Como nodes ampliam a capacidade do storage?

Índice:

• Como nodes ampliam a capacidade do storage?
• A arquitetura por trás do armazenamento em cluster
• O contraste com a expansão vertical (scale-up)
• Desempenho que cresce junto com os dados
• A resiliência em um sistema distribuído
• Gerenciamento simplificado para grandes volumes
• Quando a expansão com nós faz sentido?
• Implementando uma solução de storage escalável

Muitas empresas enfrentam um crescimento contínuo no volume de dados. Esse cenário rapidamente esgota a capacidade em seus sistemas para armazenamento atuais.

A abordagem tradicional para resolver isso envolvia substituir o equipamento inteiro por um modelo maior. Esse processo é caro, complexo e frequentemente causa interrupções nos serviços.

Como resultado, novas arquiteturas surgiram para solucionar esse problema. Um modelo com expansão horizontal que usa nós fornece uma resposta mais flexível e eficiente para esse desafio.

Como nodes ampliam a capacidade do storage?

Os nós ampliam a capacidade do storage ao funcionarem como blocos modulares em uma arquitetura distribuída. Cada nó é um servidor autônomo com seu próprio processador, memória e discos. Quando você adiciona um novo nó a um cluster, seus recursos são integrados ao sistema. Assim, a capacidade total para armazenamento e o poder computacional aumentam sem interrupções.

Essa abordagem difere fundamentalmente da expansão vertical. Em um sistema scale-up, você adiciona mais discos a um chassi existente ou troca as controladoras por modelos mais potentes. Porém, essa estratégia possui limites físicos e de desempenho. Já um sistema com múltiplos nós, conhecido como scale-out, distribui os dados e as cargas de trabalho entre várias máquinas. Isso cria um único pool para armazenamento, muito maior e mais rápido.

Por exemplo, um cluster com três nós de 100 TB cada se apresenta como um único volume com 300 TB. Se a demanda crescer, basta adicionar um quarto nó para alcançar 400 TB. Esse processo é quase instantâneo e não exige migração manual dos arquivos. A simplicidade na expansão é um dos principais atrativos dessa tecnologia para ambientes com crescimento imprevisível.

A arquitetura por trás do armazenamento em cluster

A base para um armazenamento em cluster é um software que unifica múltiplos servidores independentes. Esse sistema faz com que todos os nós operem como uma única entidade lógica. Um sistema para arquivos distribuído, como o GlusterFS ou o Ceph, ou alguma tecnologia proprietária, gerencia a localização dos dados. Ele distribui fragmentos dos arquivos por vários nós no cluster.

Essa distribuição inteligente é fundamental para o desempenho e a resiliência. Quando um usuário solicita um arquivo, o sistema pode ler partes dele a partir de múltiplos nós simultaneamente. Essa paralelização acelera muito as taxas de transferência, principalmente para arquivos grandes. A comunicação entre os nós geralmente ocorre por uma rede dedicada com alta velocidade, como 10GbE ou superior.

Para o administrador do sistema, a complexidade fica oculta. A interface para gerenciamento exibe um único e grande volume de armazenamento. Provisionar espaço para um novo aplicativo ou usuário se torna uma tarefa simples. Não é preciso se preocupar com qual servidor físico irá hospedar os dados, pois o próprio cluster cuida disso automaticamente.

O contraste com a expansão vertical (scale-up)

Sistemas com expansão vertical, ou scale-up, concentram todos os recursos em um único equipamento. Para aumentar a capacidade, você adiciona mais HDDs ou SSDs às baias livres. Quando as baias acabam, a única alternativa é trocar as controladoras ou o storage inteiro por um modelo superior. Essa troca, conhecida como "forklift upgrade", é um projeto caro e arriscado.

O principal problema dessa abordagem é o gargalo no desempenho. Mesmo com muitos discos, todo o tráfego passa por um par de controladoras. Em certo ponto, elas se tornam o fator limitante. Por isso, adicionar mais discos não resulta necessariamente em mais performance. A latência pode aumentar e o IOPS pode cair sob cargas intensas.

Em contrapartida, a expansão horizontal com nós resolve esse problema. Cada novo nó adiciona não apenas capacidade, mas também seus próprios recursos computacionais. Isso significa que o desempenho escala linearmente junto com o espaço. Adicionar um nó a um cluster aumenta a capacidade total em IOPS, a taxa de transferência e o número de conexões simultâneas que o sistema suporta.

Desempenho que cresce junto com os dados

Uma das maiores vantagens em uma arquitetura scale-out é a escalabilidade do desempenho. Em um storage tradicional, o aumento no volume de dados ou no número de usuários frequentemente degrada a performance. Com nós, o efeito é o oposto. Cada nó que você adiciona contribui com seu próprio CPU e memória RAM para o processamento das requisições.

Imagine um ambiente com edição de vídeo 4K. Vários editores acessam arquivos pesados ao mesmo tempo, o que gera uma carga intensa na rede e no armazenamento. Em um sistema com nós, essa carga é distribuída. Um editor pode estar sendo atendido por um conjunto de nós, enquanto outro editor é atendido por um conjunto diferente. Isso evita que um único usuário monopolize os recursos e prejudique os outros.

