QNAP Systems, Inc. - almacenamiento conectado en red (NAS)

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Usar extensiones iSCSI para RDMA (iSER) para mejorar el rendimiento de QNAP NAS con VMware® ESXi

1. Desafíos

En un entorno de virtualización, las unidades, la configuración de almacenamiento, la red, el hipervisor y las aplicaciones son todos factores clave en el rendimiento y la estabilidad generales. A menudo es necesario personal informático para pequeñas y medianas empresas (pymes) a fin de optimizar el rendimiento e identificar posibles problemas.

Como proveedor de almacenamiento comprometido con el mercado de las pymes, QNAP reconoce estos desafíos y entiende que la clave para aumentar el rendimiento de almacenamiento no solo reside en el sistema de almacenamiento sino también en la red de almacenamiento. Ahora QNAP es compatible con las extensiones iSCSI para RDMA (iSER), una solución que algunas empresas ya llevan años utilizando, en todas las series principales de los productos QNAP SMB NAS. Nuestro objetivo es proporcionar profesionales de TI con una solución indispensable que pueda mejorar considerablemente el rendimiento en entornos virtualizados, y permitir que aumente la eficiencia informática general de sus negocios.

Habilitar iSER aumenta el rendimiento de un QNAP NAS de almacenamiento híbrido con Qtier™ en más de un 50 % en las pruebas de laboratorio de QNAP. Consulte el capítulo 5 para más detalles.

2. Introducción a las extensiones iSCSI para RDMA (iSER)

En la versión QTS 4.3.3 y posterior, iSER puede habilitarse en conexiones iSCSI entre servidores de virtualización VMware y QNAP NAS basados en Intel o AMD. El único requisito es que cada servidor y NAS tenga una tarjeta de red compatible con iSER.

El protocolo iSER es diferente al iSCSI tradicional, ya que permite que los datos se transfieran para omitir el controlador de red y las capas de conexiones e introducir los búfers de memoria del servidor ESXi o el NAS directamente. Esto aporta un mejor rendimiento de transferencia de datos y también reduce tanto la latencia como la carga de la CPU del NAS.

QNAP ha descubierto que el rendimiento de las máquinas virtuales puede aumentar entre un 60 % y 100 % con iSER. Además la latencia de acceso aleatorio puede reducirse en un 50 % o más. Los resultados de esta prueba indican que iSER es especialmente adecuado para empresas que usen QNAP NAS como almacenes de datos VMware ESXi, aplicaciones de empresas de alojamiento o infraestructura de escritorio virtual (VDI, por sus siglas en inglés). 

Los siguientes capítulos enumeran los requisitos del sistema y los pasos necesarios para habilitar iSER en un entorno de virtualización. El documento también ofrece una demostración básica sobre cómo iSER puede mejorar el rendimiento de un NAS de almacenamiento híbrido usando Qtier(™), y un NAS totalmente flash.

iSER (derecha) omite TCP/IP, el controlador de red y la biblioteca de conexiones para transferir datos directamente a una aplicación o memoria de almacenamiento.

*Consulte el capítulo 5 para la configuración y los resultados de la prueba. Las mejoras de rendimiento variarán en función de la configuración del sistema

3. Requisitos del sistema

Habilitar iSER en su QNAP y entorno VMware necesita lo siguiente:

  • Uno o más QNAP NAS con una CPU Intel o AMD, ejecutado con la versión QTS 4.3.3 o posterior.
  • Uno o más servidores VMware ESXi (actualmente QTS solo admite iSER con VMware ESXi).
  • Una tarjeta de red compatible con iSER para cada QNAP NAS y servidor VMware ESXi.
  • El controlador de compatibilidad iSER** MLNX-OFED-ESX-1.9.10.5 debe instalarse en VMware ESXi 5.5 y 6.0.  El controlador está disponible en http://www.mellanox.com/page/products_dyn?product_family=29
    Nota: VMware ESXi 6.5 actualmente no es compatible con el protocolo iSER.
  • El NAS y los servidores VMware ESXi deben conectarse a un conmutador Mellanox compatible con iSER*** o conectarse directamente sin un conmutador.
    Nota: Otros conmutadores compatibles con PFC (control de flujo basado en prioridades) también pueden utilizarse, pero en ese caso la cantidad de aumento de rendimiento de iSER no puede garantizarse.

