Compartilhamento de Dados em Storage de Alta Disponibilidade

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1 Compartilhamento de Dados em Storage de Alta Disponibilidade Leonardo Antônio dos Santos¹ Orientadora Prof. Esp. Sabrina Vitório Oliveira Sencioles¹ Co-orientador M.Sc. Pedro Eugênio Rocha² ¹Faculdades Integradas do Brasil (UNIBRASIL) ²Universidade Federal do Paraná (UFPR)

2 Sumário Introdução Contexto / Problema / Objetivos / Justificativa Metodologia da Pesquisa Estado da Arte Trabalhos Relacionados Solução Tecnológica Testes / Validação Conclusão

3 Introdução OBJETO DE ESTUDO: CONTEXTO: Protocolos de Rede e Sistemas Distribuídos (Área 2). Compartilhamento de dados em Storage de alta disponibilidade para a infraestrutura de TI da UniBrasil (alunos/professores) via Intranet/Internet através da junção de tecnologias código aberto. O QUE SE DISCUTE? Uma solução tecnológica que utilize ferramentas de código livre para disponibilização de espaço de armazenamento distribuído, com alta performance e disponibilidade para fins de ensino e pesquisa.

4 Introdução (Problema de Pesquisa) Dificuldade de se compartilhar dados Inexistência de uma área de armazenamento de dados e a compartilhada entre o corpo docente e discente da UniBrasil para grandes volumes com alta disponibilidade. Alto custo de tecnologias de armazenamento Despejo de hardware no meio ambiente

5 Introdução (Objetivos) Objetivo Geral Integrar/Implantar tecnologias de código livre de modo que permitam compartilhar dados com alta disponibilidade na Intranet da UniBrasil e na Internet.

6 Introdução (Objetivos) Objetivos Específicos Estudar sobre protocolos/tecnologias de armazenamento, alta disponibilidade, escalabilidade e análise de performance. Avaliar as tecnologias existentes para o fim proposto e, com as mais adequadas, aplicá-las na solução do problema apresentado. Implantar uma solução tecnológica que, por meio das tecnologias avaliadas, possibilite o compartilhamento de dados de forma distribuída e altamente disponível.

7 Introdução (Justificativa) O compartilhamento de dados torna-se custoso para a implantação de grandes áreas e necessitam de soluções especializadas (e caras!) para este fim. Já estão disponíveis protocolos de armazenamento e ferramentas de alta disponibilidade abertas que podem suprir esta demanda. Seria possível um reaproveitamento de hardware e um maior cuidado com o meio ambiente.

8 Introdução (Justificativa) Cotação: Storage HP (aprox. 12 TBytes)

9 Introdução (Metodologia da Pesquisa) Natureza da Pesquisa Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos (Protocolos de Comunicação, Arquitetura de Clusters e Servidores, Sistemas Distribuídos, Alta Disponibilidade) Tipo de Pesquisa Aplicada e Bibliográfica. Estudo sistematizado de ferramentas e soluções existentes seguido da aplicação das mais adequadas com a validação e avaliação final do conjunto estudado apresentando seus resuldados.

10 Estado da Arte Compartilhamento de Dados DAS / NAS / SAN Protocolos de Compartilhamento de Disco ATA over Ethernet (AoE) iscsi Fibre Channel Alta Disponibilidade / Escalabilidade / Performance Redundant Array of Independent Disks (RAID) Logical Volume Manager (LVM)

11 Direct Attached Storage (DAS) Tradicionalmente (DAS):

12 Direct Attached Storage (DAS) Tradicionalmente (DAS):

13 Direct Attached Storage (DAS) Tradicionalmente (DAS): RAID Volume Managers (LVM) Distância máx. 15m Máx. 16 discos / servidor Um servidor / disco Expansão exige desligamento

