Hạ tầng Siêu hội tụ (HCI, Hyper-Converged Infrastructure)
1. Tổng quan
Hạ tầng siêu hội tụ (HCI, Hyper-Converged Infrastructure) là một kiến trúc hạ tầng định nghĩa bằng phần mềm (SDI) định nghĩa và tích hợp các chức năng tính toán (máy chủ), lưu trữ, mạng và quản lý bằng phần mềm trên các máy chủ x86 tiêu chuẩn (nút, node) thay vì trên phần cứng chuyên dụng, gom đĩa cục bộ của mỗi nút thành một bể lưu trữ ảo duy nhất. Hypervisor và phần mềm lưu trữ phân tán hòa vào cùng một lớp, tạo thành mô hình scale-out trong đó chỉ cần thêm nút là tính toán, dung lượng và hiệu năng cùng tăng.
Bối cảnh ra đời của HCI là sự phức tạp và gánh nặng vận hành mà hạ tầng 3 tầng (3-tier) truyền thống tích lũy. Trung tâm dữ liệu trước đây mua và cấu hình các rack máy chủ cho tính toán, mảng lưu trữ ngoài (SAN/NAS) để chứa dữ liệu, và một fabric chuyển mạch Fibre Channel (FC) nối hai thứ đó, mỗi thứ là một dòng sản phẩm riêng. Cấu trúc phân tách này có ưu điểm là tối ưu được từng tầng một cách độc lập, nhưng quản trị viên máy chủ, quản trị viên lưu trữ và quản trị viên mạng phải cấp phát LUN, thiết lập zoning và cấu hình multipath bằng các console và kiến thức chuyên môn khác nhau. Ngay cả việc dựng một máy ảo nhỏ cũng thường cần sự phối hợp của nhiều nhóm và vài tuần thời gian chuẩn bị, và khi xảy ra sự cố thì thời gian bị tiêu tốn vào việc phân định trách nhiệm "đây là vấn đề máy chủ, lưu trữ hay mạng". Trừu tượng hóa sự phức tạp này bằng phần mềm và hấp thụ nó vào một mặt phẳng quản lý duy nhất chính là điểm khởi đầu của HCI.
Phả hệ trực tiếp của HCI là hạ tầng hội tụ (CI, Converged Infrastructure). CI gom máy chủ, lưu trữ và mạng thành một kiến trúc tham chiếu (reference architecture) đã được kiểm chứng trước để mua và triển khai một lần, giảm rủi ro cấu hình và thời gian mua sắm. Nhưng CI về cơ bản vẫn là việc gom phần cứng phân tách thành một gói: lưu trữ vẫn là mảng chuyên dụng và quản lý vẫn chia theo tầng. HCI tiến thêm một bước nữa, thay thế mảng lưu trữ chuyên dụng bằng lưu trữ định nghĩa bằng phần mềm (SDS). Nghĩa là phần mềm ảo hóa các đĩa nội bộ (SSD, NVMe) của mỗi máy chủ thành lưu trữ phân tán trải trên toàn cụm, chạy ở cùng lớp với hypervisor. Nếu "gom phần cứng (converged)" là CI, thì "nấu chảy chúng lại với nhau bằng phần mềm (hyper-converged)" là HCI.
Tính cần thiết của HCI trở nên rõ ràng theo ba trục. Thứ nhất là đơn giản hóa vận hành: tích hợp ba tầng tách rời thành một ngăn xếp phần mềm và một console quản lý duy nhất (single pane of glass) đưa mọi thứ từ tạo máy ảo đến mở rộng dung lượng vào quy trình làm việc của một quản trị viên máy chủ. Thứ hai là sự nhanh nhạy: khi cần dung lượng mới, chỉ cần gắn một nút đã được kiểm chứng (appliance) vào rack và thêm vào cụm là nó tự động được hấp thụ vào bể tài nguyên, rút gọn việc mở rộng vốn mất vài tuần xuống còn vài giờ. Thứ ba là hiệu quả đầu tư ban đầu: có thể bắt đầu nhỏ và tăng dần theo từng nút theo nhu cầu (pay-as-you-grow), tránh đầu tư trước quá mức. Nhờ các đặc tính này, HCI lan nhanh trong các lĩnh vực như VDI (máy tính để bàn ảo), văn phòng từ xa/chi nhánh (ROBO), đám mây riêng, biên (edge) và khôi phục thảm họa.
