les exemples de trafic susceptibles de provoquer ces pics incluent les sauvegardes du poste de travail, le trafic vidéo YouTube, l envoi de pièces jointes volumineuses, le téléchargement de documents volumineux vers des services de stockage de cloud tels que Dropbox, etc. 8

9 Dans les tests de congestion, la moyenne à long terme de la bande passante agrégée (stockage plus trafic Spirent) sur les chemins ISL n a pas dépassé 60 % de la bande passante disponible d un port ISL 10 GbE lors de mesures sur plusieurs minutes. La figure 6 montre le trafic de test VMmark (en bleu) avec en superposition les pics de trafic du générateur de trafic Spirent (barres grises). On constate que la moyenne à long terme du trafic Spirent (ligne rouge) est de 50 %, tandis que la moyenne du trafic agrégé à long terme ne dépasse pas 60 % de la capacité disponible de la liaison. Figure 6. Test de congestion : utilisation moyenne des liaisons ISL. Sur une moyenne à plus long terme de quelques minutes, les liaisons ISL ne sont pas encombrées. Toutefois, au cours de la courte durée de l injection de trafic Spirent, elles sont encombrées. Cette approche simule l effet des pointes de trafic provenant d autres applications qui partagent le réseau avec le trafic NAS. Latence et bande passante du scénario de test de congestion Les figures 7 et 8 montrent la latence mesurée sur les serveurs ESXi DVD Store et Olio pour l exécution d un test de congestion typique. Figure 7. Latence des E/S disque ESXi de DVD Store, pointes de trafic Spirent. 9

10 Figure 8. Latence des E/S disque ESXi Olio, pointes de trafic Spirent. La latence pour l application DVD Store montre des pointes soutenues pendant plusieurs minutes, de l ordre de 50 à 70 millisecondes (ms), soit 10 à 70 fois la latence observée dans le scénario de base. Notez que certains des pics durent plusieurs minutes (ovales rouges) avant de redescendre aux niveaux du scénario de base. L application Olio affiche une latence bien pire, atteignant jusqu à 580 ms pour une durée allant jusqu à une minute. Cette application affiche également des zones de forte latence qui durent plusieurs minutes, de 40 à 170 millisecondes. Pour les deux applications, la réponse transactionnelle est ralentie par des facteurs de 10 à presque 100. Lorsque ces retards se produisent, notamment pendant les périodes de fort trafic, lors d une vente spéciale par exemple ou pendant des congés, l impact économique peut être extrêmement dommageable pour l entreprise. Les figures 9 et 10 montrent les mesures de la bande passante pour les applications DVD Store et Olio lorsque l outil de génération de trafic Spirent injecte des pointes de trafic périodiques. Figure 9. Latence des E/S disque ESXi Olio, pointes de trafic Spirent. 10

