Гиперконвергентная система

Гиперконвергентная система (англ. hyper-converged infrastructure, HCI) — это программно-определяемая ИТ-инфраструктура, объединяющая в одном аппаратном блоке (узле) все основные компоненты ЦОД: вычислительные ресурсы (процессоры, оперативная память), системы хранения данных (накопители) и сетевую функциональность. В отличие от традиционной конвергентной инфраструктуры, где эти компоненты поставляются отдельными модулями и интегрируются на уровне вендора, гиперконвергентная система реализует их объединение на уровне программного обеспечения, работающего на стандартных серверных платформах. Ключевой особенностью является то, что управление всей инфраструктурой осуществляется через единую программную платформу (гипервизор или систему оркестрации), а не через отдельные консоли для хранения, вычислений и сети.

История

Концепция гиперконвергентной инфраструктуры возникла как эволюция двух предшествующих подходов: традиционной трёхуровневой архитектуры ЦОД (серверы, СХД, сеть) и конвергентной инфраструктуры (CI), где эти компоненты предварительно интегрировались вендором в единые стойки или блоки. Первые коммерческие продукты, которые можно отнести к гиперконвергентным, появились в начале 2010-х годов. Пионером в этой области считается компания Nutanix, основанная в 2009 году и выпустившая в 2011 году свою первую платформу, объединяющую вычисления и хранение на одном узле. В 2012 году компания VMware представила решение VMware EVO:RAIL, а затем в 2014 году — технологию Virtual SAN (vSAN), которая стала основой для многих HCI-решений. В 2013 году компания SimpliVity (позднее приобретена Hewlett Packard Enterprise) также выпустила свой продукт. В России развитие рынка HCI началось с внедрения решений западных вендоров, а затем, в условиях импортозамещения, появились отечественные разработки, такие как платформа «Аэродиск» (компания «Аэродиск») и решения на базе российского гипервизора «zVirt» (компания «Орион софт»).

Архитектура и принципы работы

Программно-определяемый подход

Основой гиперконвергентной системы является программно-определяемая архитектура. Все функции управления ресурсами — распределение процессорного времени, выделение памяти, организация дискового пространства и сетевого обмена — реализуются на уровне программного обеспечения, которое работает на каждом узле кластера. Это позволяет абстрагироваться от конкретной модели серверного оборудования и использовать стандартные, так называемые «товарные» (commodity) серверы x86-архитектуры.

Узел как строительный блок

Минимальной единицей масштабирования в HCI является узел. Каждый узел представляет собой стандартный сервер, оснащённый процессорами, оперативной памятью, твердотельными накопителями (SSD) и/или жёсткими дисками (HDD), а также сетевыми интерфейсами. На узле установлен гипервизор (например, VMware ESXi, Microsoft Hyper-V, KVM) и специальное программное обеспечение, которое формирует распределённое хранилище данных из локальных дисков всех узлов кластера. Таким образом, каждый узел одновременно является и вычислительным ресурсом, и частью единого пула хранения.

Распределённое хранилище

Ключевое отличие HCI от традиционных систем — отказ от внешней системы хранения данных (SAN или NAS). Вместо этого используется распределённое программно-определяемое хранилище, которое создаётся из совокупности локальных накопителей всех узлов. Данные реплицируются (копируются) между узлами для обеспечения отказоустойчивости. Обычно используется фактор репликации 2 или 3 (то есть каждая порция данных хранится в двух или трёх копиях на разных узлах). При выходе из строя одного узла его нагрузка автоматически перераспределяется на другие, а данные восстанавливаются из реплик. Для повышения производительности часто применяется кэширование на быстрых SSD-накопителях.

Единая система управления

Управление всей гиперконвергентной средой осуществляется через единую консоль (например, Nutanix Prism, VMware vCenter, Microsoft System Center). Администратор может управлять виртуальными машинами, хранилищем, сетью, производительностью и резервным копированием из одного интерфейса, что значительно упрощает эксплуатацию по сравнению с традиционными ЦОД.

Классификация и виды

Гиперконвергентные системы можно классифицировать по нескольким признакам:

По типу программного обеспечения

• Проприетарные (закрытые): решения, где всё ПО — гипервизор, хранилище, управление — поставляется одним вендором. Примеры: Nutanix (собственный гипервизор AHV или VMware ESXi), VMware vSAN, Microsoft Storage Spaces Direct.
• Открытые (на базе Open Source): решения, построенные на открытых компонентах, таких как гипервизор KVM, распределённое хранилище Ceph, система управления OpenStack. Примеры: Red Hat OpenStack Platform, решения на базе Proxmox VE.

По аппаратной реализации

• Аппаратные (appliance): готовые серверные блоки, поставляемые вендором (например, Dell EMC VxRail, HPE SimpliVity, Cisco HyperFlex). Всё оборудование и ПО предварительно протестированы и настроены.
• Программные (software-only): решения, которые устанавливаются на стандартные серверы, выбранные заказчиком. Примеры: VMware vSAN (требует совместимый сервер), Nutanix Community Edition.