*Las tarjetas de red actuales que pueden utilizarse con iSER se enumeran a continuación. Para comprar tarjetas de expansión, visite el sitio web de QNAP o contacte con un distribuidor autorizado.

Modelo Especificaciones Producto
LAN-10G2SF-MLX de 40 GbE con dos puertos Adaptador: Mellanox Connect-3 Pro EN Conector: SFP+
LAN-40G2SF-MLX de 40 GbE con dos puertos Adaptador: Mellanox ConnectX-3 Pro EN Conector: QSFP

** Este controlador está especialmente diseñado para habilitar iSER. Instalarlo puede afectar al rendimiento de conexión normal de iSCSI.

***A continuación, hay una lista de tarjetas de Ethernet Mellanox y conmutadores recomendados para usar con iSER. Los conmutadores Mellanox Spectrum ofrecen de forma consistente una latencia ultrabaja y conmutación sin bloqueo en la tasa lineal sin pérdida de paquetes. En combinación con la gestión de congestión óptima, los conmutadores Mellanox permiten el máximo rendimiento de iSER. Para más información sobre tarjetas de red y conmutadores compatibles con iSER, consulte el sitio web oficial de Mellanox o contacte con un distribuidor autorizado.

Tarjeta de red Especificaciones
MCX311A-XCCT Tarjeta de interfaz de red ConnectX®-3 Pro EN, 10GbE, SFP+ de un solo puerto, PCIe3.0 x8 8GT/s, soporte alto, RoHS R6
MCX312B-XCCT Tarjeta de interfaz de red ConnectX®-3 Pro EN, 10GbE, SFP+ de dos puertos, PCIe3.0 x8 8GT/s, soporte alto, RoHS R6
MCX312C-XCCT Tarjeta de interfaz de red ConnectX®-3 Pro EN, 10GbE, SFP+ de dos puertos, PCIe3.0 x8 8GT/s, soporte alto, RoHS R6
MCX313A-BCCT Tarjeta de interfaz de red ConnectX®-3 Pro EN, 40/56GbE, QSFP de un solo puerto, PCIe3.0 x8 8GT/s, soporte alto, RoHS R6
MCX314A-BCCT Tarjeta de interfaz de red ConnectX®-3 Pro EN, 40/56GbE, QSFP de dos puertos, PCIe3.0 x8 8GT/s, soporte alto, RoHS R6
MCX342A-XCPN Tarjeta de interfaz de red ConnectX®-3 Pro EN para OCP, 10GbE, SFP+ de dos puertos, PCIe3.0 x8, sin soporte, RoHS R6
MCX342A-XCQN Tarjeta de interfaz de red ConnectX®-3 Pro EN para OCP con IPMI y NC-SI, 10GbE, SFP+ de dos puertos, PCIe3.0 x8, sin soporte, RoHS R6
MCX345A-BCPN Tarjeta de interfaz de red ConnectX®-3 Pro EN para OCP, 40GbE, QSFP de un solo puerto, PCIe3.0 x8, sin soporte, RoHS R6
MCX345A-BCQN Tarjeta de interfaz de red ConnectX®-3 Pro EN para OCP con IPMI y NC-SI, 40GbE, QSFP de un solo puerto, PCIe3.0 x8, sin soporte, RoHS R6
MCX346A-BCPN Tarjeta de interfaz de red ConnectX®-3 Pro EN para OCP, 40GbE, QSFP de dos puertos, PCIe3.0 x8, sin soporte, RoHS R6
MCX346A-BCQN Tarjeta de interfaz de red ConnectX®-3 Pro EN para OCP con IPMI y NC-SI, 40GbE, QSFP de dos puertos, PCIe3.0 x8, sin soporte, RoHS R6
 