Đặc trưng bản chất phân biệt HCI với hạ tầng khác có thể tóm tắt là định nghĩa bằng phần mềm, lưu trữ phân tán và scale-out theo từng nút. Vì phần cứng được giữ là hàng x86 tiêu chuẩn (commodity) còn trí tuệ được nâng lên phần mềm nên không bị khóa vào bộ điều khiển chuyên dụng của một nhà cung cấp cụ thể; vì lưu trữ được phân tán và sao chép trên các nút nên dữ liệu vẫn sống sót ngay cả khi một nút chết; và thêm nút thì tính toán và dung lượng cùng tăng tuyến tính. Ba đặc trưng này đồng thời giải thích vì sao HCI đơn giản hóa vận hành, và vì sao nó bị chỉ trích — sẽ bàn ở phần sau — về "sự kém hiệu quả khi tính toán và lưu trữ bị buộc cùng nhau khi tăng trưởng".
Đồng thời, phải làm rõ ngay từ đầu rằng HCI không chỉ là việc thay thiết bị mà kéo theo sự thay đổi mô hình vận hành và cơ cấu tổ chức. Khi một tổ chức có các nhóm máy chủ, lưu trữ và mạng tách rời áp dụng HCI, ranh giới vai trò mờ đi và mọi thứ được tái cơ cấu theo hướng một nhóm sở hữu toàn bộ hạ tầng ảo hóa. Dù việc tích hợp về mặt kỹ thuật có tốt đến đâu, nếu sự chuyển đổi mô hình vận hành này không được hỗ trợ thì phần mềm được tích hợp mà tổ chức vẫn tách rời, làm giảm một nửa hiệu quả vận hành của HCI. Nghĩa là HCI phải bắt đầu từ thiết kế tổ chức "ai sở hữu và vận hành hạ tầng tích hợp" trước khi chọn sản phẩm.
2. Kiến trúc và các thành phần của HCI
Cốt lõi để hiểu HCI là bước chuyển cấu trúc rằng "lưu trữ đã chuyển từ mảng bên ngoài vào bên trong chính các nút". Dù chạy cùng một máy ảo, việc dữ liệu nằm trên mảng chuyên dụng ở phía bên kia fabric FC hay được phân tán trên đĩa cục bộ của các nút nơi diễn ra tính toán làm thay đổi hoàn toàn mô hình quản lý, mô hình sự cố và đặc tính hiệu năng. Sơ đồ cấu trúc tổng thể dưới đây đối chiếu cấu trúc của 3 tầng truyền thống và HCI.
flowchart LR
subgraph TIER["3 tầng truyền thống (3-Tier)"]
S1["Rack máy chủ (tính toán)"] --> FAB["Fabric chuyển mạch FC"]
S2["Rack máy chủ (tính toán)"] --> FAB
FAB --> ARR["Mảng lưu trữ chuyên dụng (SAN/NAS)"]
end
subgraph HCICL["Cụm HCI (Scale-Out)"]
N1["Nút 1: hypervisor + SDS + đĩa cục bộ"]
N2["Nút 2: hypervisor + SDS + đĩa cục bộ"]
N3["Nút 3: hypervisor + SDS + đĩa cục bộ"]
N1 --- N2
N2 --- N3
N1 --- N3
POOL["Bể lưu trữ phân tán (định nghĩa bằng phần mềm)"]
N1 -.-> POOL
N2 -.-> POOL
N3 -.-> POOL
end
Cần lưu ý trước rằng 3 tầng truyền thống tách tính toán và lưu trữ về mặt vật lý để mỗi thứ có thể tăng trưởng độc lập, trong khi HCI buộc cả hai vào trong một đơn vị duy nhất — nút — và cho chúng cùng tăng trưởng. Sự khác biệt này là gốc rễ của mọi ưu điểm và giới hạn của HCI. Tích hợp đơn giản hóa vận hành, nhưng đồng thời gieo mầm cho sự kém hiệu quả "phải mua cả lưu trữ khi chỉ cần thêm tính toán". Do đó, thiết kế HCI phải bắt đầu không phải từ "cái nào tốt hơn" mà từ phán đoán về sự phù hợp "tỷ lệ tính toán trên dung lượng của workload khớp với tỷ lệ mà nút cung cấp đến đâu".
