Hyper-Converged Infrastructure im Überblick: Citrix, Nutanix, VMware

Die Kombination von Compute- und Storage-Virtua­lisierung auf x86-Hardware soll den Aufbau virtu­eller Infra­strukturen radikal ver­ein­fachen. Neben VMware, das mit vSAN und EVO:RAIL erst kürzlich diesen Markt betrat, domi­nieren hier Startups wie Nutanix oder SimpliVity. Der neueste Player in diesem Seg­ment ist Citrix nach der Übernahme von Sanbolic.

Die x86-Virtualisierung steigerte nicht nur die Nachfrage nach Shared Storage, sondern stellte deren Anbieter auch vor neue Herausforderungen. So bewährten sich LUNs in der physikalischen Welt, um Speicher im benötigten Umfang und mit den gewünschten Services für einzelne Applikationen bereitzustellen.

Storage-Management über LUNs stößt an Grenzen

Unter den Bedingungen der Virtualisierung wird es jedoch zunehmend schwieriger, Performance und Verfügbarkeit auf LUN-Ebene zu verwalten, wenn mehrere VMs dort ihre virtuellen Laufwerke haben. Die Charakteristik der Storage-Zugriffe durch einzelne Anwendungen wie Datenbanken, File- oder Mail-Server weicht einem zufälligen Muster von Lese- und Schreiboperationen, das die Leistung des Speichersystems beeinträchtigt.

Hinzu kommt, dass SANs bestimmte Storage-Services wie Snapshots oder Replikation ebenfalls auf LUN-Ebene anbieten. Wenn wie üblich auf einer LUN eine ganze von Reihe von virtuellen Maschinen liegt, dann greifen solche Operationen immer für alle VHDs oder VMDKs. Auch RAID-Levels werden für LUNs konfiguriert, so dass Administratoren vorab planen müssen, wo sie welche VM speichern, um die gewünschte Verfügbarkeit zu erreichen.

Microsofts Dateisystem-basierte Alternative

Auf diese Problematik reagiert die Industrie mit mehreren Antworten. Microsoft etwa setzt seit Windows Server 2012 verstärkt auf File-Level-Storage durch die Einführung von SMB3, Scale-out File-Server (SOFS) und Storage Spaces.

Damit kombiniert es ein leistungsfähiges Netzwerkdateisystem mit einem Windows-Cluster, das als hoch verfügbarer Storage Controller dient. Storage Spaces fassen heterogene Disks zu einem Pool zusammen, auf dem sich virtuelle Volumes mit unterschiedlicher Ausfallsicherheit einrichten lassen.

VMware Virtual Volumes ersetzen LUNs

VMware wiederum kündigte für vSphere 6 ein neues Feature namens Virtual Volumes an, das beim Zugriff auf SANs den Weg über LUNs vermeidet. Es erlaubt Administratoren eine feinere Kontrolle über SAN-Storage, indem sie Operationen pro VM ausführen können, etwa Cloning oder das Anlegen von Snapshots.

Zusätzliche Flexibilität erreichen Virtual Volumes dadurch, dass sie jeder VM eigene Policies zuweisen können, die zum Beispiel den Service Level definieren. Das SAN setzt dann diese Vorgabe automatisch um, so dass der Administrator die VMs für diesen Zweck nicht mehr manuell auf bestimmten LUNs platzieren muss. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass Storage-Hersteller dieses neue VMware-API implementieren.

Tintri mit Storage-Appliances

Neben den beiden großen Anbietern von Virtualisierungs­systemen gibt es auch interessante Lösungen von neuen Playern im Storage-Markt. Dazu zählt etwa Tintri mit seinem Konzept des Application-aware Storage, das als Hardware-Appliance vertrieben wird. Die Systeme enthalten HDDs und SSDs, die als RAID 6 konfiguriert sind. Die Flash-Laufwerke dienen als Cache, über den alle Schreibzugriffe laufen. Die integrierte Software beherrscht Inline-Deduplizierung und Komprimierung.

Der Hersteller entwickelte für seine VMstores ein eigenes Dateisystem, das gegenüber vSphere als NFS-Freigabe und gegenüber Hyper-V als SMB3-Share präsentiert wird. Verschiedene Services und Regeln, etwa für QoS, operieren hier ebenfalls auf VM-Ebene, LUNs sind nicht vorgesehen.

Hyperconvergence integriert Compute und Storage

Die oben vorgestellten Ansätze von Microsoft, VMware und Tintri haben gemeinsam, dass Compute und Storage als separate Schichten bestehen bleiben. Das gilt auch für Converged Systems wie vBlock, das aufeinander abgestimmte Komponenten im Paket versammelt. Die Anbieter von Hyper-Converged Infrastructure gehen hier jedoch einen Schritt weiter und führen beide Ebenen in x86-Rechnern zusammen.

Auf diesen läuft dann nicht nur der Hypervisor und die virtuellen Maschinen, sondern auch eine Software, die Direct Attached Storage (DAS) der Hosts in einem Cluster zu einem virtuellen Pool zusammenfasst. Diese Systeme virtualisieren damit CPU, RAM, Speicher und Storage-Netzwerk, als Letzteres dient typischerweise 10GBit-Ethernet.

