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

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Uso de extensiones de iSCSI para RDMA (iSER) para mejorar el rendimiento del NAS de QNAP en VMware® ESXi

1. Desafíos

En un entorno de virtualización, los controladores, la configuración del almacenamiento, la red, hipervisor y las aplicaciones son factores críticos del rendimiento y estabilidad total. El personal de TI para las empresas pequeñas y medianas (SMB) a menudo requieren optimizar el rendimiento e identificar los embotellamientos.

Como proveedor de almacenamiento comprometido con el mercado de las SMB, QNAP reconoce estos desafíos y comprende que la clave para aumentar el rendimiento del almacenamiento no sólo yace en el sistema de almacenamiento, sino también en la red de almacenamiento. QNAP ahora es compatible con las extensiones de iSCSI para RDMA (iSER), una solución que las empresas han adoptado durante años, en la mayoría de las series de los productos NAS de QNAP para SMB. Nuestra meta es ofrecer a los profesionales de las TI una solución imprescindible que pueda mejorar en gran manera el rendimiento en entornos virtualizados, y permitir que aumente la eficiencia general de las TI.

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

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

En la versión 4.3.3 de QTS y posteriores, iSER puede habilitarse en las conexiones del iSCSI entre los servidores de virtualización VMware y el NAS de QNAP basado en Intel o AMD. El único requisito es que cada servidor y NAS tengan una tarjeta de red compatible con iSER.

El protocolo de iSER es distinto al iSCSI tradicional, ya que permite transferir los datos para eludir el controlador de red y las capas de conexión, y entrar en las memorias intermedias del servidor de ESXi o directamente en el NAS. Lo anterior permite tener mejor rendimiento en la transferencia de datos, además de reducir tanto la latencia como la carga del CPU en el NAS.

QNAP descubrió que el rendimiento de las máquinas virtuales puede aumentar de un 60% a un 100%* con iSER. También, la latencia del acceso aleatorio puede disminuirse en un 50% o más. Estos resultados de la prueba demuestran que las iSER son adecuadas en especial para las empresas que utilizan el NAS de QNAP como almacenamiento de datos de VMware ESXi, que alojan aplicaciones de negocios o como infraestructura de escritorio virtual (VDI). 

Los siguientes capítulos presentan los requisitos del sistema y los pasos requeridos para habilitar el iSER en un entorno de virtualización. El documento también ofrece una demostración básica de cómo el iSER puede mejorar el funcionamiento de un NAS de almacenamiento híbrido con Qtier(™) y un NAS completamente portátil.

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

* Consulte el capítulo 5 para conocer la configuración de las pruebas y los resultados. Las mejoras del rendimiento variarán dependiendo de la configuración de su sistema.

3. Requisitos del sistema

Habilitar iSER en su entorno de QNAP y VMware requiere lo siguiente:

  • Uno o más NAS de QNAP con un CPU Intel o AMD que ejecute QTS 4.3.3 o posterior.
  • Uno o más servidores VMware ESXi (actualmente sólo QTS admite iSER con VMware ESXi).
  • Tarjeta de red compatible con iSER para cada NAS de QNAP y servidor VMware ESXi.
  • Es necesario que el controlador** de compatibilidad MLNX-OFED-ESX-1.9.10.5 de iSER esté instalado en el ESXi 5.5 y 6.0 de VMware.  El controlador está disponible en http://www.mellanox.com/page/products_dyn?product_family=29
    Nota: El ESXi 6.5 de VMware todavía no es compatible con el protocolo iSER actualmente.
  • El NAS y los servidores de ESXi deben conectarse con un interruptor Mellanox compatible con iSER*** o directamente sin interruptor.
    Nota: También es posible utilizar otros interruptores compatibles con PFC (control de prioridad de flujo); pero en ese caso, no es posible garantizar la cantidad de aumento del rendimiento del iSER.

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

Modelo Espec. Producto
LAN-10G2SF-MLX con doble puerto de 10 GbE Adaptador: Mellanox Connect-3 Pro EN Conector: SFP+
LAN-40G2SF-MLX con doble puerto de 40 GbE Adaptador: Mellanox ConnectX-3 Pro EN Conector: QSFP

** Este controlador está diseñado específicamente para habilitar el iSER. Instalarlo puede afectar el rendimiento normal de la conexión de iSCSI.