Một cụm HCI về cơ bản gồm bốn lớp logic — lớp ảo hóa (hypervisor), lớp lưu trữ phân tán (SDS), lớp mạng đảm nhiệm giao tiếp giữa các nút, và lớp quản lý xử lý tất cả những thứ đó từ một màn hình. Chúng cùng tồn tại về mặt vật lý trong cùng một nút nhưng được chia theo vai trò bằng phần mềm, và nếu bất kỳ cái nào trong số đó được thiết kế kém (ví dụ: lưu trữ nhanh nhưng mạng chậm) thì hiệu năng tổng thể bị trói vào mắt xích yếu đó. Vì vậy, thiết kế HCI phải định cỡ bốn lớp cùng nhau theo quan điểm cân bằng, chứ không tối ưu từng cái riêng lẻ.
Nút (Node) là đơn vị cấu thành và mở rộng cơ bản của HCI. Mỗi nút là một máy chủ x86 tiêu chuẩn có CPU, bộ nhớ, lưu trữ cục bộ (thường là lớp flash NVMe/SSD + lớp dung lượng) và giao diện mạng, và hypervisor cùng phần mềm lưu trữ chạy đồng thời trên đó. Một cụm thường bắt đầu với tối thiểu ba nút (một số giải pháp hỗ trợ cấu hình 2 nút + nhân chứng (witness)), điều này bắt nguồn từ yêu cầu định túc số (quorum) tối thiểu để sao chép dữ liệu trên nhiều nút nhằm duy trì tính sẵn sàng qua một sự cố nút. Vì thêm một nút làm tăng tính toán và dung lượng cùng lúc, nên việc mở rộng được thực hiện bằng cách "gắn một nút" — mở rộng theo chiều ngang — chứ không phải "cắm đĩa vào mảng" — mở rộng theo chiều dọc.
Lớp lưu trữ phân tán (SDS) là trái tim của HCI. Phần mềm ảo hóa đĩa cục bộ của mỗi nút thành một datastore logic duy nhất và lưu dữ liệu bằng cách sao chép trên nhiều nút hoặc phân tán qua mã xóa (erasure coding). Cơ chế sao chép thường được biểu diễn bằng Hệ số sao chép (RF, Replication Factor): RF2 giữ 2 bản (bản gốc + 1 bản sao) để chịu được một sự cố nút/đĩa, với dung lượng khả dụng còn một nửa dung lượng vật lý, còn RF3 giữ 3 bản để chịu được tới hai sự cố đồng thời, với dung lượng khả dụng còn 1/3. Ngược lại, mã xóa giảm chi phí dung lượng bằng cơ chế chẵn lẻ nhưng gây khuếch đại ghi và chi phí tái tạo cao, nên thực tế là chia việc dùng theo workload — sao chép cho vùng quan trọng về hiệu năng, mã xóa cho vùng quan trọng về hiệu quả dung lượng. Trên đó, khử trùng lặp (dedup) và nén làm tăng dung lượng hữu hiệu.
Phương thức triển khai bộ điều khiển lưu trữ là một lựa chọn thiết kế quan trọng phân chia các giải pháp. Một phương thức đặt một VM điều khiển (CVM, Controller VM) trên mỗi nút để máy ảo đó chuyên xử lý I/O lưu trữ (tiêu biểu là Nutanix); nó độc lập với loại hypervisor nhưng CVM chiếm thường trực lượng CPU và bộ nhớ đáng kể trên mỗi nút. Phương thức kia nhúng chức năng lưu trữ vào bên trong nhân (kernel) của hypervisor (tiêu biểu là VMware vSAN, Microsoft S2D); chi phí phụ trội thấp và đường I/O ngắn nhưng bị gắn với một hypervisor cụ thể. Lựa chọn này không chỉ là sở thích triển khai mà quyết định các đánh đổi "nhường bao nhiêu tài nguyên nút cho chi phí phụ trội lưu trữ" và "giữ bao nhiêu tự do thay đổi hypervisor".
Mạng là yếu tố quyết định dễ bị đánh giá thấp trong HCI. Ở 3 tầng, lưu lượng lưu trữ đi trên fabric FC chuyên dụng, nhưng ở HCI, lưu lượng sao chép và tái tạo dữ liệu giữa các nút đều chảy dưới dạng lưu lượng đông-tây (east-west) Ethernet. Khi một máy ảo ghi, dữ liệu đó phải được sao chép sang các nút khác, nên băng thông và độ trễ giữa các nút trực tiếp chi phối hiệu năng lưu trữ. Vì vậy, cụm HCI thường giả định một mạng độ trễ thấp từ 10/25GbE trở lên, và nếu mạng là nút thắt cổ chai thì dù cắm NVMe nhanh đến đâu hiệu năng cũng không ra.
