[Kiến trúc cơ sở hạ tầng] Phần 3: Các phương pháp thiết kế hệ thống dành cho quy mô có thể thay đổi

Xem thêm loạt bài này:

• Phần 1: Xây dựng một kiến trúc cơ sở hạ tầng tin cậy giá rẻ
• Phần 2: Phát hiện, phòng tránh, và loại trừ các tắc nghẽn hệ thống
• Phần 3: Các phương pháp thiết kế hệ thống dành cho quy mô có thể thay đổi
• Phần 4: Quản lý các hệ thống doanh nghiệp với quy mô có thể biến đổi.
• Phần 5: Phân phối nội dung và thiết kế mạng phân tán
• Phần 6: Tự động kiểm thử (Automated testing)

Khả năng mở rộng quy mô là tăng sự truy cập vào dữ liệu, hoặc thêm tải máy khách, xử lý nhiều máy khách hơn, tăng khả năng truy cập dữ liệu thường đạt được thông qua việc sử dụng các máy chủ có khả năng thay đổi tốc độ xử lý, tốc độ vào/ra, bộ nhớ và kho lưu trữ. Nhưng bài viết này, bài thứ ba trong loạt bài kiến trúc cơ sở hạ tầng, chỉ chú ý đến những kiến trúc thay thế và tính toán làm thế nào để quy mô có thể thay đổi phù hợp với các mẫu mới giống như các điện toán lưới và điện toán đám mây.

Các doanh nghiệp, tổ chức thường bỏ qua các chi phí vận hành liên quan đến sự thay đổi qui mô như: phí tổn về năng lượng, làm mát và không gian đặt hệ thống. Hơn nữa, việc chuẩn bị chu đáo cho quy mô có thể giúp chúng ta loại trừ được lỗi I/O, bộ vi xử lý, hoặc tắc nghẽn lưu trữ — là chủ đề của bài viết thứ hai trong loạt bài viết này. Nguồn tài nguyên như năng lượng chẳng hạn sẽ không được đề cập đến trong bài này, nhưng phần Tài nguyên cung cấp nhiều liên kết tới các chủ đề chứa nhiều thông tin hơn về vấn đề này. Sự thay đổi qui mô ở những mô hình cao hơn mô hình máy chủ/ máy khách yêu cầu một chiến lược bao gồm các kỹ thuật phân cụm (clustering) (bao gồm cả bộ xử lý và hệ thống tập tin), điện toán lưới, và điện toán đám mây và thường được xác định trên các ràng buộc mức cao nhất bởi các dịch vụ Internet phổ dụng mà có thể đáp ứng nhanh nhất các nhu cầu thay đổi chung.

Điểm lưu ý đầu tiên của bài viết là dựa trên kế hoạch dài hạn để xác định quy mô và chiến lược thay đổi càng gần tuyến tính và vô hạn càng tốt. Điểm thứ hai, bài viết xem xét mỗi tài nguyên phục vụ dành cho cấp độ máy chủ, các cụm máy, điện toán lưới, và phần mềm điện toán đám mây giống như một dịch vụ; và phần cứng giống như quy mô phục vụ (service scaling), bao gồm cả bộ vi xử lý, thiết bị vào/ra, bộ nhớ và lưu trữ, và chiến lược để cân bằng và phân mức nó. Các tiềm năng theo chiều rộng và chiều sâu của chiến lược quy mô tổng quát cho các máy chủ, các cụm, lưới, và điện toán đám mây là rất rộng lớn, nhưng bài viết này cung cấp các ví dụ cụ thể cũng như các điểm chi tiết hơn để bạn có thể giải quyết vấn đề khó khăn trên các hệ thống lớn ở mức cơ sở hạ tầng.