11 Figure 10. Bande passante disque ESXi Olio, scénario de base. Notez que la bande passante n a pas changé par rapport au test de base. On peut donc en déduire qu il n est pas suffisant d utiliser uniquement la bande passante pour mesurer la façon dont le réseau répond aux exigences d E/S de stockage d une application. La mesure du temps de latence pour les demandes d E/S est également nécessaire, pour avoir une vision globale. Bien que les réseaux soient conçus pour offrir de la bande passante, l impact de la latence sur les charges de travail de stockage IP critiques est beaucoup plus important, et généralement négligé. Il existe une différence importante entre la conception d un réseau pour le trafic lié aux impressions et aux applications web et la conception d un réseau pour le trafic du stockage des applications de niveau 1. Comme l illustrent les données de test, même de petits événements de congestion momentanés sur les ports ISL peuvent engendrer d importantes réductions, extrêmement préjudiciables, des performances transactionnelles des applications même si la bande passante moyenne requise n est que de 50 à 60 % de la bande passante disponible de la liaison. Bien que la bande passante moyenne requise ne dépasse pas la capacité moyenne, les pics de trafic de courte durée engendrent des appels au support et des réclamations au sujet de la «lenteur» des applications métiers. CONCLUSION En conclusion, pour les plus grands environnements, un réseau physique distinct pour le trafic de stockage IP présente des avantages indéniables, que vous utilisiez le stockage par blocs (iscsi) ou le stockage NAS (CIFS et NFS). Ces avantages comprennent : faible latence déterministe, transmission garantie, domaine administratif plus petit donc plus facile à dépanner, moins de compromis en terme de configuration, meilleure localisation des pannes, moins de complexité en termes d amélioration et de maintenance. Parmi tous ces avantages, la latence faible et déterministe est considérablement affectée par les pointes de trafic de courte durée engendrant en une baisse spectaculaire de la vitesse de transaction des applications dans la mesure où elles doivent attendre que les E/S de stockage soient exécutées. Le protocole TCP est nécessaire pour assurer une transmission garantie, mais les effets secondaires du mécanisme slow start peuvent considérablement augmenter la latence des E/S, jusqu à plusieurs minutes à la fois, ralentissant énormément les applications. Le processus consistant à diagnostiquer et à éliminer ce comportement peut s avérer très complexe et très long. Il est donc intéressant de simplifier la conception du 11

12 réseau de datacenter en utilisant un réseau de stockage IP dédié aussi bien pour le stockage par blocs que pour le stockage NAS. C est pourquoi les principaux fournisseurs d applications vous le recommandent en tant que meilleure pratique de conception. Une fabric VCS Brocade est parfaitement adaptée au trafic de stockage IP et idéale pour attacher les serveurs NAS et également pour les clients NAS générant beaucoup d E/S, car une fabric VCS peut réduire l impact des événements de congestion transitoires ce qui n est pas le cas d une configuration Ethernet classique avec STP. L interopérabilité avec les protocoles Ethernet classiques et les LAG respectant la norme 802.3ad, simplifie la mise à niveau des portions critiques des réseaux existants avec une fabric VCS. A PROPOS DE BROCADE Les solutions réseau de Brocade aident les organisations à réaliser leurs initiatives métier critiques tandis qu elles évoluent vers un monde où les applications et les informations sont omniprésentes. Aujourd hui, Brocade, étend son expertise éprouvée du data center à l ensemble du réseau avec des solutions ouvertes, virtuelles et performantes conçues pour la consolidation, la virtualisation et le cloud computing. Pour en savoir plus, Corporate Headquarters San Jose, CA USA T: info@brocade.com European Headquarters Geneva, Switzerland T: emea-info@brocade.com Asia Pacific Headquarters Singapore T: apac-info@brocade.com 2015 Brocade Communications Systems, Inc. Tous droits réservés. 01/15 GA-WP ADX, Brocade, Brocade Assurance, le symbole B-wing, DCX, Fabric OS, HyperEdge, ICX, MLX, MyBrocade, OpenScript, VCS, VDX et Vyatta sont des marques déposées et The Effortless Network, et The On-Demand Data Center sont des marques de Brocade Communications Systems, Inc., aux Etats-Unis et/ou dans d autres pays. Les autres marques, produits ou services mentionnés peuvent être des marques appartenant à d autres sociétés. Avis : Ce document est fourni à titre informatif uniquement et n établit aucune garantie, expresse ou implicite, concernant tout équipement, fonction d équipement ou service offert ou à offrir par Brocade. Brocade se réserve le droit d apporter des modifications à ce document à tout moment, sans préavis et n assume aucune responsabilité quant à son utilisation. Ce document informatif décrit des fonctions qui peuvent ne pas être disponibles actuellement. Contactez l équipe commerciale de Brocade pour plus d informations sur les fonctions et la disponibilité des produits. L exportation des données techniques contenues dans ce document peut nécessiter une licence d exportation du gouvernement des États Unis.