Modelo Especificaciones
MSN2700-BS2F Conmutador de Ethernet abierto de 1U con 40 GbE basado en Spectrum™ con MLNX-OS, 32 puertos QSFP 28
MSN2700-BS2R Conmutador de Ethernet abierto de 1U con 40 GbE basado en Spectrum™ con MLNX-OS, 32 puertos QSFP 28
MSN2410-BB2F Conmutador de Ethernet abierto de 1U con 10 GbE/100 GbE basado en Spectrum™ con MLNX-OS, 48 puertos SFP 28
MSN2100-BB2F Conmutador de Ethernet abierto de 1U con 40 GbE basado en Spectrum™ con MLNX-OS, 16 puertos QSFP 28
MSN2100-BB2R Conmutador de Ethernet abierto de 1U con 40 GbE basado en Spectrum™ con MLNX-OS, 16 puertos QSFP 28

4. Implementar iSER en un entorno de virtualización VMware existente

Este capítulo contiene instrucciones sobre cómo habilitar iSER o una conexión iSCSI entre un QNAP NAS y un servidor VMware ESXi. Si su entorno contiene múltiples NAS o múltiples servidores VMware, siga los pasos correspondientes para cada NAS y servidor.

4-1. Configurar los ajustes de red del NAS

Antes de cambiar cualquier configuración, asegúrese de que el QNAP NAS sea un modelo basado en Intel o AMD, y que se esté ejecutando con la versión QTS 4.3.3 o posterior.

  1. Apague el NAS y el servidor VMware ESXi e instale una tarjeta de red compatible con iSER en cada dispositivo.
  2. Conecte el NAS y el servidor VMware ESXi, tanto mediante un conmutador compatible con iSER o conectándolos directamente.
  3. Encienda el NAS y el servidor ESXi.
  4. Inicie sesión en QTS el NAS y acceda a “Panel de control” > “Conmutador virtual y de red” > “Interfaces”. Encuentre las interfaces que pertenecen a la tarjeta de red compatible con iSER y asigne a cada una su dirección IP estática. También se recomienda configurar “Jumbo Frame” a 9000 para maximizar las mejoras de rendimiento al usar iSER.
Edite el adaptador de la tarjeta de red recientemente añadida en "Conmutador virtual y de red". Se puede acceder a la configuración de Jumbo Frame haciendo clic en el icono "Configurar".

4-2. Instalar el controlador Mellanox iSER (no aplicable para VMware ESXi 6.5 o posterior)

El controlador Mellanox iSER debe instalarse en cada servidor ESXi. Nota: VMware ESXi 6.5 y posterior es compatible de forma nativa con iSER y no necesita este controlador.

  1. Descargue el controlador Mellanox iSER MLNX-OFED-ESX-1.9.10.5 desde http://www.mellanox.com/page/products_dyn?product_family=29
  2. Cargue el controlador al servidor ESXi. En este tutorial, guardamos el controlador directamente en el NAS y a continuación use Putty y SSH para cargar el controlador en el servidor ESXi.
Use el comando #scp para cargar el controlador al directorio raíz del servidor ESXi.
  1. (Opcional) Borre cualquier versión anterior del controlador.
    El controlador v1.9.10.5 no puede utilizarse a la misma vez que cualquier otra versión del mismo controlador. Si ya se ha instalado una versión del controlador diferente a MLNX-OFED-ESX-1.9.10.5, detenga todas las operaciones y máquinas virtuales del servidor ESXi y a continuación borre el controlador existente.

    Ejecute el comando esxcli software vib list | grep mlx para confirmar la versión y el nombre del controlador actualmente instalado. Más abajo está el comando para eliminar una versión anterior del controlador, la cual tiene tres partes: nmlx4-core, nmlx4-en y nmlx4-rdma.
    esxcli software vib remove -n (nmlx4-core)
    esxcli software vib remove -n (nmlx4-en)
    esxcli software vib remove -n (nmlx4-rdma)
  2. Ejecute el siguiente comando para instalar el nuevo controlador:
    esxcli software vib install -d /MLNX-OFED-ESX-1.9.10.5-10EM-600.0.0.2494585.zip
  3. Tras finalizar la instalación, reinicie VMware ESXi y ejecute el comando esxcli software vib list | grep mlx para comprobar que los controladores net-mlx4-core, net-mlx4-en y net-mlx4-ib están instalados y que todos son la versión 1.9.10.5-10EM-600.0.0.2494585.
Putty puede utilizarse para instalar el controlador en un servidor ESXi.