Vor- und Nachteile von Hyper-converged

Das wichtigste Argument für Hyperconvergence ist eine starke Vereinfachung virtueller Umgebungen. Zusätzliche Kapazitäten lassen sich via Scale-out hinzufügen, indem man einfach einen weiteren x86-Server in das Rack schiebt. Seine Massenspeicher lassen sich schnell in den Storage-Pool integrieren. Fällt umgekehrt eine Maschine aus, dann bleibt dies bei richtiger Dimensionierung des Gesamtsystems folgenlos, weil die Software sowohl für laufende VMs als auch für das virtuelle SAN Hochverfügbarkeit bietet.

Der wichtigste Einwand gegen dieses Konzept besteht darin, dass der Bedarf an Storage und CPUs normalerweise nicht gleich schnell wächst. Benötigt man bloß mehr Speicherplatz, dann muss man trotzdem einen vollständigen x86-Server hinzufügen, auch wenn man seine Rechenleistung nicht braucht. Außerdem ist der Storage-Layer auf die Prozessorleistung der Hosts angewiesen, die er mit den produktiven Anwendungen teilen muss. Beide Workloads könnten sich somit negativ beeinflussen.

VMware vSAN und EVO:RAIL

Der prominenteste Vertreter für Software-defined Storage ist wahrscheinlich Virtual SAN von VMware, das in Version 6.0 in vSphere 6.0 enthalten sein wird (siehe dazu: VMware Virtual SAN (vSAN) 6.0: JBODs, All-Flash-Speicher, bis 64 Knoten). Auch vSAN ist ein VM-zentrisches Storage, das Policies für individuelle virtuelle Maschinen durchsetzen kann, auch wenn sie sich die Hardware mit anderen Arten von Anwendungen teilen.

VMware vSphere bringt somit alle Komponenten mit, um eine Hyper-Converged Infrastructure aufzubauen. Alternativ kann man solche Systeme bereits in vorkonfiguriertem Zustand erwerben, sie werden von VMware in Zusammenarbeit mit Hardware-Partnern wie Dell oder Fujitsu unter der Marke EVO:RAIL vertrieben.

Nutanix mit Google als Vorbild

Einer der sichtbarsten Anbieter in diesem Segment ist Nutanix, das für seine Lösung auch den Begriff Web-scale Infrastructure verwendet. Das Unternehmen reklamiert damit Google oder Facebook als Vorbilder, weil diese über Scale-out mit Hardware von der Stange fast unbegrenzte Skalierbarkeit erreichen. Zu den Gründern des Unternehmens, das mittlerweile Venture-Kapital in 3-stelliger Millionenhöhe eingesammelt hat, gehören ehemalige Google-Mitarbeiter.

Nutanix setzt ausschließlich auf Hardware-Appliances, zuletzt konnte Dell mit Server der XC-Serie als Partner gewonnen werden. Die Systeme unterstützen sowohl VMware vSphere als auch Microsoft Hyper-V. Die Firma spricht bei ihrer Software von einem Betriebssystem (NOS, siehe die Feature-Liste der Version 4.1), das zahlreiche Dienste für virtuelle Maschinen anbietet, darunter Deduplizierung, Backup oder Replikation für Disaster Recovery.

Die Eigenlogik von Storage und Rechenleistung zeigt sich nicht nur beim Wachstum der erforderlichen Kapazitäten, sondern auch schon bei den Anforderungen unterschiedlicher Anwendungen. So sind Datenbanken eher I/O- als CPU-intensiv, während für analytische Applikationen oder Big Data das Gegenteil gelten mag.

Nutanix reagiert darauf mit verschieden ausgestatteten Appliances, die wahlweise mehr oder weniger RAM, CPUs oder Massenspeicher enthalten. Das bedeutet letztlich aber auch, dass man jeweils eigene Infrastructure-Pools für verschiedene Anwendungen mit spezifischen Charakteristika benötigt.

Citrix als Neueinsteiger nach Sanbolic-Übernahme

Citrix gehört zu den Neuzugängen bei Hyper-converged Infrastructure, weil das Unternehmen zwar mit XenServer schon lange einen eigenen Hypervisor besitzt, aber bis zuletzt keine Technologie für Software-defined Storage hatte. Das änderte sich nun mit der Übernahme von Sanbolic, das sich vor allem als Anbieter des Cluster-Dateisystems Melio FS einen Namen gemacht hat.

Zuletzt gesellte sich Sanbolic jedoch zum erlauchten Kreis von vSAN-Anbietern und bringt damit für Citrix die Voraussetzungen mit, hyperkonvergente Systeme für die Desktop-Virtualisierung anzubieten. Einen solchen Versuch hatte Citrix bereits mit VDI-in-a-Box durch die Übernahme von Kaviza unternommen. Dieses Produkt kam ohne Shared Storage aus und war vor allem für kleinere Unternehmen gedacht.

Unter der Bezeichnung WorkspacePod kündigte Citrix in Kooperation mit HP vorinstallierte Systeme an, eine Preview soll noch im 1. Quartal 2105 verfügbar sein. Im Unterschied zu den Appliances für Server-Anwendungen sollen jene für VDI mit einer leistungsfähigen GPU ausgestattet sein.