Software Defined Storage mit CEPH

Datenwachstum als Herausforderung der IT

Das stetige Wachstum der Datenmengen ist ein Problem, dem sich jede IT-Abteilung früher oder später stellen muss. Nutzen Sie ausschließlich klassische Speicherlösungen wie SAN oder NAS müssen die zur Verfügung stehenden Kapazitäten irgendwann mühsam erweitert werden. Eine solche Maßnahme hat des öfteren auch eine kurze downtime zur Folge, da nicht jede Erweiterung im laufenden Betrieb möglich ist.

Damit stellt sich bereits ein weiteres großes Problem ein. Kunden erwarten heutzutage, dass IT-Services zu 100 % an jedem Tag und zu jeder Stunde verfügbar sind. Downtimes werden immer weniger toleriert, besonders im Bereich von Rechenzentren sowie des Hostings. Eine mögliche Lösung um diese Zeiten zu minimieren oder gar völlig auszuschließen bietet beispielsweise Software Defined Storage oder kurz SDS.

Ceph geht neue Wege

Abbildung 1
Ceph Architektur

Schwierigkeiten bei Software Defined Storage

CEPH ist aber keineswegs perfekt und bringt selbstverständlich auch Nachteile mit sich. Ein Merkmal mit dem man sich vor der Inbetriebnahme auseinandersetzen muss, sind die Latenzen die SDS im Vergleich zu Direct Attached Storage (DAS) mit sich bringt. Die erhöhte Komplexität des Software Stacks in Kombination mit den verwendeten Netzwerkverbindungen erhöhen die Latenz pro IO signifikant.

Es erweist sich als äußerst schwierig die Latenz unter den Wert von einigen Millisekunden für Schreibvorgänge zu senken. Woher diese Latenz kommt lässt sich verdeutlichen, wenn man sich die Arbeitsweise von CEPH bei Schreibvorgängen etwas genauer betrachtet (Abbildung 2).

Ein synchroner IO muss vom Client zur primären OSD gesendet werden. Die primäre OSD schickt anschließend die Anzahl konfigurierter Replikationen zu weiteren OSD’s und deren Journalen. Sobald die Repliken auf den Journalen aller OSD’s vorliegen, wird der Vorgang an die primäre OSD bestätigt. Hat die primäre OSD nun alle Bestätigungen erhalten, wird eine Bestätigung an den Client gesendet und dieser kann den nächsten IO senden. Das verdeutlicht schon weshalb es bereits zu Latenzen innerhalb des Software Stacks kommt.

Abbildung 2

Zusätzlich spielt auch das eingesetzte Netzwerk bei Ceph eine entscheidende Rolle. Es gilt hier zunächst unnötige Hops zu vermeiden, da jeder Hop etwa 200us Latenz mit sich bringt. Ein 10GE Netzwerk gilt hierbei als das absolute Minimum, welches Sie beim Einsatz von Ceph oder einem anderen verteilten Speichersystem verwenden sollten. Das verringert Latenzen und erhöht die Bandbreite. Eine zusätzliche Verbesserung bringt Ihnen selbstverständlich der Einsatz von RDMA, jedoch müssen hier die Kosten beachtet werden. All diese Faktoren spielen eine wichtige Rolle und müssen optimiert werden um Latenzen unter dem 2ms Level zu erhalten und dabei eine Balance zwischen Kosten und Nutzen zu finden, was natürlich nicht immer einfach ist.

Anforderungen an eine gute SDS Lösung

Damit Sie nach der Einführung einer SDS Lösung wie Ceph nicht enttäuscht sind, gibt es einige Punkte zu beachten. SSDs oder (Enterprise SSD oder NVME SSD) für die Journale, in denen die Schreibvorgänge gecached werden, sowie ein 10GE Netzwerk sind nach herrschender Meinung innerhalb der Ceph Community und unseren eigenen Erfahrungen ein Muss. Für die OSD’s sollten nach Möglichkeiten SAS3 HDD’s verwendet werden. Es ist auch denkbar bei Bedarf einen Teil der OSD’s rein aus SSDs zu erstellen und gesondert zur Verfügung zu stellen. Wichtig ist zudem keine RAID Arrays zu verwenden. Ceph profitiert stark von vielen unabhängigen Festplatten. Einem schwerwiegenden Datenverlust entgehen Sie zudem indem Sie mehrere Server mit möglichst vielen Festplatten (OSD’s) bereitstellen

Die CPU sollte möglichst viele Prozessor-Kerne haben, und der Arbeitsspeicher mit etwa 1-2 GB pro OSD berechnet werden um hier keinen Flaschenhals zu generieren. Der Einsatz von RDMA muss wohl überlegt sein und kommt auf den speziellen Workload an. Werden extrem niedrige Latenzen und hohe Bandbreite über 10 GE benötigt bietet es sich eventuell eher an auf ein spezielles Storage System wie GPFS, BeeGFS oder Lustre in Kombination mit Infiniband/Omnipath zu setzen.

Fazit zu Ceph

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Software Defined Storage definitiv eine gute Möglichkeit darstellt, um stetig wachsende Datenbestände einfacher zu verwalten. Jedoch hat Software Defined Storage genau wie jede andere Lösung gewisse Einschränkungen denen man sich bewusst sein muss. Im modernen IT-Betrieb wird man aber nicht auf SDS verzichten können. Die mitgebrachten Vorteile wie Skalierbarkeit, einfache Erweiterung und eine sehr hohe Verfügbarkeit werden zunehmend wichtiger.

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Matthias Böhmichen

Matthias Böhmichen ist Geschäftsführer des IT-Dienstleisters Biteno GmbH. Neben seinem Job blogt und schreibt er auf den Webseiten der Biteno GmbH über technische und unternehmerische Themen.