14 Network Attached Storage (NAS) Datacenter: LAN

15 Network Attached Storage (NAS) Datacenter: LAN Problemas: Gerenciamento Compartilha arquivos Backups Tudo na mesma rede Flexibilidade Fácil cascateamento Compartilhamento

16 Storage Area Network (SAN)

17 Storage Area Network (SAN)

18 Storage Area Network (SAN) Vantagens: Protocolos: Longas distâncias Fibre Channel Flexibilidade iscsi Gerenciamento centralizado AoE Rede de dados separada

19 SANs - Protocolos Fibre Channel Encapsula comandos SCSI Implementação própria das camadas de rede FC{0,1,2,3,4} Hardware especializado e dedicado (e caro!) Switches Cabeamento Host Bus Adapters (HBAs) Custo Complexidade 4 ou 8 Gbps

20 SANs - Protocolos iscsi Encapsula comandos SCSI em pacotes IP Vantagens por utilizar rede IP Interoperabilidade Roteamento Criptografia VLANs Custo Complexidade Overhead (IP)

21 SANs - Protocolos AoE (ATA over Ethernet) Encapsula comandos ATA sobre Ethernet (layer 2) Simplicidade Custo Complexidade Overhead (layer 2) Funcionalidade Ethernet 1 / 10 / 40 Gbps

22 SANs - Protocolos

23 Alta Disponibilidade / Performance RAID0 Performance Espelhamento RAID1 RAID5 Paridade Outras vantagens: Striping Hot Spare

24 Alta Disponibilidade LVM Vantagens Flexibilidade Gerenciamento Escalabilidade Uso adequado do espaço Performance

25 Trabalhos Relacionados (FreeNAS)

26 Trabalhos Relacionados (FreeNAS) Características Appliance baseado em Web para compartilhamento NAS entre usuários finais; Funciona em SAN somente através do iscsi (export); Necessita de uma instância em cada host que se deseja compartilhar o DAS; Apresenta soluções de compartilhamento nativas (NFS, SMB/CIFS, FTP, RSYNC), diferindo do objetivo fim deste trabalho.

27 Trabalhos Relacionados (OpenFiler)

28 Trabalhos Relacionados (OpenFiler) Características É também um Appliance baseado em Web, mas tanto para NAS quanto SAN; Em SAN, funciona apenas com iscsi (mount/export); Possui soluções de compartilhamento nativas (NFS, SMB/CIFS, Web-DAV e FTP), diferindo do objetivo fim deste trabalho. Tem suporte a LVM e RAID.

29 Trabalhos Relacionados (GoogleFS)

30 Trabalhos Relacionados (GoogleFS) Características Tem a finalidade de resolver as suas altas demandas de acesso a dados dos mais diversos tipos com o rigor que cada tipo de dados merece; Provê tolerância a falhas e alta disponibilidade em hardware comum e de baixo custo, juntamente com uma alta performance agregada para grandes quantidades de usuários.

31 Trabalhos Relacionados Quadro Compartativo FreeNAS OpenFiler CDSADU Baseado em software livre Sim Sim Sim É uma SAN completa Não Sim Sim Evita overhead TCP Não Não Sim Alta disponibilidade em RAID Sim Sim Sim Dinamicamente expansível com LVM Não Sim Sim Baixo consumo de memória Não Não Sim

32 Solução Proposta Ferramentas Utilizadas Protocolos ATA over Ethernet Ferramentas AoE Tools vblade Linux Debian Squeeze 6 LVM2 MDADM Shell Script (Bash)

33 Solução Proposta (Topologia Geral)

34 Solução Proposta (Targets) Arquitetura dos Targets

35 Solução Proposta (Gateway) Arquitetura do Gateway

36 Solução Proposta (Clientes) Interface aos Clientes

37 Avaliação da Solução Metodologia adotada nos testes Macrobenchmarks: Workloads sintéticos. Simulam comportamento de sistemas reais. Variando entre acesso local nos targets e acesso remoto a partir do gateway. Medindo vazão de disco, utilização de CPU e rede.