По масштабу

• Для малого и среднего бизнеса: компактные кластеры из 2–4 узлов, часто с поддержкой двухузловой отказоустойчивой конфигурации (witness-узел).
• Для крупных предприятий и ЦОД: масштабируемые кластеры из десятков и сотен узлов, поддерживающие тысячи виртуальных машин.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Простота развёртывания и управления: инфраструктура разворачивается в течение нескольких часов, а не дней или недель, как в традиционных ЦОД. Управление ведётся из единого интерфейса.
• Масштабируемость: добавление новых узлов в кластер происходит практически без остановки работы. Ресурсы (вычисления, память, хранилище) добавляются линейно.
• Отказоустойчивость: выход из строя одного или нескольких узлов не приводит к остановке работы виртуальных машин благодаря автоматическому восстановлению из реплик.
• Снижение капитальных затрат (CAPEX): не требуется приобретение дорогих внешних систем хранения данных и SAN-коммутаторов. Используется стандартное серверное оборудование.
• Снижение эксплуатационных затрат (OPEX): меньше оборудования, меньше потребление электроэнергии и охлаждения, меньше административных усилий.

Недостатки

• Высокая стоимость начального внедрения (для некоторых решений): лицензии на ПО HCI (особенно от ведущих вендоров) могут быть дорогими.
• Сложность разделения ресурсов: в отличие от традиционных ЦОД, где можно независимо масштабировать вычисления и хранение, в HCI эти ресурсы всегда связаны в одном узле. Это может приводить к неэффективному использованию, если один тип ресурсов требуется больше, чем другой.
• Зависимость от производительности сети: для работы распределённого хранилища требуется высокоскоростная и низколатентная сеть между узлами (обычно 10 Гбит/с и выше).
• Ограниченная поддержка нестандартных нагрузок: некоторые специализированные приложения (например, с очень высокими требованиями к задержкам ввода-вывода) могут быть неэффективны на HCI.

Применение

Гиперконвергентные системы находят широкое применение в различных сценариях:

• Виртуализация серверов и рабочих столов (VDI): HCI является идеальной платформой для развёртывания виртуальных машин и виртуальных рабочих столов благодаря простоте управления и высокой плотности виртуализации.
• Удалённые офисы и филиалы (ROBO): компактные кластеры HCI позволяют организовать полноценную ИТ-инфраструктуру в удалённых точках без необходимости содержать квалифицированный персонал.
• Частные облака: HCI служит основой для построения частных облачных сред, предоставляя ресурсы по запросу через единую платформу управления.
• Разработка и тестирование: быстрое развёртывание и уничтожение тестовых сред, изоляция проектов.
• Базы данных и приложения общего назначения: многие современные СУБД и бизнес-приложения успешно работают на HCI.

Примеры решений

Зарубежные

• Nutanix — один из пионеров и лидеров рынка HCI. Предлагает собственную платформу с гипервизором AHV и поддержкой VMware ESXi.
• VMware vSAN — встроенное решение для гипервизора VMware ESXi, позволяющее создавать HCI-кластеры на совместимом оборудовании.
• Microsoft Storage Spaces Direct (S2D) — компонент Windows Server, позволяющий создавать HCI-кластеры на базе Hyper-V.
• Dell EMC VxRail — аппаратное решение, поставляемое в виде готовых блоков с предустановленным ПО VMware vSAN.
• HPE SimpliVity — решение, приобретённое Hewlett Packard Enterprise, с собственной технологией дедупликации и сжатия данных.

Российские

• «Аэродиск» — российская платформа гиперконвергентной инфраструктуры, построенная на базе собственного гипервизора и распределённого хранилища. Входит в реестр отечественного ПО.
• «Ред Софт» (Ред База Данных, Ред Виртуализация) — российская компания, предлагающая решения на базе открытых компонентов (KVM, Ceph), адаптированные для работы в государственных и корпоративных системах.
• «Орион софт» (zVirt) — гипервизор и платформа виртуализации, которая может использоваться для построения HCI-кластеров в сочетании с распределённым хранилищем.

Интересные факты

• Термин «гиперконвергентная» был введён компанией Nutanix для того, чтобы отличить свой подход от более старой конвергентной инфраструктуры, где компоненты были просто объединены в одном корпусе, но не управлялись как единое целое.
• Рынок HCI является одним из самых быстрорастущих сегментов рынка ЦОД. По данным аналитических компаний, его среднегодовой темп роста (CAGR) в 2020-е годы превышал 20%.
• Первые версии HCI-решений были ориентированы исключительно на виртуализацию, но современные платформы поддерживают также контейнеризацию (Kubernetes) и работу с базами данных.

Источники

• Nutanix. «Hyperconverged Infrastructure (HCI) Overview». Официальная документация.
• VMware. «What is vSAN?». Официальная документация.
• Microsoft. «Storage Spaces Direct overview». Официальная документация.
• Gartner. «Magic Quadrant for Hyperconverged Infrastructure». 2021–2023 гг.
• IDC. «Worldwide Quarterly Hyperconverged Infrastructure Tracker». 2022–2023 гг.
• «Аэродиск». Официальный сайт. Описание платформы.
• «Орион софт». Официальный сайт. Описание платформы zVirt.