Neuerungen in VMwares VSAN 8

Geschrieben von Thomas Drilling am 7. Dezember 2022

Nachdem VMware auf der VMware Explore 2022 vSAN 8 mit vSAN Express Storage Architecture angekündigt hatte, ist die neue Version von VMwares hyperkonvergenter Speicher-Lösung seit dem 08. November offiziell verfügbar. Wir fassen die Neuerungen, welche in Wesentlichen auf der neuen Storage-Architektur (ESA) basieren, für dich zusammen.

Die Neuerungen sind diesmal sehr umfangreich ausgefallen und im Einzelnen in den https://docs.vmware.com/de/VMware-vSphere/8.0/rn/vmware-vsan-80-release-notes/index.html Release Notes aufgeschlüsselt.

Wenn du eine komplette Einführung in vSAN 8 bekommen möchtest, empfehlen wir dir unseren Kurs VMware vSAN: Install Configure Manage [V8].

Die zweifelsohne interessanteste Neuerung ist die Einführung der neuen vSAN Express Storage Architecture TM (vSAN ESA). Hierbei handelt es sich um eine neue optionale Speicherarchitektur innerhalb der vSAN-Plattform, die laut VMware ein bisher nicht erreichtes Maß an Leistung, Skalierbarkeit, Ausfallsicherheit und Einfachheit mit Hochleistungsspeichergeräten (NVMe) ermöglicht. VSAN ESA baut auf der ursprünglichen Speicherarchitektur von vSAN (vSAN OSA) auf und erweitert diese um die Möglichkeiten moderner Hardware, indem sie Optimierungen für leistungsstarke, NVMe-basierte TLC-Flash-Geräte mitbringt. Bekanntlich wurde vSAN ursprünglich entwickelt, um hochleistungsfähigen Speicher mit seinerzeit üblichen SATA/SAS-Geräten bereitzustellen. Mit vSAN 8 haben Nutzer die Wahl zwischen zwei bestehenden Architekturen vSAN OSA (traditionell) oder vSAN ESA.

vSAN Express-Speicherarchitektur

Die neue ESA-Architektur erweitert vSAN 8 mit strukturellen Neuerungen wie einem neuen protokollstrukturierten Dateisystem „vSAN LFS“, einem neuen schreiboptimierten protokollstrukturierten Objektmanager und einem neuen Objektformat.

vSAN Express-Speicherarchitektur

Die vSAN Express-Speicherarchitektur kannst du dir am besten als eine neue Art der Datenverarbeitung und -speicherung vorstellen. Mit vSAN 8 kann die ESA bei Verwendung von für die ESA zugelassen ReadyNodes bereits zum Zeitpunkt der Cluster-Erstellung ausgewählt werden.

Dank der Fortschritte bei NAND-Flash über die vergangenen Jahre seit Einführung der NVMe-Spezifikationen 2013 verfügen die modernen MLC-, TLC- und QLC-NAND-Flash-Geräte von heute über viel mehr Kapazität. Dabei sind sie drastisch im Preis gesunken und verwenden die schnelle NVMe-Schnittstelle. Darüber hinaus hat die Anzahl der Server-CPU-Kerne in den letzten Jahren dramatisch zugenommen. Außerdem sind immer mehr 25 oder 100-Gb-Netzwerke zu vertretbaren Preisen pro Port verfügbar. Auf der anderen Seite fordern Kunden ihren Anwendungen mehr Leistung ab, indem sie ihnen mehr virtuelle Ressourcen zuweisen. Gleichzeitig wünschen sie sich aber Datendienste wie Platzeffizienz und Verschlüsselung. Workloads werden nicht mehr nur in einer lokalen Umgebung ausgeführt, sondern im Idealfall überall – also Edge, Core und in der Cloud. Folgende Abbildung verdeutlicht die Evolution:

Während zunächst moderne NVMe-basierte Flash-Geräte den Engpass weg von Speichergeräten verlagert haben, ermöglichte Flash auch neue Wege zum effizienten Schreiben von Daten und Metadaten in großem Maßstab – eine besondere Herausforderung, da die Gerätekapazitäten erheblich zunehmen.

Die eigentlichen Fortschritte in der ESA-Architektur finden sich vor allem in zwei Bereichen, wie nebenstehende Abbildung zeigt:

Die zwei wichtigsten Komponenten der ESA-Architektur sind das LFS und der Object Manager.