Mặt phẳng quản lý (management plane) là thành phần cuối cùng hiện thực hóa giá trị vận hành của HCI. Mặt phẳng quản lý duy nhất kéo ba tầng tách rời vào một console cho phép xử lý vòng đời máy ảo, dung lượng, hiệu năng, sự cố và nâng cấp từ một màn hình, giữ cho người vận hành khỏi phải di chuyển qua lại giữa các công cụ chuyên biệt theo tầng. Đặc biệt quan trọng là nâng cấp cuốn chiếu (rolling upgrade): cụm tự động hóa việc cập nhật không gián đoạn bằng cách tuần tự rút máy ảo khỏi từng nút một, vá lỗi rồi đưa trở lại. Mức độ tự động hóa này chính là điểm khác biệt thực chất của các sản phẩm HCI, và thường thì "giảm bớt bàn tay con người đến đâu" quyết định thành bại khi áp dụng, hơn cả bản thân việc tích hợp phần cứng.
| Phân loại | 3 tầng truyền thống | Hội tụ (CI) | Siêu hội tụ (HCI) |
|---|---|---|---|
| Lưu trữ | Mảng chuyên dụng (SAN/NAS) | Mảng chuyên dụng (gói) | Định nghĩa bằng phần mềm (phân tán cục bộ) |
| Quản lý | Console tách theo tầng | Tích hợp một phần | Mặt phẳng quản lý duy nhất |
| Mở rộng | Mở rộng độc lập theo tầng | Theo gói | Scale-out theo từng nút |
| Tính toán/lưu trữ | Độc lập | Độc lập | Ghép cặp (cùng tăng) |
| Mạng | Fabric FC | Fabric FC | Lưu lượng đông-tây Ethernet |
Bảng so sánh ba phương thức trong nháy mắt, nhưng điểm mấu chốt là đánh đổi "nâng lưu trữ lên phần mềm thì quản lý được hợp nhất nhưng đổi lại tính toán và lưu trữ bị ghép cặp". Nó nhường một phần sự linh hoạt mở rộng làm cái giá cho việc đơn giản hóa quản lý, và liệu đánh đổi đó có lợi hay không phụ thuộc hoàn toàn vào bản chất của workload.
3. Đường đi dữ liệu và nguyên lý hoạt động
Giá trị của HCI không chỉ là "gom đĩa" mà là giữ cho dữ liệu máy ảo ghi được phân tán và sao chép trên nhiều nút để dữ liệu và dịch vụ vẫn sống sót ngay cả khi một nút chết. Đồng thời, tối ưu hóa tính cục bộ dữ liệu (data locality) — khi có thể, giữ dữ liệu gần nút nơi máy ảo chạy để nó ít đi qua mạng — trở thành chìa khóa hiệu năng. Sơ đồ kiến trúc chi tiết dưới đây cho thấy đường mà I/O ghi đi qua lớp lưu trữ HCI và được sao chép.
flowchart TB
VM["Máy ảo (yêu cầu ghi)"] --> HV["Lớp I/O hypervisor"]
HV --> CTRL["Bộ điều khiển lưu trữ (CVM hoặc module nhân)"]
CTRL --> CACHE["Cache ghi (flash, độ trễ thấp)"]
CACHE --> LOCAL["Đĩa nút cục bộ (bản gốc)"]
CACHE --> REP["Sao chép qua mạng (east-west)"]
REP --> REMOTE["Đĩa nút từ xa (bản sao, RF2/RF3)"]
LOCAL --> DEST["Destage xuống lớp lạnh (dedup/nén)"]
REMOTE --> DEST
MON["Quản lý cụm/tự phục hồi"] -.-> CTRL
MON -.-> REP
Đường ghi và sao chép là nền tảng của tính sẵn sàng HCI. Khi máy ảo phát ra một yêu cầu ghi, bộ điều khiển lưu trữ nhận nó qua hypervisor, trước tiên ghi vào cache ghi flash độ trễ thấp, rồi ngay lập tức sao chép đồng bộ sang nút cục bộ và một hoặc nhiều nút từ xa. Chỉ sau khi hai bản sao trở lên được ghi an toàn thì nó mới xác nhận hoàn tất ghi cho máy ảo, nên dù một nút đột ngột chết thì đã có một bản sao trên nút khác và không mất dữ liệu. "Sao chép đồng bộ trước khi xác nhận" này chính là điều giải thích vì sao hiệu năng mạng giữa các nút lại quan trọng đến thế — nếu sao chép chậm thì mọi lần ghi đều chậm.
