In der heutigen, sich schnell entwickelnden IT-Landschaft sind Virtualisierung und Containerisierung Schlüsseltechnologien, die Effizienz, Skalierbarkeit und schnelle Bereitstellung in Rechenzentren vorantreiben. Der Anstieg der Nutzung lässt sich auf die Fähigkeit von NAS(Network Attached Storage) zurückführen, zentralisierten, gemeinsam genutzten und einfach skalierbaren Speicher bereitzustellen, der für moderne Workloads mit hohen Anforderungen an Verfügbarkeit und zuverlässige Leistung unerlässlich ist.

In diesem Blogbeitrag bieten wir umsetzbare Einblicke und bewährte Methoden zur Nutzung von NAS in virtualisierten und containerisierten Umgebungen. Sie erfahren, wie Sie die richtigen Speicherprotokolle auswählen, NAS-Ressourcen so konfigurieren, dass Engpässe vermieden werden, dynamische Bereitstellung für Container-Volumes aktivieren und vieles mehr. Am Ende haben Sie ein klareres Verständnis davon, wie Sie Ihre NAS-Infrastruktur feinabstimmen können, um die Anforderungen der heutigen leistungsstarken Virtualisierungs- und Container-Ökosysteme zu erfüllen oder sogar zu übertreffen.

Konfiguration von NAS für optimale Leistung von virtuellen Maschinen

Protokolle

Die Wahl zwischen iSCSI und NFS ist ein entscheidender erster Schritt bei der Integration von NAS in eine virtualisierte Infrastruktur. Jedes Protokoll arbeitet auf einer anderen Ebene, was die Leistung und die Verwaltung erheblich beeinflussen kann:

iSCSI (Blockebene)

• Bietet in der Regel geringere Latenz und höhere Durchsatzraten aufgrund seiner Blockebene.
• Erfordert mehr Setup und Konfiguration sowohl auf der NAS- als auch auf der Hypervisor-Seite.
• Kann mehr CPU-Ressourcen auf der Client-Seite (Hypervisor) beanspruchen, bietet jedoch starke Leistung für geschäftskritische oder rechenintensive Workloads.
• Besonders geeignet für Produktionsumgebungen, die Spitzenleistung benötigen.

NFS (Dateiebene)

• In der Regel einfacher zu konfigurieren und zu verwalten, insbesondere in Unix-/Linux-Umgebungen.
• Kann etwas höhere Netzwerküberlastung haben, profitiert jedoch von Caching auf der Client-Seite, was die Leseleistung verbessern kann.
• Hervorragend geeignet für gleichzeitigen Datei-Zugriff durch eingebaute Sperrmechanismen.
• Oft bevorzugt in einfacheren Setups und Umgebungen, die Benutzerfreundlichkeit priorisieren.

Zusätzlich kann in VMware vSphere-Umgebungen das Aktivieren von VAAI (vStorage API for Array Integration) auf Ihrem NFS-Datastore helfen, bestimmte Speicheroperationen auszulagern und die Gesamtleistung der virtuellen Maschinen zu verbessern.

Speichereinrichtung

Für Virtualisierungs-Workloads, insbesondere für solche, die Datenbanken oder Anwendungen mit hohen IOPS-Anforderungen ausführen, ist der Einsatz von SSDs oder hybriden Konfigurationen entscheidend. Im Vergleich zu traditionellen HDD-basierten Setups bieten SSDs geringere Latenz und höheren Durchsatz, was die VM-Leistung bei hoher Belastung erheblich verbessern kann. Falls verfügbar, sollten NVMe-SSDs in Betracht gezogen werden, da sie sogar noch geringere Latenz und höhere Bandbreite als SATA- oder SAS-basierte SSDs bieten können.

Effizienzfunktionen

Um die Speichernutzung zu optimieren und Kosten zu sparen, aktivieren Sie Funktionen wie:

• Datendeduplizierung und Kompression: Reclaimen Sie Kapazität, indem Sie redundante Datenblöcke auf Ihrem NAS reduzieren.
• Thin Provisioning: Weisen Sie Speicherplatz nach Bedarf zu, anstatt ihn im Voraus zu reservieren, um das Wachstum flexibler zu verwalten.
• Snapshots: Kehren Sie bei Problemen einfach zu einem früheren Zustand zurück, wodurch Ausfallzeiten bei der Fehlerbehebung reduziert werden.