Das ist zum Einem ein neues patentiertes protokollstrukturiertes Dateisystem. Diese neue Schicht im vSAN-Stapel heißt vSAN „LFS“ und ermöglicht es vSAN neue Daten schnell aufzunehmen und gleichzeitig die Daten für einen sehr effizienten vollständigen Stripe-Schreibvorgang vorzubereiten. Das LFS ermöglicht es vSAN auch, Metadaten auf hocheffiziente und skalierbare Weise zu speichern. So kann LFS Daten auf robuste, platzsparende Weise ohne Leistungseinbußen schreiben und ermöglicht ganz nebenbei die unten beschriebene neue native Snapshot-Engine

Zum Zweiten beinhaltet die ESA-Architektur einen optimierten, protokollstrukturierten Objektmanager und eine entsprechende Datenstruktur. Diese Ebene stellt ein komplett neues Design dar, das um eine neue Hochleistungs-Block-Engine und einen Schlüsselwertspeicher herum aufgebaut ist, die große Schreibnutzlasten liefern und gleichzeitig den für Metadaten erforderlichen Overhead minimieren kann. Das neue Design wurde speziell für die Fähigkeiten der hocheffizienten oberen Schichten von vSAN entwickelt, um Daten ohne Konflikte an die Geräte zu senden. Es ist hochgradig parallel und hilft, die Leistungsfähigkeit der ESA auf Geräteebene zu erreichen.

Damit ist ESA in vielerlei Hinsicht mehr als nur eine Handvoll diskreter Verbesserungen. Im Prinzip hat VMware einige Datendienste an die Spitze des vSAN-Stacks verschoben, um die für diese Aufgaben erforderlichen Ressourcen zu reduzieren. Beispielsweise werden Daten jetzt auf der höchsten Ebene komprimiert und verschlüsselt, um die so genannte Prozessverstärkung zu minimieren. So lassen sich unter anderem Prüfsummen auf innovative Weise wiederverwenden, was doppelten Aufwand minimiert. Es ist letztlich die Kombination dieser Funktionen, welche die vSAN Express-Speicherarchitektur laut VMware zu mehr als nur zur Summe ihrer Teile macht.

Zusammenfassend führt die neue OSA-Architektur die im Folgenden näher erläuterten Verbesserungen ein:

RAID 5/6 ist in ESA nahezu genauso performant wie RAID-1.

Bessere Platzeffizienz von RAID-5/6-Erasure-Encoding bei mit RAID-1-Spiegelung vergleichbarer Leistung

Die neue Architektur ESA-Architektur löst das mit Hilfe des neuen protokollstrukturierten Dateisystems und Objektformats, und das adaptive RAID-5 Erasure Coding garantiert Platzeinsparungen auf Clustern mit nur 3 Hosts. Verwendet nämlich der Nutzer eine RAID-5-Erasure-Encroding-Richtlinienregel überprüft ESA die Hostanzahl im Cluster und wählt die geeignete RAID-5-Datenplatzierung aus. vSAN ESA kann auch erkennen, ob sich die Anzahl der Hosts geändert hat und dann die RAID-5-Richtlinienregel entsprechend überarbeiten. Im Vergleich zu RAID-1 verbraucht auch diese neue adaptive RAID-5-Richtlinie weniger Kapazität zum Speichern von Daten und macht Daten widerstandsfähiger und einfacher verwaltbar.

Intelligentes E/A-Verkehrsmanagement für vSAN-Netzwerkverkehr
Mit der verbesserten Effizienz von vSAN ESA ist unter anderem gemeint, dass der Storage-Traffic nahezu mit Geschwindigkeiten auf Geräteebene verarbeitet werden kann. Diese höhere I/O-Verarbeitungsrate kommt dadurch zustande, dass die ESA vSAN-bezogenes Netzwerk-I/O bei Netzwerkkonflikten adaptiv priorisiert, um eine Überlastung des Netzwerks zu vermeiden, wenn sehr anspruchsvolle Workloads ausgeführt werden. In dieser Kategorie gehört auch das adaptive Netzwerk-Traffic-Shaping, welches sicherstellt, dass die VM-Leistung auch bei einer Neusynchronisierung beibehalten wird.

Höhere Komprimierungsraten
Die auf Speicherrichtlinien basierende Datenkomprimierung bietet mit ESA bis zu viermal höhere Komprimierungsraten pro 4-KB-Datenblock als das vSAN OSA. Die Komprimierung wurde in vSAN ESA ebenfalls überarbeitet und erfolgt nun wie oben beschrieben viel „höher“ im Storage-Stack, um die CPU-Kosten und die Netzwerknutzlast zu minimieren. Die neue Komprimierungsrichtlinie ist standardmäßig aktiviert und kann nun pro VM mit einer einfachen Speicherrichtlinie getriggert werden, anstatt durch einen Cluster-basierten Dienst. Die neue Komprimierungsmethode ermöglicht damit eine bis zu 4-fache höhere Komprimierung für jeden 4-KB-Block im Vergleich zur ursprünglichen Speicherarchitektur. Die neue Komprimierungsversion ist CPU-effizienter und verursacht somit geringere Leistungseinbußen.

Effizientere Verschlüsselung
Ähnlich wie bei der Komprimierung findet auch die Verschlüsselung bei OSA in den oberen Schichten des vSAN-Stacks statt. Da die zu verschlüsselnden Daten bereits komprimiert wurden, findet der Verschlüsselungsprozess nur einmal statt, was bedeutet, dass Daten, die zwischen Hosts fließen, ebenfalls verschlüsselt werden. Diese Verbesserung eliminiert frühere zusätzliche Entschlüsselungs-/Verschlüsselungsschritte und ermöglicht eine maximale CPU- und Netzwerkeffizienz, wodurch mehr Ressourcen für VMs frei werden.