Tính cục bộ dữ liệu (data locality) là tối ưu hóa cốt lõi chi phối hiệu năng và tải mạng. Giữ bản gốc (hoặc một bản sao) của dữ liệu mà máy ảo đọc trên đĩa cục bộ của nút nơi máy ảo đó đang chạy, càng nhiều càng tốt, nghĩa là các lần đọc không đi qua mạng, nên độ trễ thấp và lưu lượng đông-tây giảm. Do đó một số HCI dần di chuyển dữ liệu đọc thường xuyên để đi theo máy ảo tới nút mà nó di trú trực tiếp (live migration) sang. Tuy nhiên, cố gắng cục bộ hóa toàn bộ dữ liệu thực ra có thể làm tăng lưu lượng sao chép/di chuyển, nên cần tinh chỉnh một sự cân bằng giữa tính cục bộ và phân tán.
Đường đọc tương phản với đường ghi. Đọc không cần sao chép, nên nếu một bản sao của dữ liệu được yêu cầu nằm trên nút cục bộ thì nó phản hồi ngay mà không đi qua mạng, còn nếu không thì nó lấy từ một nút từ xa đang giữ một bản sao. Vì lý do này, tính cục bộ dữ liệu càng cao thì độ trễ đọc càng thấp, và tỷ lệ trúng cache cùng việc duy trì tính cục bộ trở thành hai trục của hiệu năng đọc.
Phân tầng và tối ưu dung lượng nâng hiệu năng và dung lượng hữu hiệu. Dữ liệu nóng (dùng thường xuyên) được giữ ở lớp flash nhanh, còn dữ liệu lạnh được destage xuống lớp dung lượng kèm khử trùng lặp và nén. Ví dụ, trong môi trường VDI, hàng trăm máy tính để bàn ảo dùng các ảnh OS gần như giống hệt nhau nên hiệu quả khử trùng lặp rất cao, và thường thu được dung lượng hữu hiệu gấp vài lần so với dung lượng vật lý. Như vậy, mẫu trùng lặp dữ liệu và truy cập của workload chi phối lớn tính kinh tế hữu hiệu của HCI.
Tự phục hồi và tái tạo (self-healing) là đỉnh cao của tự động hóa vận hành HCI. Khi một nút hoặc đĩa hỏng, cụm phát hiện và tự động sao chép lại dữ liệu mà bản sao đã thiếu hụt sang các nút còn lại, khôi phục mức sao chép đã cấu hình. Quá trình này diễn ra ở nền mà không cần quản trị viên can thiệp, và lưu lượng tái tạo được điều tiết để không gây nhiễu quá mức cho I/O bình thường. Tuy nhiên, trong lúc tái tạo thì độ dư thừa bị hạ xuống cho đến khi các bản sao bổ sung được tạo, nên đặc biệt trong cụm RF2, nếu một nút chết và một nút khác chết trước khi tái tạo xong thì có nguy cơ mất dữ liệu — đây là lý do khuyến nghị RF3 hoặc cụm lớn hơn cho các workload quan trọng.
| Cơ chế | Vai trò | Đánh đổi |
|---|---|---|
| Sao chép đồng bộ (RF2/RF3) | Bảo toàn dữ liệu khi sự cố nút | Chi phí dung lượng / độ trễ ghi |
| Mã xóa | Độ bền hiệu quả về dung lượng | Khuếch đại ghi / chi phí tái tạo |
| Tính cục bộ dữ liệu | Giảm độ trễ đọc / mạng | Lưu lượng di chuyển / mất cân bằng |
| Khử trùng lặp/nén | Tăng dung lượng hữu hiệu | Tải CPU |
| Tự phục hồi | Tự động khôi phục tính sẵn sàng | Độ dư thừa thấp hơn trong lúc tái tạo |
4. So sánh và tình huống: HCI · 3 tầng · Đám mây công cộng · dHCI
Một nhầm lẫn phổ biến quanh HCI là câu hỏi "có HCI rồi thì chẳng cần lưu trữ truyền thống nữa đúng không?". Kết luận đưa ra trước là HCI và 3 tầng không phải quan hệ hơn kém mà là vấn đề phù hợp workload. HCI mạnh với các workload ảo hóa đa dụng nơi tính toán và dung lượng cùng tăng cân bằng (VDI, ảo hóa máy chủ nói chung, đám mây riêng), còn 3 tầng vẫn có lợi với các workload nơi tỷ lệ nhu cầu giữa tính toán và lưu trữ lệch nhau nghiêm trọng, như một data lake dung lượng lớn nơi chỉ dung lượng lưu trữ bùng nổ, hay một cơ sở dữ liệu lớn cần hiệu năng và độ trễ cực độ. Vì trong HCI, nếu chỉ cần nhiều lưu trữ thì phát sinh "thuế HCI (HCI tax)" là phải mua cả CPU mà bạn thậm chí không dùng tới.