Những ý chính và mục tiêu dành cho các hệ thống quy mô tuyến tính (linear scaling systems)

Một hệ thống quy mô tuyến tính đòi hỏi một khả năng tính toán node, như là một hệ thống máy chủ IBM System x hoặc hệ thống BladeCenter, cung cấp quy mô đa xử lý đối xứng (SMP) cho bộ xử lý hoặc bộ nhớ đi đôi với quy mô có đủ thiết bị I/O cho phân cụm máy, mạng lưu trữ, quản trị mạng, và mạng truy cập máy khách. Trong khi chờ đợi một hệ thống có khả năng cho phép máy khách quy cập rộng hơn thì điều quan trọng nhất là cần thiết kế một cách cẩn thận cho sự mở rộng của các hệ thống lưu trữ con và hệ thống tính toán cơ bản:

Qui mô có thể thay đổi theo phân cấp: Trung tâm điện toán đám mây bao gồm các mạng lưới điện toán, các cụm tính toán hiệu năng cao, hoặc các máy phục vụ SMP với các truy cập từ máy khách ở bất cứ cấp độ nào.

• Kiến trúc hướng dịch vụ (Service-Oriented Architecture - SOA): Xem xét cẩn thận sự kết hợp giữa việc tính toán và việc truy cập dữ liệu cho các ứng dụng cùng với các mạng truy cập máy khách.
• Mạng phân cụm kết nối tốc độ cao (High speed interconnect - HSI): Những mạng giống như Infiniband, Myranet, and 10GE.
• Khả năng mở rộng dung lượng truy cập thông qua một mạng lưu trữ khu vực (SAN): kênh Fibre 8G, giao diện hệ thống điện toán Internet (iCSI) trên Infiniband hoặc 10GE, hoặc kênh Fibre trên Ethernet/hội tụ các bộ kết hợp mạng (FCoE/CNA) và giao thức làm giảm tải giao diện truyền tải máy chủ.
• Các nút điện toán SMP: Các nút cùng với bộ xử lý, bộ nhớ, và phần mở rộng kênh vào/ra (I/O) cho lưu trữ, kỹ thuật phân cụm, quản trị, và mạng máy khách.
• Hệ thống tệp tin có thể thay đổi: Phần đầu hoặc cổng vào của mạng lưu trữ truy cập được thiết kế song song với hệ thống tệp tin với quy mô dung lượng và số lượng của các máy khách cùng với hệ thống tệp tin mạng (NFS) các công nghệ giao thức giống như việc truy cập bộ nhớ từ xa (RDMA).
• Nhân tố xanh: siêu năng lượng, làm mát, và mật độ giá đặt máy của một hệ thống con sẽ được lựa chọn.
• Quy mô Geo (Geo-scaling): Sử dụng bộ chuyển đổi kết nối tới cáp tối (dark fiber) với công nghệ truyền dẫn quang năng (DWDM) bằng phân chia bước sóng thêm và bớt các bộ đa hợp.

Lập kế hoạch cho sự phát triển tương lai

Như đã chỉ ra trong Hình 1, các hệ thống có thể thay đổi từ các máy điện toán khách đơn giản đến các máy phục vụ SMP. Máy điện toán khách kết nối tới các cụm của máy phục vụ SMP - các cụm có thể chia và trị bằng các thuật toán, với sức mạnh tính toán được cho trước. Các cụm của máy chủ SMP có thể tương tự như các dịch vụ được cung ứng đồng thời cho các hệ thống lưới điện toán. Được dựa trên điện toán lưới và điện toán phân cụm, các dịch vụ điện toán đám mây được tập trung hóa trên internet phát triển rất nhanh. Điện toán mây có thể đơn giản như là sự chia sẻ lịch biểu và không yêu cầu các cụm HPC, nhưng sau đó thì, các truy cập đến HPC qua Internet sẽ trở thành mối bận tâm đang gia tăng trên cả hai phương diện học thuật lẫn lĩnh vực điện toán thương mại (xem Tài nguyên). Các cụm và máy chủ SMP trong mạng lưới điện toán cần phải tự thay đổi được về bộ xử lý, cổng vào/ra (I/O), bộ nhớ và truy cập lưu trữ để chúng có thể điều tiết các mục đích cho các dịch vụ trong trung tâm mạng lưới điện toán hoặc trung tâm điện toán đám mây. Có lẽ, cách tốt nhất để bắt đầu là đặt một loạt câu hỏi về việc thay đổi quy mô, ví dụ:

Có thể mở rộng bộ xử lý, bộ nhớ, các kênh vào/ra trên mỗi nút tính toán SMP đến mức nào?