Neuer Speicherpool-Konstrukt
vSAN 8 ESA geht über das Konzept von Festplattengruppen, diskretem Caching und Kapazitätsebenen hinaus und ermöglicht es Benutzern, Speichergeräte für vSAN in einem „Speicherpool“ zu beanspruchen, in dem alle Geräte dem Speicherpool eines Hosts hinzugefügt werden, um zur Kapazität von vSAN beizutragen. Dies verbessert die Wartbarkeit der Laufwerke und das Datenverfügbarkeitsmanagement und hilft, die Kosten zu senken.

Vereinfachte Bereitstellung und Betrieb von Speicherressourcen
vSAN ESA vereinfacht die Speicherverwaltung noch weiter, indem sie automatisierte Prüfungen einführt, um festzustellen, ob ESA auf zugelassener Hardware ausgeführt wird. Diese Verbesserung trägt primär dazu bei, die Wahrscheinlichkeit potenziell problematischer Bereitstellungen zu verringern.

Skalierbare native Hochleistungs-Snapshots
Die ESA-Architektur ermöglicht zudem die schnelle und effiziente Erfassung von Datenzuständen zu einem bestimmten Zeitpunkt. Dank der in diese neuen „nativen Snapshots“ integrierten Intelligenz kann eine beliebige Anzahl von Snapshots mit minimaler Auswirkung auf die Leistung der VM erstellt werden, wobei die Konsolidierungszeiten drastisch verkürzt werden. Laut VMware können Backups damit z. B. bis zu 100-mal schneller erstellt werden.

Erhöhte maximale Kapazität auf Geräten in der Cache-/Pufferebene für vSAN OSA

VMware erhöht in vSAN 8 zudem das logische Limit der Pufferkapazität von 600 GB auf maximal 1,6 TB, nahezu eine Verdreifachung gegenüber vSAN 7. Dies ermöglicht auch Nutzern der Original Storage Architecture (OSA), die Vorteile von Hochleistungsgeräten mit höherer Dichte zu nutzen, um ein verbessertes Maß an Leistung und Konsistenz für ihre vSAN-Umgebungen bereitzustellen. Diese zusätzliche Kapazität auf der Pufferebene bedeutet, dass Workloads über längere Zeiträume mit einer höheren Leistungsrate ausgeführt werden können.

vSAN Proactive Insights-Funktion

Darüber hinaus erhalten Kunden mit der proaktiven Insights-Funktion in vSAN 8 noch mehr Unterstützung bei der Sicherstellung von Kompatibilität. So informiert die proaktive Insights-Funktion z. B. über potenzielle Hardware-/Software-Kompatibilitäts- oder Supportlücken, selbst wenn sich der Nutzer nicht beim Programm zur Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit (CEIP) registriert.

Diese Erweiterung kommt übrigens beiden vSAN-Architekturen – vSAN OSA und vSAN ESA – zu Gute.

Für wen eignet sich ESA?

Laut VMware eignet sich die vSAN Express Speicherarchitektur ideal für alle Kunden und Cloud-Anbieter, die ohnehin gerade auf die neueste Hardwaregeneration umsteigen. Das Bereitstellen von platzsparendem und äußerst belastbarem Speicher ohne Leistungseinbußen, die Nutzung aller beanspruchten Speichergeräte für die Kapazität und neue Komprimierungsverbesserungen sprechen eine deutliche Sprache.

Dabei stellt sich natürlich unvermeidlich die Frage, ob die OSA-Architektur verschwinden wird? Da viele Kunden stark in VSAN-geeignete Hardware investiert haben, wird vSAN OSA weiterhin unterstützen. Dabei bietet die Möglichkeit eines kontinuierlichen Upgrades auf die neueste Version mit OSA die Chance, auch vorhandene Hardware effektiver zu nutzen. Werden neue Cluster von vorne herein unter Berücksichtigung von ESA konfiguriert, kann das zu einer Senkung der Gesamtbetriebskosten beitragen. Zu den im Vergleich mit OSA niedrigeren Gesamtbetriebskosten (TCO) trägt unter anderem das Entfernen dedizierter Cache-Geräte bei, genauso wie die flexible Architektur unter Verwendung einer einzelnen Ebene in vSAN 8 und weitere Vereinfachungen in der Verwaltung, wie z. B. das Entfernen des Konstrukts der Festplattengruppen oder kleinere Fehlerdomänen.

VMware VSAN 8: Fazit

VMware erweitert vSAN 8 mit der neuen vSAN Express Storage Architecture (ESA). Diese beinhaltet innovative Updates, die noch höhere Leistungs- und Effizienzniveaus, verbesserte Ausfallsicherheit, vereinfachten Betrieb und einfache Verwaltung ermöglichen. Laut VMware können Kunden die Vorteile der neuesten Hardwaregeneration mit vSAN 8 besser nutzen, um auch anspruchsvollste Workloads mit höchster Leistung und Effizienz auszuführen zu können.