Das Aktivieren dieser Effizienzfunktionen kann helfen, Speicherressourcen weiter auszuschöpfen und mehr VMs auf demselben NAS zu betreiben, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Klicken Sie, um mehr zu erfahren: 7 Anwendungen zur Steigerung der NAS-Leistung.

Durch die sorgfältige Auswahl der Speicherprotokolle, Hardwarekonfiguration und Effizienzfunktionen können Sie die Leistung von VMs in einer NAS-unterstützten virtualisierten Umgebung erheblich steigern. Als nächstes werden wir untersuchen, wie diese Optimierungsprinzipien auf containerbasierte Workloads angewendet werden können.

Implementierung von Speicher für Container-Persistent Volumes

Übersicht über Persistent Volumes

Persistent Volumes (PVs) sind ein grundlegendes Konzept in Container-Orchestrierungsplattformen wie Kubernetes, Docker Swarm und anderen. Im Gegensatz zu flüchtigem Speicher bieten PVs langfristigen, stabilen Speicher, der über den Lebenszyklus einzelner Container hinaus bestehen bleibt. Diese persistente Schicht ist entscheidend für zustandsbehaftete Anwendungen, wie Datenbanken, Nachrichtenwarteschlangen oder Analyse-Pipelines, bei denen die Daten intakt bleiben müssen, wenn ein Container neu startet oder auf einen anderen Host migriert wird.

NAS-Integration

Die nahtlose Integration von NAS in Container-Umgebungen basiert typischerweise auf der Container Storage Interface (CSI), die niedrigstufige Speicheroperationen von der Container-Orchestrierungsplattform abstrahiert. Durch die Verwendung eines CSI-Treibers können Sie Ihr NAS-System mit Kubernetes oder einer anderen Orchestrierungsplattform verbinden. Diese Integration ermöglicht:

• Dynamische Bereitstellung: Automatische Erstellung und Verwaltung neuer Speicher-Volumes nach Bedarf, wodurch manuelle Eingriffe vermieden werden.
• Snapshots: Sofortige Erstellung von Zeitpunktskopien der Containerdaten für Backup oder Rollback.
• Klonen: Schnell neue Volumes aus bestehenden Snapshots erstellen, was die Erstellung und Testzyklen von Umgebungen beschleunigt.

Verwaltung von Snapshots und Klonen für schnelle Bereitstellung

Die effektive Verwaltung von Snapshots und Klonen kann Arbeitsabläufe in virtualisierten und containerisierten Umgebungen erheblich optimieren. Durch die Nutzung dieser Funktionen, die oft nativ über NAS-Systeme oder über Container Storage Interface (CSI)-Plugins bereitgestellt werden, können Sie Ausfallzeiten verringern, Tests beschleunigen und Backup-/Wiederherstellungsprozesse vereinfachen.

Snapshots

Snapshots bieten Zeitpunktskopien Ihrer Datenträger, die ein leistungsstarkes Werkzeug sind für:

• Schnelle Wiederherstellung oder Rollback: Zurückkehren zu einem stabilen Snapshot, wenn ein Update fehlschlägt oder eine Konfigurationsänderung Fehler verursacht.
• Testumgebungen: Einen Snapshot als disposable Testumgebung erstellen, ohne Produktions-Workloads zu beeinträchtigen.
• Backup-Optimierung: Konsistente Backups von zustandsbehafteten Anwendungen erstellen, um sicherzustellen, dass die Daten intakt bleiben, selbst wenn Container oder VMs neu gestartet oder migriert werden.

Je nach verwendeter NAS-Lösung können Snapshots oft durch geplante Aufgaben oder Skripte automatisiert werden. Zum Beispiel kann das Bereitstellen von Snapshot-Zeitplänen mit Tools wie Kubernetes CronJobs oder vendor-spezifischer Automatisierung helfen, sicherzustellen, dass immer aktuelle Wiederherstellungspunkte zur Verfügung stehen. Einige Speicherlösungen unterstützen auch Snapshot-Richtlinien nativ, was es einfacher macht, Snapshot-Häufigkeit, Aufbewahrung und Bereinigungsroutinen zu definieren.