Truy cập lưu trữ, truy cập mạng máy khách, đồng bộ hóa mạng phân cụm và chia sẻ dữ liệu sẽ được cân đối cho các ứng dụng tại một cụm cho trước như thế nào?

Sự quản lý và các mạng máy khách sẽ thay đổi quy mô cho nhiều máy chủ và các cụm nào?

Các dịch vụ được tạo ra cho một số lượng lớn các máy khách sẽ đòi hỏi quản trị lưới điện toán?

Việc mở rộng các dịch vụ ra công cộng có giá trị không?

Hình 1. Ví dụ về gắn kết quy mô và ứng dụng

Scaling (sự mở rộng)

Chú ý rằng hình 1 cho thấy việc sử dụng các nút IBM System x3650 và kho lưu trữ kênh Fibre SAN đính kèm DS4800 là một ví dụ của khối xây dựng đi từ máy phục vụ SMP đến một cụm của các máy phục vụ System x3650 cùng với kho lưu trữ SAN DS4800 và hệ thống tệp tin song song là hệ thống tệp tin song song toàn cầu (GPFS). Các cụm được thiết kế theo cách này có thể được đặt trong một mạng lưới; vì mật độ cao hơn, việc sử dụng hệ thống BladeCenter có thể cân đối để thêm vào hoặc để phục vụ lại các dịch vụ phân cụm. Mạng lưới này cung cấp các công cụ quản trị phối hợp, bảo mật, quản trị máy khách/máy người dùng để đơn giản hóa công việc IT kết hợp một số lượng lớn các máy khách trong một SOA.

Ước tính khối lượng công việc và quy mô

Một cái nhìn chi tiết về các công cụ của cổng vào/ra, bộ xử lý, và hiệu suất bộ nhớ đã được đề cập trong bài viết thứ hai trong loạt bài viết này. Một trong những cách tốt nhất để dự tính khối lượng công vệc một cách đơn giản là thực thi các ứng dụng, và trong một SOA đơn giản, việc lập kế hoạch thay đổi quy mô dựa trên số lượng các máy khách mong đợi sẽ thực thi từng loại hình dịch vụ. Các công cụ đo lường tiêu chuẩn thay đổi quy mô tốt mô phỏng dịch vụ máy khách yêu cầu sử dụng các luồng hoặc khối lượng công việc không đồng bộ, có thể thay đổi và thực thi ngay trên các nút hoặc các cụm điện toán hoặc từ các nút mô phỏng máy khách (client-emulator) hiệu suất cao. Ví dụ, một cụm có thể có một mạch ghép nối 2 10 Gigabit Ethernet với một đầu NAS đến các máy khách 24GB Ethernet NAS.

Hình 2 chỉ ra một cổng vào/ra cơ bản, tiến trình xử lý và mô hình thay đổi quy mô bộ nhớ. Một trong các thiết bị quan trọng nhất có thể không xuất hiện ngay lập tức mà nó là phần mở rộng cho các bộ tích hợp bus chủ (HBAs) để lưu trữ, các bộ tích hợp kênh chủ (HCAs) cho các kết nối cụm, và bộ tích hợp mạng cho những mạng máy khách/máy quản trị không có xử lý giao thức — hoặc, theo một cách khác, có bao nhêu nút-máy chủ (host-node) thực hiện mỗi giao diện cổng vào/ra và ngăn xếp của chúng đặt trên các nút điện toán?

Hình 2. Thay đổi quy mô vào/ra nốt SMP và dự tính khối lượng công việc.