4-3. Configurar los ajustes de red del servidor ESXi

Esta sección le guiará durante la configuración de la conexión iSER en un servidor ESXi.

  1. Inicie sesión en VMware vCenter.
  2. Seleccione el servidor VMware ESXi en el panel izquierdo.
  3. Vaya a la pestaña “Configuración” > “Redes” y haga clic en “Añadir redes” para abrir el “Asistente para añadir red“.
Añada un nuevo conmutador virtual para el servidor ESXi desde vCenter.
  1. Si desea permitir que el sistema operativo invitado pueda acceder a la interfaz de red, seleccione “Máquina virtual” como el “Tipo de conexión” y haga clic primero en “Siguiente”, de lo contrario, vaya al paso 6.
  2. En la página de “Acceso a redes”, seleccione la tarjeta de red compatible con iSER recientemente instalada. Haga clic en “Siguiente” y “Siguiente” dejando toda la configuración predeterminada y, a continuación, haga clic en “Finalizar” para completar el “Asistente para añadir red”.
Seleccione la tarjeta de red recientemente añadida para continuar.
  1. Vuelva a hacer clic en “Añadir redes”. Seleccione “VMkernel” como el “Tipo de conexión”, asegúrese de que la tarjeta de red compatible con iSER recientemente instalada esté seleccionada y siga el asistente para completar la configuración. Deje las propiedades predeterminadas del “Grupo de puertos”.
  2. En la página “Configuración de IP”, indique una dirección IP estática para el adaptador de red. A continuación, haga clic en “Siguiente” y “Finalizar” para cerrar el asistente.
Siga para añadir el tipo de VMkernel e indique una IP estática para la tarjeta de red.
  1. Asegúrese de visualizar el nuevo conmutador virtual para la tarjeta de red iSER en la pantalla “Configuración” > “Redes”.
El nuevo conmutador virtual contiene la red de la VM (Opcional) y VMkernel.

4-4. Cambiar la conexión de red de iSCSI a iSER

  1. Inicie sesión en VMware vCenter.
  2. Seleccione el servidor VMware ESXi en el panel izquierdo.
  3. Vaya a la pestaña “Configuración” > “Adaptadores de almacenamiento”. En esta página, debería aparecer el iSER como “Mellanox iSCSI mediante Adaptador RDMA (iSER)” además del “Adaptador del software iSCSI” existente.
    Nota: Si está configurando un nuevo entorno de virtualización, primero debe crear el “Adaptador del software iSCSI”, a continuación, reinicie el servidor ESXi para ver el Adaptador “Mellanox iSCSI mediante RDMA (iSER)”.
    El Adaptador Mellanox iSCSI mediante RDMA (iSER) aparecerá después de configurar el NAS y la red VMware ESXi en la sección 4-3.
  4. Seleccione el dispositivo “Adaptador del software iSCSI” y haga clic en “Propiedades”.
  5. Elimine todos los enlaces de puertos de la lista de la pestaña “Configuraciones de red”. También elimine todos los objetivos iSCSI de las listas de las pestañas “Detección dinámica” y “Detección estática”. Esto garantiza que las conexiones solo utilicen el protocolo iSER.
    Borre todos los elementos de las listas en "Configuración de red", "Detección dinámica" y "Detección estática".
  6. Cierre las propiedades del adaptador del software iSCSI. En la página “Configuración” > “Adaptadores de almacenamiento”, seleccione el dispositivo en “Adaptador Mellanox iSCSI mediante RDMA (iSER)” y haga clic en “Propiedades”.
  7. En la pestaña “Configuración de red”, haga clic en “Añadir” para crear un nuevo enlace de puertos VMKernel. Seleccione el VMKernel creado para la conexión iSER en la sección 4-3.
    Edite las propiedades del dispositivo del Adaptador Mellanox iSCSI mediante RDMA (iSER) y añada el conmutador virtual iSER para volver a buscar el objetivo iSCSI.
  8. Repita los pasos 5 y 6 por cada dispositivo en "Adaptador Mellanox iSCSI mediante RDMA (iSER)" que requiera una conexión iSER.