Klonen

Klonen sind beschreibbare Kopien eines bestehenden Snapshots oder Volumes. Sie ermöglichen es, vollständig funktionsfähige Kopien von VMs oder Containern zu erstellen, ohne alle zugrunde liegenden Daten zu duplizieren:

• Schnelle Bereitstellung: Neue Entwicklungs- oder Testumgebungen sofort aus einem „Gold-Image“ erstellen. Dies kann CI/CD-Pipelines (Continuous Integration/Continuous Delivery) erheblich beschleunigen.
• Ressourceneffizienz: Einige NAS-Lösungen verwenden Copy-on-Write oder ähnliche Mechanismen, die den zusätzlichen Speicherverbrauch bis zu dem Zeitpunkt, an dem Änderungen vorgenommen werden, minimieren.
• Vereinfachte Fehlerbehebung: Eine problematische Umgebung schnell klonen, um Fehler zu diagnostizieren, ohne Produktions-Workloads zu beeinträchtigen.

Bei der Erstellung von Klonen sollten Sie auf Speicherüberkopf achten. Obwohl die meisten Lösungen den Speicherplatzverbrauch optimieren, indem sie unveränderte Datenblöcke teilen, verbrauchen Klone dennoch zusätzlichen Speicherplatz, wenn sich Änderungen im Laufe der Zeit häufen. Die Überwachung des Wachstums, das Setzen von Quoten oder die Implementierung von Datenreduktion (z. B. Deduplikation, Kompression) kann helfen, die Kosten zu kontrollieren.

Optimierung der I/O-Leistung für virtualisierte Workloads

Leistungsengpässe können in hochvirtualisierten Umgebungen schnell auftreten, insbesondere wenn mehrere virtuelle Maschinen (VMs) um dieselben Speicher- oder Netzwerkressourcen konkurrieren. Die Implementierung der folgenden Optimierungen kann die Latenz erheblich reduzieren und den Durchsatz steigern.

SSD-Caching

Die Nutzung von SSD-Caching ist eine der direktesten Methoden zur Leistungssteigerung in NAS-Systemen. Durch das Zwischenspeichern häufig abgerufener Daten auf schnellen SSDs verringert sich die Abhängigkeit von langsameren Festplatten, was zu schnelleren Lese-/Schreiboperationen führt.

• Verbesserter Durchsatz & Geringere Latenz: Beliebte NAS-Anbieter stellen automatisierte Mechanismen zur Daten-Tiering zur Verfügung, die „heiße“ Datenblöcke in die SSD-Cache-Ebene verschieben, um sofortigen Zugriff zu ermöglichen, während weniger häufig abgerufene Daten auf HDDs verbleiben.
• iSER (iSCSI-Erweiterungen für RDMA) für verbesserte Leistung: In Umgebungen, die stark auf iSCSI angewiesen sind, kann iSER den CPU-Overhead sowohl bei Initiatoren als auch bei Zielen weiter verringern, indem es direkten Speicherzugriff nutzt. Dies entlastet einige Datenübertragungsaufgaben auf die Netzwerkhardware selbst und lässt so mehr CPU-Zyklen für die Anwendungsbearbeitung frei.

Tipp: Überwachen Sie die Cache-Trefferraten und passen Sie die Cache-Größe an das aktive Datenset an. Wenn die Trefferraten niedrig bleiben, benötigen Sie möglicherweise einen größeren SSD-Cache oder eine dedizierte All-Flash-Tier.

Netzwerk-Upgrades

Die Maximierung des Potenzials Ihrer Speicherumgebung hängt oft vom Netzwerkdurchsatz ab, insbesondere wenn VMs ständig große Datenmengen verarbeiten.

• Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen (10GbE NAS speicher): Ein Upgrade von 1GbE auf 10GbE oder sogar 25GbE oder 40GbE in fortgeschrittenen Rechenzentren reduziert die Netzwerk-Latenz erheblich. Dies ist entscheidend für Workloads wie Echtzeitanalysen, Datenbanken oder große Dateiübertragungen.
• Jumbo Frames und MTU-Optimierung: Die Konfiguration von Jumbo Frames (z. B. 9000 Byte MTU) kann den Overhead der Netzwerkpaketverarbeitung verringern und die Effizienz steigern. Stellen Sie sicher, dass alle Geräte im Datenpfad (Switches, NAS, Hypervisoren) Ihre gewählte MTU-Größe gleichmäßig unterstützen, um Paketfragmentierungen zu vermeiden.