Essa capacidade para escalar o desempenho é vital para aplicações modernas. Bancos de dados, ambientes de virtualização e plataformas para análise com Big Data exigem baixa latência e alto throughput. Um cluster de armazenamento consegue entregar esses requisitos de forma consistente, mesmo com o crescimento exponencial dos dados. O sistema se adapta dinamicamente à demanda.

A resiliência em um sistema distribuído

A distribuição dos dados por múltiplos nós também melhora muito a tolerância a falhas. Em vez de concentrar todos os arquivos em um único ponto, o sistema utiliza técnicas como replicação ou erasure coding. Com a replicação, cópias idênticas de um dado são armazenadas em nós diferentes. Se um nó falhar, o sistema continua operando normalmente, acessando a cópia em outro nó.

O erasure coding é uma técnica ainda mais eficiente em termos de espaço. Ele divide os dados em fragmentos e adiciona pedaços com paridade. Esses fragmentos são espalhados por vários nós. O sistema consegue reconstruir o dado original mesmo que um ou mais nós fiquem indisponíveis. Essa proteção é similar a um arranjo RAID, mas aplicada em nível de cluster.

Como resultado, a arquitetura com nós elimina pontos únicos de falha. A falha em um disco, uma fonte de alimentação ou até mesmo em um servidor inteiro não causa indisponibilidade. O sistema se autorrepara, movendo os dados do nó defeituoso para outros nós saudáveis assim que o problema é detectado. Isso garante alta disponibilidade para as aplicações críticas do negócio.

Gerenciamento simplificado para grandes volumes

Pode parecer que gerenciar dezenas ou centenas de servidores seria mais complexo. No entanto, as soluções modernas para armazenamento em cluster oferecem uma camada de abstração poderosa. Os administradores interagem com uma única interface gráfica ou linha de comando. A partir dali, eles monitoram a saúde do cluster, provisionam volumes e definem políticas.

Tarefas como balanceamento de carga e tiering de dados são automatizadas. O sistema move dados acessados com frequência para mídias mais rápidas, como SSDs NVMe. Ele também distribui a capacidade de forma equilibrada entre todos os nós para evitar "hot spots". Essa automação reduz drasticamente a carga de trabalho manual para a equipe de TI.

Essa simplicidade é crucial para lidar com petabytes de informação. Gerenciar centenas de LUNs em múltiplos sistemas SAN distintos é uma tarefa complexa e propensa a erros. Com um storage scale-out, tudo se resume a um único namespace global. Isso facilita o planejamento da capacidade e simplifica a arquitetura geral da infraestrutura.

Quando a expansão com nós faz sentido?

A arquitetura scale-out é especialmente vantajosa para ambientes com crescimento de dados rápido e imprevisível. Empresas que trabalham com análise de Big Data, inteligência artificial, renderização de mídia e arquivamento em larga escala se beneficiam muito desse modelo. Ele oferece a agilidade para responder às novas demandas sem projetos de migração demorados.

Outro caso de uso comum é a infraestrutura para nuvem privada. Um cluster de armazenamento serve como a base para centenas ou milhares de máquinas virtuais. A capacidade para escalar desempenho e capacidade de forma independente garante que o ambiente de virtualização permaneça ágil e responsivo. A alta disponibilidade inerente ao modelo também é um requisito para esse cenário.

Por outro lado, para uma pequena empresa com necessidades estáticas de armazenamento, um único NAS robusto pode ser suficiente. A complexidade e o custo inicial de um cluster com pelo menos três nós podem não se justificar. A decisão sempre depende de uma análise cuidadosa sobre o padrão de crescimento dos dados e os requisitos de desempenho e disponibilidade.

Implementando uma solução de storage escalável

Adotar uma solução de armazenamento escalável exige um planejamento cuidadoso. O primeiro passo é avaliar a infraestrutura de rede. Como a comunicação entre os nós é intensa, uma rede de 10GbE é o mínimo recomendado. Para ambientes com alta performance, redes de 25GbE, 40GbE ou até 100GbE podem ser necessárias para evitar gargalos.

A escolha do hardware e do software também é importante. Existem soluções comerciais integradas de fabricantes como Dell EMC (Isilon) e QNAP (QuTS hero com nós), além de alternativas baseadas em software livre como Ceph e GlusterFS que rodam em servidores comuns. Cada opção possui suas próprias vantagens em custo, suporte e facilidade de implementação.

A expansão modular com nós é a resposta para o desafio do crescimento contínuo de dados. Essa abordagem elimina a necessidade de substituir a infraestrutura e permite que a capacidade e o desempenho cresçam conforme a sua demanda. Implementar essa tecnologia, no entanto, exige conhecimento técnico. Nossas soluções especializadas em infraestrutura de TI oferecem o suporte ideal para projetar e otimizar essas tecnologias em seu ambiente.