38 Ambiente de Testes 2 TARGETs Processador: AMD Duron 900 MHz Memória RAM: 512 MB de memória RAM Discos: 4 / rpm IDE / 400 GB / RAID nível 5 Rede: 1 interface Ethernet 100Mbps 1 TARGET Processador: AMD Duron 900 MHz Memória RAM: 512 MB Discos: 4 / rpm IDE / 40 GB / RAID nível 5 Rede: 1 interface Ethernet 100Mbps

39 Ambiente de Testes 1 TARGET Processador: Intel Pentium E GHz Memória RAM: 1 GB Discos: 2 / rpm IDE / 400 GB; 1 / rpm IDE / 40 GB; 1 / rpm SATA / 80 G; todos em RAID nível 5 Rede: 1 interface Ethernet 100Mbps GATEWAY Processador: Intel Pentium E GHz Memória RAM: 1 GB Discos: 2 / rpm IDE / 400 GB; 1 / rpm IDE / 40 GB; 1 / rpm SATA / 80 G; todos em RAID nível 5 Rede: 3 interfaces Ethernet 100Mbps; 1 para uplink e 2 agregadas para tráfego exclusivo SAN.

40 Resultados Vazão Fileserver Webserver e Varmail Vazão aumenta conforme aumenta-se o núm. de targets Consumo de memória e processamento conduzem à queda de IO. Oltp Grande parte das operações são feitas em O_DIRECT, o que evita a variação.

41 Resultados Utilização de CPU Local Consumo local é maior que remoto em todos os workloads; Apresenta uma linha de base dos targets; Inversão de resultados depende do perfil do workload. Remoto Estabilidade nos workloads que usam memória devido a caches (gateway) e buffers (targets); Oltp consome por pouco usar memória. A existência de memória RAM suficiente faz com que o consumo de CPU não seja determinante na maioria dos workloads.

42 Resultados Utilização de Rede Observações Fileserver teve consumo inverso ao resultado da vazão (ideal!); Webserver é parecido com Fileserver, mas com um aumento global. Operações de leitura exigem um acesso. Pouco beneficia-se do write-back; Varmail apresenta pouco uso e pouca variação, pois realiza muitas das operações pequenas e aleatórias em memória; Oltp tem aumento proporcional aos parâmetros. Quanto maior o uso de memória distribuída no cluster, menor é o impacto da solução na utilização de rede.

43 Resultados Resumo: Workloads típicos de armazenamento e compartilhamento de dados apresentam o resultado esperado para a solução proposta. O consumo de memória é determinante na utilização dos recursos, confirmando uma boa escolha no protocolo SAN escolhido. A distribuição da carga apresenta ganhos de performance de IO na maioria dos casos.

44 Conclusão Este trabalho apresentou uma solução tecnológica para armazenamento SAN em alta disponibilidade que possibilita o compartilhamento de dados na Unibrasil com software livre e hardware baixo custo. Foi realizado um conjunto de experimentos baseados em macrobenchmarks. Os resultados mostram o aumento da performance na distribuição da carga com excelentes resultados no workload ao qual se destina o trabalho (Fileserver). A alta disponibilidade é garantida no caso de perda de algum dos discos do cluster. O trabalho contribui para um seguro compartilhamento de dados entre alunos e professores na Unibrasil.

45 Conclusão Outras soluções que necessitem de espaços de armazenamento poderão se beneficiar da solução: repositório de TCCs, sistemas de controle de versão, vídeos de aula, apostilas, e-books, pacotes de sistemas, etc. O que não é: Interfaceamento entre o usuário e o storage. Trabalhos Futuros: Mais casos de testes com mais targets, interfaces de rede Gigabit Ethernet. Alterações no protocolo AoE para gateway distribuído. Monitoramento e correção automática de erros. Incremento de tecnologias como Deduplication e Thin provisioning.

46 Obrigado!

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