*** Enseguida se presenta una lista de tarjetas de Ethernet e interruptores Mellanox recomendados para utilizarse con el iSER. Los interruptores del espectro Mellanox proveen latencia consistente ultra baja y conmutación sin bloqueo a la velocidad de la línea sin pérdida de paquetes. Combinados con la administración óptima de la congestión, los interruptores de Mellanox permiten el máximo rendimiento del iSER. Para obtener más información acerca de las tarjetas de red e interruptores compatibles con iSER, consulte el sitio web oficial de Mellanox o contacte a un distribuidor autorizado.

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

4. Implementación de iSER en un entorno existente de virtualización de VMware

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

4-1. Configuración de los parámetros de red en el NAS

Antes de cambiar la configuración, asegúrese de que el NAS de QNAP es un modelo basado en Intel o AMD, y que se está ejecutando QTS 4.3.3 o posterior.

  1. Apague el NAS y el servidor VMware ESXi, e instale una tarjeta de red compatible con iSER para cada dispositivo.
  2. Conecte el NAS y el servidor la NAS y el servidor de VMware ESXi, vía un interruptor iSER-compatible, o conectándolos directamente.
  3. Encienda el NAS y el servidor ESXi.
  4. Inicie sesión en QTS en el NAS y vaya a “Panel de control” > “Red & Interruptor virtual” > “Interfaces”. Busque las interfaces que pertenecen a la tarjeta de red compatible con iSER y asignarles una dirección IP estática a cada una. También se recomienda fijar la opción “Jumbo Frame” en 9,000 para maximizar la mejora del rendimiento al utilizar iSER.
Edite el adaptador de la tarjeta de red recién agregada desde la opción "Network & Virtual Switch". La configuración de Jumbo Frame puede encontrarse al hacer clic en el icono "Configurar".

4-2. Instalación del controlador iSER de Mellanox (no aplica para VMware ESXi 6.5 o posterior).

El controlador iSER de Mellanox debe instalarse en cada servidor ESXi. Nota: El VMware ESXi 6.5 y posteriores admiten iSER de forma nativa y no requiere este controlador.

  1. Descargue el controlador iSER de Mellanox MLNX-OFED-ESX-1.9.10.5 desde http://www.mellanox.com/page/products_dyn?product_family=29
  2. Cargue el controlador en el servidor ESXi. En este tutorial, guardamos el controlador en el NAS directamente, y después utilizamos Putty y SSH para cargar el controlador en el servidor ESXi.
Utilice el comando #scp para cargar el controlador en el directorio raíz del servidor ESXi.
  1. (Opcional) Elimine cualquier todas las versiones anteriores del controlador.
    La versión v1.9.10.5 del controlador no puede utilizarse al mismo tiempo que ninguna otra versión del mismo controlador. Si alguna versión del controlador, excepto MLNX-OFED-ESX-1.9.10.5, ya está instalada, suspenda todas las operaciones y máquinas virtuales del servidor ESXi, y después elimine el controlador existente.

    Ejecute el comando esxcli software vib list | grep mlx para confirmar la versión y el nombre del controlador instalado actualmente. Enseguida se muestra el comando para eliminar una versión anterior del controlador, el cual está compuesto por 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. Después de completar la instalación, reinicie el VMware ESXi y ejecute el comando esxcli software vib list | grep mlx para verificar que los controladores net-mlx4-core, net-mlx4-en y net-mlx4-ib están instalados y todos sean versión 1.9.10.5-10EM-600.0.0.2494585.
Puede utilizarse Putty para instalar el controlador en un servidor ESXi.

4-3. Configuración de los parámetros de red en el servidor ESXi

Esta sección le dirige a través de la configuración de la conexión del 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 de “Configuración” > “Redes” y haga clic en “Añadir red” para abrir el “Asistente para añadir red.
Agregue un nuevo interruptor virtual para el servidor ESXi desde el vCenter.
  1. Si desea que el SO anfitrión tenga acceso a la interfaz de red, seleccione “Máquina virtual” como “Tipo de conexión” y haga clic en “Siguiente” primero, si no, vaya al paso 6.
  2. En la página de “Acceso a la red”, seleccione la tarjeta de red compatible con iSER recién instalada. Haga clic en “Siguiente” y “Siguiente”, dejando toda la configuración como predeterminada, y después haga clic en “Terminar” far completar el asistente para “Añadir red”.
Seleccione la tarjeta de red recién agregada para continuar.
  1. Haga clic en “Añadir red” nuevamente. Seleccione “VMkernel” como “Tipo de conexión”, asegúrese de que la tarjeta de red compatible con iSER recién instalada esté seleccionada y siga el asistente hasta completar la configuración. Deje las propiedades de “Grupo de puertos” como predeterminadas.
  2. En la página de “Configuración de la IP”, especifique una dirección IP estática para el adaptador de red. Después, haga clic en “Siguiente” y en “Finalizar” para cerrar el asistente.
Continúe para agregar el tipo de VMkernel y especifique una dirección IP estática para la tarjeta de red.
  1. Asegúrese de ver el nuevo interruptor virtual para la tarjeta de red iSER en la pantalla de “Configuración” > “Redes”.
El nuevo interruptor virtual contiene la red de la VM (opcional) y VMkernel.