    El objetivo y el LUN iSCSI de QNAP ahora se conectarán de forma automática usando la nueva interfaz iSER.
    El LUN iSCSI del QNAP NAS se conecta usando el adaptador iSER.

5. Pruebas y resultados de rendimiento

El siguiente equipo fue utilizado por el equipo de pruebas de QNAP para medir las ventajas de rendimiento de iSER comparado con un iSCSI estándar:

QNAP NAS

  • TVS-EC2480-SAS-RP: matriz híbrida de almacenamiento.
  • TES-EC3085U: matriz de almacenamiento totalmente flash.

VMware

  • El clúster VMware ESXi 6.0 de cinco servidores Dell PowerEdge R420. Cada servidor tenía una CPU Intel Xeon E5-2450 y 128GB de RAM.
  • Sistema operativo de la máquina virtual: Windows 2012 R2 64bit.

Redes

  • Tarjeta de red Mellanox 40GbE LAN-40G2SF-MLX, instalada en el NAS y en cada servidor PowerEdge.
  • Conmutador Mellanox 40GbE Spectrum SN2410, conectando con los servidores VMware ESXi y el NAS.

Nota: Para obtener ganancias de rendimiento, solo se utilizó un cable de 40 GbE para conectar cada NAS al conmutador Mellanox de 40 GbE. Sin embargo, en condiciones normales, se pueden configurar varias conexiones de 10 GbE y 40 GbE y varios conmutadores para un mayor aumento del rendimiento y la disponibilidad de almacenamiento con iSER.

Se instaló Iometer en cada servidor VMware ESXi y se utilizó la siguiente configuración.

Iometer (rendimiento iSCSI)
E/S restantes → 1 por objetivo Rendimiento de escritura → 2M secuencial 100 %
Escritura 100 %
Trabajadores → 20 Rendimiento de lectura → 2M secuencial 100 %
Lectura 100 %
Tiempo de incremento → 30 segundos Tamaño de transferencia → archivo de 16 GB
Iometer (IOPS iSCSI)
E/S restantes → 1 por objetivo IOPS de escritura → 4K secuencial 100 %
Escritura 100 %
Trabajadores → 20 IOPS de lectura → 4K secuencial 100 %
Lectura 100 %
Tiempo de incremento → 30 segundos Tamaño de transferencia → archivo de 16 GB

Nota: Durante esta prueba se usó la configuración estándar de Iometer. Los patrones de acceso reales variarán según la aplicación.

5-1. Una VM con Qtier™: El rendimiento de lectura/escritura secuencial aumentó un 100 % con iSER a 4000 MB

En esta prueba, hemos puesto a prueba el rendimiento de una máquina virtual conectada al NAS de almacenamiento híbrido. Este tipo de configuración es habitual para aplicaciones comerciales como servidores de correo, que requieren tanto un rendimiento óptimo como una elevada capacidad de almacenamiento.

Especificaciones del NAS
Modelo QNAP TVS-EC2480-SAS-RP
CPU Intel Xeon E3-1246
Memoria 32GB
Configuración de almacenamiento Seagate SAS SSD x12, RAID 10
Seagate SATA HDD x12, RAID 6
1 conjunto de almacenamiento, 1 LUN iSCSI basado en bloques
Tarjeta de red Tarjeta de red de 40 GbE LAN-40G2SF-MLX

En los resultados de la prueba, se puede observar un aumento de superior al 100 % en las velocidades de lectura y escritura secuencial, alcanzando una velocidad de lectura secuencial superior a 4000 MB. Dichos resultados indican que iSER puede mejorar considerablemente el rendimiento de lectura y escritura secuencial de aplicaciones de alta demanda.



