لقد نجحت معماريات مركز البيانات للأغراض العامة (مثل مراكز البيانات هذه تستخدم على نطاق واسع حتى اليوم) في إنجاز مهامها بشكل جيد في الماضي ، لكن معظمها قد وصل مؤخرًا إلى حدود قابلية التوسع والأداء والفعالية. عادةً ما تستخدم بنية مراكز البيانات هذه مبدأ التخصيص الكلي للموارد - المعالجات ومحركات الأقراص الثابتة وعرض قنوات الشبكة.
في هذه الحالة ، يحدث تغيير في حجم الموارد المستخدمة (الزيادة أو النقصان) في مراكز البيانات هذه على حدة ، مع وجود معاملات محددة سلفًا. على سبيل المثال ، مع معامل 2 ، يمكننا الحصول على هذه السلسلة من التكوينات:
- 2CPU ، ذاكرة وصول عشوائي 8 جيجابايت ، تخزين 40 جيجابايت ؛
- 4CPU ، ذاكرة وصول عشوائي 16 جيجابايت ، تخزين 80 جيجابايت ؛
- 8CPU ، ذاكرة الوصول العشوائي 32 جيجابايت ، تخزين 160 جيجابايت ؛
- ...
ومع ذلك ، بالنسبة للعديد من المهام ، تكون هذه التكوينات غير فعالة اقتصاديًا ، وغالبًا ما تكون بعض التهيئة الوسيطة كافية للعملاء ، على سبيل المثال ، - 6CPU ، وذاكرة وصول عشوائي 16 جيجابايت ، وتخزين 100 جيجابايت. وهكذا ، توصلنا إلى أن النهج العالمي المذكور أعلاه لتخصيص موارد مركز البيانات غير فعال ، خاصة عند التعامل مع البيانات الكبيرة بشكل مكثف (على سبيل المثال ، البيانات السريعة ، التحليلات ، الذكاء الاصطناعي ، التعلم الآلي). يرغب المستخدمون في مثل هذه الحالات في الحصول على إمكانيات تحكم أكثر مرونة في الموارد المستخدمة ، فهم بحاجة إلى القدرة على توسيع نطاق المعالجات والذاكرة وتخزين البيانات وقنوات الشبكة بشكل مستقل. الهدف النهائي من هذه الفكرة هو إنشاء بنية أساسية مرنة للمكونات.
شكل 1. معمارية مركز البيانات المركزية.استجابة لمثل هذه المتطلبات ، جاءت مراكز بيانات البنية التحتية شديدة التوصيل (HCI ، Hyper-Converged Infrastructure) التي تجمع بين جميع موارد الحوسبة وأنظمة التخزين وقنوات الشبكة في نظام افتراضي واحد (الشكل 1). ومع ذلك ، في هذا الهيكل ، لتوسيع حدود قابلية التوسع (إضافة أنظمة تخزين جديدة أو ذاكرة أو قنوات شبكة) ، هناك حاجة لخوادم إضافية. حدد هذا بشكل مسبق ظهور نهج قائم على توسيع البنية التحتية HCI مع وحدات ثابتة (كل منها يحتوي على معالجات والذاكرة وتخزين البيانات) ، والتي لا توفر في نهاية المطاف مستوى المرونة والأداء يمكن التنبؤ به الذي هو مطلوب في مراكز البيانات الحديثة.
يتم بالفعل استبدال HCI ببنية تحتية مفصلة للمكونات (CDI ، بنى تحتية مُفصّلة للتكوين) ، وهي مصممة للتغلب على قيود حلول تقنية المعلومات المتقاربة أو شديدة التقارب وتوفير مرونة أفضل لمراكز البيانات.
ظهور البنية التحتية المصنفة للمكوناتللتغلب على المشكلات المرتبطة بهيكل مراكز البيانات للأغراض العامة (نسبة ثابتة من الموارد ، ونقص الاستخدام والتكرار) ، تم تطوير بنية تحتية متقاربة لأول مرة ، تتكون من موارد أجهزة مُعدة مسبقًا داخل نظام واحد. موارد الحوسبة وأنظمة التخزين وتفاعلات الشبكة فيها منفصلة ويتم تكوين أحجام استهلاكها برمجياً. ثم تم تحويل الهياكل المتقاربة إلى تقنية Hyperconverged (HCI) ، حيث تتم جميع موارد الأجهزة بشكل افتراضي ، ويتم أتمتة تخصيص الكميات اللازمة من موارد الحوسبة وقنوات التخزين والشبكات على مستوى البرنامج.
على الرغم من حقيقة أن HCI يدمج جميع الموارد في نظام افتراضي واحد ، فإن لهذا النهج أيضًا عيوبه. لإضافة إلى العميل ، على سبيل المثال ، كمية أكبر بكثير من التخزين ، RAM أو توسيع قناة الشبكة ، في بنية HCI ، سيتطلب ذلك استخدام وحدات معالج إضافية ، حتى لو لم يتم استخدامها مباشرة في عمليات الحوسبة. نتيجة لذلك ، لدينا موقف حيث ، عند إنشاء مراكز بيانات أكثر مرونة من البنيات السابقة ، لا يزالون يستخدمون عناصر بناء غير مرنة.