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

  1. Inicie sesión en VMware vCenter.
  2. Seleccione el servidor VMware ESXi en el panel izquierdo.
  3. Vaya a la pestaña de “Configuración” > “Adaptadores del almacenamiento”. En esta página, debe poder ver el iSER mostrado como “adaptador de iSCSI sobre RDMA (iSER) de Mellanox” además del “Adaptador del software iSCSI” existente.
    Nota: Si está configurando un entorno de virtualización nuevo, primero necesita crear el “adaptador del software iSCSI” y después reiniciar el servidor ESXi para ver el adaptador del “iSCSI sobre RDMA (iSER) de Mellanox”.
    El adaptador del iSCSI sobre RDMA (iSER) de Mellanox aparece después de que se realizaron los ajustes en la configuración de la red del NAS y el VMware ESXi de la sección 4-3
  4. Seleccione el dispositivo del “adaptador del software iSCSI” y haga clic en “propiedades”.
  5. Elimine todos los enlaces de puertos existentes desde la lista de la pestaña “Configuraciones de red”. También elimine todos los destinos iSCSI de las listas de las pestañas “Descubrimiento dinámico” y “Descubrimiento estático”. De esta manera se asegura de que las conexiones sólo utilicen el protocolo iSER.
    Elimine todos los elementos de las listas que se encuentran en "Configuración de red”, “Descubrimiento dinámico” y Descubrimiento estático”
  6. Cierre las propiedades para el adaptador del software iSCSI. En la página de “Configuración” > “Adaptadores del almacenamiento”, seleccione el dispositivo que se encuentre bajo la opción “adaptador del iSCSI sobre RDMA (iSER) de Mellanox” y haga clic en “Propiedades”.
  7. En la pestaña de “Configuración de red”, haga clic en “Añadir” para crear un enlace con el puerto de VMKernel. Seleccione el VMKernel creado para la conexión del iSER en la sección 4-3.
    Edite las propiedades del dispositivo para el adaptador del iSCSI sobre RDMA (iSER) de Mellanox y agregue el interruptor virtual de iSER para volver a explorar el destino iSCSI.
  8. Repita los pasos 5 y 6 para cada dispositivo debajo de la opción "Adaptador del iSCSI sobre RDMA (iSER) de Mellanox" que requiera una conexión iSER.

    El destino iSCSI y el LUN de QNAP ahora estarán conectados de manera automática por medio de la nueva interfaz del iSER.
    El LUN iSCSI del NAS de QNAP se conecta por medio del adaptador iSER.

5. Rendimiento de pruebas y resultados

El equipo de pruebas de QNAP utilizó lo siguiente para medir los beneficios del rendimiento del iSER en comparación con el iSCSI regular:

NAS de QNAP

  • TVS-EC2480-SAS-RP: matriz de almacenamiento híbrido
  • TES-EC3085U: matriz de almacenamiento completamente portátil

VMware

  • Grupo de cinco servidores Dell PowerEdge R420 para VMware ESXi 6.0. Cada servidor tiene un CPU Intel Xeon E5-2450 y 128 GB en RAM.
  • SO de la máquina virtual: Windows 2012 R2 de 64 bit

Conexiones de red

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

Nota: Para demostrar aumento en el rendimiento, sólo se utilizó un cable de 40 GbE para conectar cada NAS de 40 GbE de Mellanox. Sin embargo, en condiciones normales es posible configurar múltiples conexiones de 10 GbE y 40 GbE y múltiples interruptores para aumentar aún más el rendimiento y la capacidad de almacenamiento con el iSER.

SE instaló un IOmeter en cada servidor VMware ESXi y está configurado con los siguientes ajustes.

IOmeter (procesamiento del iSCSI)
Entradas y salidas excepcionales → 1 por destino Procesamiento de escritura → 2M en secuencia 100%
Escritura 100%
Trabajadores → 20 Procesamiento de lectura → 2M en secuencia 100%
Lectura 100%
Periodo de arranque → 30 segundos Tamaño de la transferencia → archivo de 16 GB
IOmeter (iSCSI IOPS)
Entrada y salida extraordinaria → 1 por destino IOPS de escritura → 4K en secuencia 100%
Escritura 100%
Trabajadores → 20 IOPS de lectura → 4K en secuencia 100%
Lectura 100%
Periodo de arranque → 30 segundos Tamaño de la transferencia → archivo de 16 GB

Nota: Esta prueba utilizó configuraciones comunes del IOmeter. Los patrones de acceso al mundo real dependen de la aplicación.