Thay đổi quy mô server

Thay đổi quy mô máy chủ đòi hỏi hiểu biết sâu sắc về bộ xử lý phức, các kiến trúc bus bộ nhớ- cổng vào/ra- bộ xử lý, và thiết kế kênh server. Ví dụ, trong Hình 2, nếu máy chủ System x3650 được sử dụng như một nút điện toán, thì hệ thống này có hai kênh vào/ra gen1 x8 và gen1 x4 PCI-e nằm giữa các giao diện tích hợp dual-GB Ethernet và bộ kiểm soát một chuỗi những đĩa độc lập dư thừa (RAID) cũng như vài đặc trưng sẵn có. Bởi vậy, với System x3650, một cấu hình có thể là bộ tích hợp mạng hai cổng 10GE trên khe cắm bus x8 cho HSI, một Fibre Channel HBA hai cổng x8 8G trên một khe cắm x8, và một bộ tích hợp mạng một cổng 10GE trên mỗi khe cắm PCI-e x4 còn lại cho giao diện mạng máy khách. Cấu hình này cung cấp 20Gbps hai chiều đến kết nối máy khách, 16Gbps đến lưu trữ SAN, và 20 Gbps đến HSI để phân cụm và sử dụng hai giao diện mạng mở rộng Ethernet được cài đặt sẵn cho các giao diện RAID. Cấu hình đặc biệt này loại bỏ giải thông ra ngoài các kênh vào/ra PCI-e 24 gen1 2.5Gbps, nó có tổng bằng 60Gbps (trong đó, có 20Gbps dành cho máy khách, 20Gbps dành cho cụm HSI, 2Gbps dành cho quản trị, và 12Gbps điều khiển RAID nội = 60Gbps).

Đảm bảo giải thông cho các giao diện vào/ra trong các bộ xử lý phức là một khởi đầu tuyệt vời và còn hơn cả sự tính toán. Cần có một chú ý đặc biệt ở đây là tất cả các PSI-e, gigE/10GE, và kênh Fibre đều được chuyển đổi hai chiều, bởi vậy chúng phải có khả năng truyền và nhận dữ liệu đồng thời. Như vậy, tổng số giải thông trong hệ thống này là 120Gbps, vượt quá giải thông bộ nhớ một cách đáng kể, như bạn đã thấy.

Kế hoạch cho việc thay đổi quy mô máy chủ

Nghiên cứu sâu hơn về các kênh vào/ra và cấu hình của HBAs, HCAs, và bộ tích hợp mạng để sử dụng giải thông một cách tốt nhất, bạn cần kiểm tra kỹ giải thông bộ nhớ, độ trễ và quy mô bộ xử lý. Giải thông bộ nhớ có thể trở thành một nút cổ chai (nút tắc nghẽn), bởi vì các thông điệp và các cổng vào/ra được lưu trữ, xử lý và gửi tới thường xuyên đến nỗi mà giải thông bộ nhớ đã trở thành một tham số thay đổi quy mô giới hạn. Trong ví dụ với máy chủ System x3650, theo Hướng dẫn người sử dụng, nó hỗ trợ 12 bộ đệm đầy đủ PC2-5300 DIMMs, là DDR2-667 với chu kỳ thời gian là 6 ns, hỗ trợ bus vào/ra 333MHz, với khả năng truyền 667 triệu dữ liệu 1 giây, hoặc 5,333GB/giây. Đây thực chất là 53,33Gbps và nó xấp xỉ bằng khoảng một cổng vào/ra bán song công (half-duplex) của 60Gbps. Rõ ràng, với hệ thống này và các kế hoạch cẩn thận, bạn có thế sử dụng tất cả các khả năng của bộ nhớ. Trường hợp lý tưởng, nó sẽ là một nút cổ chai, giả sử bạn duy trì các kênh vào/ra gần bão hòa ở kênh bán song công, và giữ mã chạy hầu hết bên ngoài vùng nhớ, và hầu hết DMA được ánh xạ trực tiếp vào trong và bên ngoài bộ nhớ - những vùng đệm hạt nhân.