وفقًا لاستبيانات مستخدمي تكنولوجيا المعلومات لمراكز بيانات الشركات الكبيرة والمتوسطة ، يتم تخصيص حوالي 50٪ من إجمالي سعة التخزين المتاحة للاستخدام الفعلي ، بينما تستخدم التطبيقات فقط نصف حجم التخزين المخصص ، ويستخدم وقت وحدة المعالجة المركزية بنسبة 50٪ تقريبًا. وبالتالي ، فإن النهج الذي يستخدم الأنظمة الهيكلية الثابتة يؤدي إلى انخفاض الحمولة ولا يوفر المرونة اللازمة والأداء المتوقع. لحل هذه المشكلات ، تم إنشاء نموذج مفصل ، وهو سهل التجميع من الوحدات الوظيفية المنفصلة باستخدام أدوات البرمجيات مع واجهة برمجة التطبيقات المفتوحة.
البنية التحتية المصنفة للمكونات (CDI) هي بنية مركز بيانات يتم فيها التعامل مع الموارد المادية - طاقة الحوسبة والتخزين وقنوات الشبكة - كخدمات. يتم توفير تطبيقات المستخدم بكل الموارد اللازمة للوفاء بالتحميل الحالي في الوقت الفعلي ، وبالتالي تحقيق الأداء الأمثل داخل مركز البيانات.
نموذج مفصل لمكونات التقارب
يتم إنشاء خوادم افتراضية في بنية تحتية مفصلة للمكونات (الشكل 2) عن طريق ربط الموارد من مجموعات مستقلة من أنظمة الحوسبة وأجهزة التخزين والشبكة ، على عكس HCI ، حيث ترتبط الموارد المادية بخوادم HCI. بهذه الطريقة ، يمكن إنشاء خوادم CDI وإعادة تكوينها حسب الحاجة وفقًا لمتطلبات عبء عمل معين. باستخدام الوصول إلى API لبرنامج المحاكاة الافتراضية ، يمكن للتطبيق طلب أي موارد ضرورية ، وتلقي إعادة تكوين الخادم الفوري في الوقت الحقيقي ، دون تدخل بشري - خطوة حقيقية نحو مركز بيانات الإدارة الذاتية.
شكل 2: نموذج Hyperconverged (HCI) والمكونات المصنفة (CDI).جزء هام من بنية CDI هو واجهة الاتصال الداخلية ، والتي تضمن فصل (تفصيل) أجهزة التخزين لخادم معين عن قدرتها الحاسوبية وتوفيرها للاستخدام من قبل التطبيقات الأخرى.
يتم استخدام NVMe-over-Fabrics هنا كبروتوكول رئيسي. يوفر أصغر تأخير في نقل البيانات من طرف إلى طرف بين التطبيقات وأجهزة التخزين نفسها. ونتيجة لذلك ، يسمح هذا لـ CDI بتزويد المستخدمين بجميع فوائد التخزين المتصل مباشرة (زمن استجابة منخفض وأداء عالٍ) ، مما يوفر استجابة ومرونة من خلال مشاركة الموارد.
شكل 3. هيكل NVMe الإفراط في الأقمشة.تعد تقنية NVMe (ذاكرة غير متطايرة Express) نفسها واجهة محسنة وعالية الأداء منخفضة زمن الوصول تستخدم بنية ومجموعة من البروتوكولات المصممة خصيصًا لتوصيل SSDs بالخوادم عبر ناقل PCI Express. بالنسبة لـ CDI ، تم توسيع هذا المعيار ليشمل NVMe-over-Fabrics - خارج الخوادم المحلية.
تسمح هذه المواصفة لأجهزة الفلاش بالاتصال عبر الشبكة (باستخدام بروتوكولات الشبكة ووسائط النقل المختلفة - انظر الشكل 3) ، مما يوفر نفس الأداء العالي وتأخير الإرسال المنخفض مثل أجهزة NVMe المحلية. في الوقت نفسه ، لا توجد أي قيود على عدد الخوادم التي يمكنها مشاركة أجهزة NVMe-over-Fabrics أو عدد أجهزة التخزين التي يمكن الوصول إليها بواسطة خادم واحد.
تتجاوز احتياجات التطبيقات الضخمة التي تستخدم البيانات الكبيرة اليوم إمكانات بنيات مركز البيانات التقليدية ، لا سيما من حيث قابلية التوسع والأداء والكفاءة. مع ظهور CDI (البنية التحتية المصنفة للمكونات) ، يمكن لمهندسي مراكز البيانات ومقدمي الخدمات السحابية وتكامل النظام ومطوري التخزين وشركات تصنيع المعدات الأصلية توفير خدمات التخزين والحوسبة بمزيد من الفعالية من حيث التكلفة والمرونة والكفاءة وسهولة التوسع ، وتوفير SLA المطلوب ديناميكيًا للجميع أعباء العمل.