5-1. Una VM con Qtier™: El rendimiento de la lectura y escritura en secuencia aumentó 100% con iSER para alcanzar 4000 MB/s

En esta prueba, comprobamos el rendimiento de una máquina virtual conectada al NAS de almacenamiento híbrido. Este tipo de configuración es común para las aplicaciones de negocios como los servidores de correo, que requieren tanto buen desempeño como alta capacidad de almacenamiento.

Especificaciones del NAS
Modelo QNAP TVS-EC2480-SAS-RP
CPU Intel Xeon E3-1246
Memoria 32GB
Configuración del almacenamiento 12 SSD SAS Seagate, RAID 10
12 discos duros Seagate Sab, RAID 6
1 grupo de almacenamiento, 1 grupo basado en bloques LUN iSCSI
Tarjeta de red Tarjeta de red de 40 GbE LAN-40G2SF-MLX

En los resultados de la prueba, observamos un aumento mayor al 100% en las velocidades de lectura y escritura en secuencia, con lo cual alcanza una velocidad de lectura en secuencia mayor a 4,000 MB/s. Este resultado demuestra que el iSER puede mejorar de manera significativa el rendimiento de la lectura y escritura en secuencia de las aplicaciones de alta demanda.



5-2. Cinco VMs con Qtier™: El rendimiento de la lectura y escritura aleatorias aumentó un 80% con iSER al alcanzar 180,000 IOPS

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

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



5-3. Cinco VMs con todo el almacenamiento completamente portátil: El rendimiento de la lectura y escritura aleatorias aumentó un 60% con iSER al alcanzar 250,000 IOPS

En la prueba anterior, cada VM podía alcanzar hasta 36,000 IOPS al utilizar el NAS de almacenamiento híbrido con Qtier™. Para ciertas aplicaciones de negocios como SQL server, estos resultados aún deben mejorarse. Para explorar aún más los beneficios de utilizar iSER, cambiamos el NAS por un TES-3085U de QNAP. Éste es un NAS de almacenamiento completamente portátil con 30 ranuras de SSD. El NAS se conectó a cinco máquinas virtuales de VMware.

Esta configuración de la prueba no requiere Qtier, por lo que ya no se necesita un grupo de almacenamiento mayor. Para esta prueba, los 30 SSD se dividieron en 5 grupos de almacenamiento, cada uno contenía un LUN iSCSI basado en bloques. Esta configuración del almacenamiento disminuye el riesgo de pérdida de datos y también aumenta el rendimiento, ya que es posible recuperar los metadatos de manera independiente de cada grupo de almacenamiento.

Especificaciones del NAS
Modelo TES-3085U de QNAP
CPU Intel Xeon D-1548
Memoria 32GB
Configuración del almacenamiento 30 SSD Samsung Sab, RAID 10
5 grupos 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 mostrar el rendimiento total de lectura y escritura. El rendimiento de la lectura y escritura aleatorias aumentó más del 80% con iSER al alcanzar 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 del SQL. La latencia se redujo a 0.3 ms, en comparación con 1.1 ms con iSCSI.


5-4. Conclusiones de la prueba

Con el iSER, el rendimiento de lectura y escritura aleatorias de múltiples máquinas virtuales puede aumentarse hasta en un 80%, y la latencia puede reducirse aproximadamente el 50%. Estos resultados se aplican tanto al almacenamiento híbrido como a un NAS completamente portátil.

La conclusión del equipo de pruebas de QNAP es que el iSER puede aumentar de forma efectiva el rendimiento de un NAS de QNAP, cuando se utiliza como un almacén de datos de VMware ESXi. Esto aumenta el rendimiento de las aplicaciones clave que se ejecutan en el grupo de VMware. Al agregar la compatibilidad con iSER a QTS, QNAP demuestra innovación y compromiso de proveer un almacenamiento eficiente y con rápido rendimiento para sus clientes alrededor del mundo.

QNAP cree que el iSER es una opción excelente para los profesionales de TI que desean aumentar el rendimiento de las aplicaciones de la empresa. En el futuro QNAP continuará las pruebas del iSER con diferentes configuraciones y después publicará los resultados de la prueba. 

Fecha de liberación: 2017-05-25
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