Không loại bỏ giải thông, bộ xử lý hoặc bộ nhớ trên bảng

IBM cung cấp một vài tài liệu và công cụ cho các hệ thống BladeCenter và các máy chủ System x (xem Tài nguyên). Việc đo lường giải thông bộ nhớ thực tế cũng như tham khảo các đặc điểm kỹ thuật là rất hữu ích, và các công cụ dành cho việc này cũng như các danh mục đo lường có thể tìm thấy trên trang Web cá nhân của Tiến sĩ Bandwith (xem Tài nguyên). Thay đổi quy mô bộ xử lý được đo lường tốt nhất bằng điểm chuẩn của các thuật toán phức tạp nhất, nó sẽ vận hành trên dữ liệu đưa vào và đưa ra ngoài bộ nhớ trên các dòng tốc độ và dựa trên số lượng các luồng hoặc các cổng vào/ra không đồng bộ và xử lý các tình huống mà các máy phục vụ cần phải cung cấp cho các máy khách. Thực sự là không thể thay thế việc thực thi ít nhất các thuật toán hạt nhân trên các nốt SMP dự định để ước tính các yêu cầu xử lý. Có rất nhiều công cụ đã tồn tại để phân tích các kết quả, bao gồm các công cụ định hình như VTune và các công cụ tải bộ xử lý màn hình cơ bản (xem Tài nguyên).

Thay đổi quy mô phân cụm

Như đã trình bày ở Hình 2, băng thông cụm máy chủ đến và đi từ mỗi nút SMP thích đáng là cần thiết để gửi và đồng bộ hoá thông điệp trong tính toán song song cũng như các hệ thống tệp song song nói chung của IBM (xem Tài nguyên). Một trong các quyết định then chốt là hệ thống tệp cụm máy chủ mà bạn sẽ sử dụng. Cuốn sách trắng "Giới thiệu GPFS Phiên bản 3.2 của IBM", cung cấp sự khái quát rất tốt về cấu hình hệ thống phân cụm máy khách của cả cụm máy chủ SAN lẫn đầu nối/cổng vào NAS. Cụm máy chủ được xây dựng vì rất nhiều lý do, bao gồm:

• Quy mô điện toán: Chia nhỏ các thuật giải thành từng phần con, tính toán các kết quả trung gian, và kết hợp các kết quả từ nhiều nốt SMP thông qua các cơ cấu gửi thông điệp và đồng bộ hoá phân tán
• Tính sẵn sàng cao: Quá trình tái lập của các dịch vụ tệp NAS cho các máy khách nhằm đảm bảo truy cập để lưu trữ dữ liệu bất chấp khả năng có các thời điểm máy chủ không vận hành
• Quy mô cổng vào/ra: Dành cho các ứng dụng tập trung nhập xuất giao tiếp với SAN RAID để tăng băng thông cổng vào/ra lên
• Quy mô dịch vụ máy khách: Để dễ dàng đảm nhiệm thêm các yêu cầu dịch vụ máy khách đồng thời từ một cụm máy chủ

Các kĩ năng, năng lực, công cụ, và kĩ thuật cho các quy mô phân cụm máy chủ vượt ra khỏi phạm vi của bài viết này, không như quy mô lưới và quy mô trung tâm điện toán mây. Dù sao, thực tiễn tốt với nút tính toán SMP sẽ cung cấp khung giàn tốt cho các kiến trúc quy mô bậc cao này. Bạn có thể tìm thấy rất nhiều tài nguyên để hỗ trợ với quy mô phân cụm máy chủ trong Tài nguyên sau khi bạn đã có được các định nghĩa về quy mô phân cụm vừa kể tới.

Thay đổi quy mô điện toán lưới và điện toán đám mây

Như đã thể hiện trong Hình 1, các cụm máy chủ cung cấp quy mô cổng vào/ra, bộ xử lý, và thiết bị lưu trữ nhưng thông thường nó không qui định các phương thức quản lý sự thay đổi quy mô, các phương thức quản lý phía máy khách, hay bảo mật. Quy mô một cơ sở hạ tầng đầy đủ, bao gồm nhiều dịch vụ có thể được chứa trên nhiều cụm máy chủ hay các máy chủ và khách SMP sử dụng các dịch vụ này, là lĩnh vực của điện toán lưới. Điện toán lưới có liên quan với:

• Ảo hoá tài nguyên: Đối với thiết bị lưu trữ, mạng, và các bộ xử lý thông qua hệ thống đĩa ảo, quản lý đa tuyến giao diện mạng, và các máy ảo
• Các cổng giao điện người dùng: Bao gồm các định nghĩa để truy cập Web an toàn như Ngôn ngữ Đặc tả Dịch vụ Web (WSDL - Web Services Description Language) và Giao thức Truy cập Đối tượng Đơn giản (SOAP - Simple Object Access Protocol)
• Quản trị hệ thống: Bao gồm các tính năng dự phòng và tự trị cho hệ quản trị của tài sản IT