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Tipp: Validieren Sie die Durchsatzgewinne immer in einer Testumgebung, bevor Sie die Änderungen implementieren. Inkonsistente MTU-Einstellungen im Netzwerk können zu Paketverlusten und verschlechterter Leistung führen, anstatt Verbesserungen zu erzielen.

Lastenverteilung

Selbst mit SSD-Caching und einem Hochgeschwindigkeitsnetzwerk kann eine unsachgemäße Ressourcenzuteilung zu Staus und ungleichmäßiger Leistung führen. Die Lastenverteilung hilft, I/O-Anfragen auf Knoten oder Netzwerklinks zu verteilen, um Ihre Hardware vollständig zu nutzen.

• Verteilung der Workloads auf Knoten: In einem Clustered-NAS- oder Hypervisor-Umfeld stellen Sie sicher, dass VMs nicht alle auf demselben Knoten platziert werden. Tools wie VMware DRS (Distributed Resource Scheduler) oder ähnliche Clustering-Technologien können Workloads automatisch neu balancieren, wenn sich die Nutzungsmuster ändern.
• QoS (Quality of Service)-Einstellungen: Viele NAS-Lösungen und Hypervisoren ermöglichen es, QoS-Regeln festzulegen, die Bandbreite für wichtige VMs begrenzen oder priorisieren. Auf diese Weise können weniger wichtige VMs nicht unnötig Ressourcen beanspruchen, und wichtige Workloads erhalten die benötigte I/O-Durchsatzleistung.

Tipp: Überprüfen Sie regelmäßig Leistungskennzahlen (z. B. IOPS, Latenz, Durchsatz), um die Lastenverteilungsregeln zu verfeinern. Passen Sie die QoS-Richtlinien an, wenn bestimmte VMs kontinuierlich die Zielnutzungsgrenzen überschreiten oder unterschreiten.

Best Practices zur Optimierung von NAS in virtualisierten und containerisierten Umgebungen

Leistungstipps

Hybrid- oder All-Flash-Arrays mit SSD-Caching einsetzen

• Leistungsintensive Workloads: Hybrid-Arrays (SSD + HDD) bieten eine gute Balance zwischen Kosten und Geschwindigkeit, während All-Flash-Arrays latenzempfindliche Anwendungen (z. B. hochtransaktionsintensive Datenbanken oder groß angelegte VM-Bereitstellungen) problemlos bewältigen können. Das Aktivieren von SSD-Caching beschleunigt häufig abgerufene Daten, verringert die Latenz und verbessert den Durchsatz.
• Zukunftssicher mit NVMe: NVMe-basierte NAS-Lösungen nutzen schnellere PCIe-Verbindungen im Vergleich zu herkömmlichen SATA/SAS-Festplatten, bieten höhere Bandbreite und geringere Latenz. Dies hilft sicherzustellen, dass Ihre NAS-Infrastruktur auch bei wachsendem Workload und steigenden I/O-Anforderungen effektiv bleibt.

Workloads den Speicherebenen zuordnen

Tiered Storage: Ziehen Sie in Betracht, kritische oder „heiße“ Daten auf schnelleres Medium (z. B. NVMe oder SAS SSDs) zu verschieben, während weniger häufig abgerufene Daten auf kostengünstigere HDD-basierte Ebenen verlagert werden. Automatisierte Data-Tiering-Funktionen, die in vielen NAS-Plattformen verfügbar sind, können diese Verteilung in Echtzeit optimieren, indem sie Daten zwischen den Ebenen verschieben, wenn sich die Zugriffsmuster ändern.

Fazit

Die Optimierung von NAS für Virtualisierung und Containerisierung kann die Leistung, Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit Ihrer IT-Infrastruktur erheblich verbessern. Durch sorgfältige Auswahl und Konfiguration von Speicherprotokollen, die Nutzung von Snapshots und Clones für schnelle Bereitstellungen sowie die Umsetzung von Best Practices wie SSD-Caching und Ressourcenüberwachung können Organisationen die richtige Balance zwischen Kosteneffizienz und hoher Leistung finden.