5-2. Cinco VM con Qtier™: el rendimiento de lectura/escritura aleatoria aumentó un 80% con iSER a 180 000 IOPS

Esta segunda prueba utiliza la misma configuración del NAS de almacenamiento híbrido que la prueba anterior. Sin embargo, esta vez se elevó a cinco el número de máquinas virtuales VMware. Este caso de prueba es representativo de una pyme que quiere ejecutar múltiples aplicaciones que requieren acceso aleatorio, tales como una web o la base de datos del servidor de registros en un solo QNAP NAS.

Los resultados de la prueba combinan el rendimiento de todas las máquinas virtuales para mostrar el rendimiento total de lectura y escritura. Los resultados indican que el rendimiento de lectura y escritura aleatoria aumentó más de un 80 % utilizando iSER. La lectura/escritura aleatoria alcanzó un total de 180 000 IOPS con solo 12 SSD en una configuración RAID 10. También se produjo un aumento en las velocidades de acceso secuenciales. 
La latencia se redujo de 0.9 ms a 0.5 ms, mejorando el tiempo de respuesta cuando múltiples aplicaciones requieren acceso aleatorio al mismo NAS.



5-3. Cinco VM con almacenamiento totalmente flash: el rendimiento de lectura/escritura aleatoria aumentó un 60% con iSER a 250 000 IOPS

En la prueba anterior, cada VM podía ganar más de 36 000 IOPS usando el NAS de almacenamiento híbrido con Qtier™. Para determinadas aplicaciones comerciales como el servidor SQL, estos resultados necesitan mejorar más. Para explorar más las ventajas de usar iSER, hemos cambiado el NAS por un QNAP TES-3085U. Esto es un NAS de almacenamiento totalmente flash con 30 ranuras SSD. El NAS estaba conectado a cinco máquinas virtuales VMware.

La configuración de esta prueba no necesita Qtier, por tanto ya no es necesario un conjunto grande de almacenamiento. Para esta prueba las 30 SSD se dividieron en 5 conjuntos de almacenamiento, cada uno con un LUN iSCSI basado en bloques. Esta configuración de almacenamiento reduce el riesgo de pérdida de datos y también aumenta el rendimiento, ya que los metadatos se pueden recuperar independientemente de cada conjunto de almacenamiento.

Especificaciones del NAS
Modelo QNAP TES-3085U
CPU Intel Xeon D-1548
Memoria 32GB
Configuración de almacenamiento Samsung SATA SSD x30, RAID 10
5 conjuntos de almacenamiento
5 LUN iSCSI basados en bloques
Tarjeta de red Tarjeta de red de 40 GbE LAN-40G2SF-MLX

Durante la prueba combinamos el rendimiento de múltiples máquinas virtuales para observar el rendimiento total de lectura y escritura. El rendimiento de lectura y escritura aleatoria aumentó más de un 80 % con iSER, alcanzando un total de 250 000 IOPS. Esto significa que cada VM puede alcanzar hasta 50 000 IOPS. Este número supera 30 000 IOPS, que es la recomendación general para un servidor SQL. Con iSCSI la latencia se redujo a 0.3 ms, comparado con 1.1 ms.


5-4. Conclusiones de la prueba

Con iSER el rendimiento de lectura y escritura aleatoria de múltiples máquinas virtuales puede aumentarse hasta en un 80 % y la latencia puede reducirse en más de un 50 %. Estos resultados son aplicables tanto a un NAS de almacenamiento híbrido como a un NAS totalmente flash.

La conclusión del equipo de pruebas de QNAP es que iSER puede aumentar de forma eficaz el rendimiento de un QNAP NAS cuando se utiliza como un almacén de datos VMware ESXi. Esto aumenta el rendimiento de aplicaciones clave que se ejecutan en el clúster VMware. Añadiendo el apoyo de iSER a QTS, QNAP da una muestra de innovación y compromiso de ofrecer almacenamiento eficiente de rápido rendimiento a sus clientes de todo el mundo.

QNAP cree que iSER es una opción perfecta para profesionales de TI que quieren aumentar el rendimiento de las aplicaciones comerciales. En el futuro QNAP seguirá probando iSER con diferentes configuraciones y después publicará los resultados de las pruebas. 

Fecha de lanzamiento: 2017-05-25
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