Bài viết này không thể bao quát đầy đủ về quy mô lưới, nhưng IBM Research Journal cung cấp các nghiên cứu sâu, và nhiều công cụ lưới cũng sẵn có từ IBM (xem Tài nguyên). Tương tự, điện toán đám mây, là một công nghệ khá mới nhưng đang phát triển mạnh mẽ cũng nằm ngoài phạm vi của bài viết. Nhưng dù sao, khái niệm cơ bản về điện toán đám mây nhằm cung cấp HaaS (Hardware as a Service - Phần cứng như dịch vụ), và SaaS (Software as a Service - Phần mềm như dịch vụ), được tạo điều kiện bằng cách xây dựng SMP có thiết kế tốt và các máy chủ cụm trong kiến trúc lưới tạo ra những các ứng dụng hữu ích nói chung cho người dùng trên mạng. Ví dụ, tất cả các ứng dụng từ lịch chia sẻ, điều khiển và quản lý phiên bản mã nguồn, thư điện tử, và nhiều môi trường cho mạng xã hội đã sinh ra từ các ứng dụng Web. Xu hướng này đang lớn dần và bắt đầu được áp dụng vào cả các ứng dụng máy tính cá nhân cầm tay (HPC).

Các yếu tố xanh

Chi phí của quy mô không chỉ là chi tiết tiền vốn để bổ xung khả năng xử lý mới, các kênh vào/ra bộ nhớ, thiết bị lưu trữ, hay hệ thống mạng — mà còn là chi phí để cung cấp năng lượng, làm mát, đặt chỗ, và quản lý các tài nguyên mới này. Mặc dù kiến trúc lưới và điện toán tự trị có thể trợ giúp quy mô quản lý, yếu tố xanh của các hệ thống con và các thành phần là then chốt để hạ thấp chi tiêu của quá trình. Nhiều xu hướng cũng hữu dụng, bao gồm lưu trữ tốn ít điện năng hơn sử dụng các ổ đĩa ngắn hạn thể rắn (SSD - solid state disk) và các dãy đĩa dạng nhỏ.

Cũng giống vậy, cuộc chạy đua không nao núng để tốc độ xung cao hơn của các bộ xử lý đã cung cấp rất nhiều lõi với thiết kế và phương pháp quy mô SMP tốt hơn cho các nút phân cụm. Cả hai đều giúp hạ giá thành xuống. Hầu hết trường hợp, dự định của khách hàng dựa trên chi phí ban đầu, như là giá tiền trên mỗi Gb, hơn là các tiêu chí giá thành điện năng và hiệu suất, mà sẽ trở nên quan trọng hơn khi hệ thống được mở rộng ra qua các hoạt động lâu dài. Thêm vào đó, việc quản lý và tổng chi phí sở hữu (TCO) cũng là những cân nhắc quan trọng, cùng với các yếu tố xanh.

Kết luận

Quy mô có thể thay đổi là bài tập về việc lập kế hoạch giải pháp máy chủ, nó đòi hỏi sự ước tính về nhu cầu tương lai, ngân quỹ, và sự cân đối giữa giá khởi đầu và chi phí trong một quá trình lâu dài. Hầu hết hệ thống không có các yêu cầu với máy tính cá nhân cầm tay vì rất khó đạt được, mà chỉ là các nhu cầu quy mô máy khách và dịch vụ đơn giản. Với một vài sự phân tích thận trọng và sự lựa chọn của các nút SMP cơ sở và thiết kế cụm máy, bạn có thể mở rộng các hệ thống này hiệu quả với chi phí tối thiểu nếu tài nguyên được cân đối từ đầu và tiếp tục duy trì. Cũng đừng coi nhẹ sự thay đổi quy mô quản lý, và điện toán lưới cũng cung cấp một số tài nguyên rất lớn cho các cân nhắc để tránh gánh nặng IT vì mở rộng quá nhiều với các hệ thống.

Theo IBM.