Hàm ý mà sự khác biệt này mang lại cho thực tiễn là rõ ràng. Một tình huống doanh nghiệp xây 2.000 ghế VDI trên 3 tầng, mua sắm riêng máy chủ, SAN và chuyển mạch FC rồi tinh chỉnh hàng tháng, sau đó xây lại trên HCI, triển khai trong vài tuần và giảm một nửa nhân sự vận hành, cho thấy một cách điển hình hiệu quả đơn giản hóa vận hành của HCI. Ngược lại, một doanh nghiệp khác định xây hàng chục PB lưu trữ lưu trữ (archive) trên HCI thấy chi phí CPU và giấy phép đi kèm theo từng nút phình như quả cầu tuyết dù chỉ muốn tăng dung lượng, cuối cùng quay sang lưu trữ đối tượng chuyên dụng. Cùng một HCI nhưng với bên này là giải pháp tối ưu, với bên kia là lãng phí.
Phép tính chi phí của hai thứ cũng khác nhau. 3 tầng cần vốn ban đầu lớn và nhân sự vận hành chuyên biệt theo tầng cho mảng chuyên dụng, chuyển mạch FC và cấu hình multipath, nhưng có thể tăng từng tầng độc lập chỉ đúng mức cần thiết, nên lãng phí tài nguyên nhỏ ở quy mô lớn. HCI có chi phí gia nhập ban đầu thấp và giảm nhân sự vận hành, nhưng mỗi nút đi kèm một giấy phép phần mềm, nên càng mở rộng thì tỷ trọng chi phí phần mềm càng lớn. Do đó phải so sánh không đơn thuần "HCI rẻ hơn" mà theo quan điểm tổng chi phí sở hữu (TCO) nhiều năm bao gồm cả tiết kiệm nhân sự vận hành, và phải ước lượng trước rằng tồn tại một điểm hòa vốn nơi HCI có lợi trong môi trường quy mô nhỏ/thiếu nhân sự còn 3 tầng đảo ngược lợi thế trong môi trường cực lớn/có nhân sự chuyên trách.
Quan hệ với đám mây công cộng cũng thường bị nhầm lẫn. HCI thường được giới thiệu là "trải nghiệm giống đám mây mà bạn chạy tại chỗ (on-premises)", nhưng nó khác đám mây công cộng về tính phí, tính co giãn và trách nhiệm quản lý. Đám mây công cộng tính phí theo phút cho những gì bạn dùng, gần như co giãn vô hạn và đặt trách nhiệm quản lý phần cứng lên nhà cung cấp. HCI mua và sở hữu phần cứng trực tiếp nên có đầu tư ban đầu và tính co giãn bị giới hạn trong phạm vi nút sở hữu, nhưng kiểm soát tại chỗ mạnh về mặt chủ quyền dữ liệu, độ trễ và quy định. Vì vậy gần đây có xu hướng rõ rệt dùng HCI tại chỗ làm điểm tựa tại chỗ của đám mây lai bằng cách buộc nó với đám mây công cộng dưới một mặt phẳng quản lý nhất quán, như Microsoft Azure Stack HCI hay các giải pháp lai của Nutanix và VMware.
Một tiến hóa tiêu biểu để bổ khuyết giới hạn của HCI từ quan điểm quy mô và độ trưởng thành là HCI phân tách (dHCI, disaggregated HCI) hay hạ tầng có thể lắp ghép (composable). Để đáp lại việc HCI truyền thống buộc tính toán và lưu trữ bên trong một nút tạo ra sự kém hiệu quả cùng tăng, dHCI cho phép nút tính toán và lưu trữ mở rộng riêng rẽ trong khi vẫn giữ trải nghiệm quản lý duy nhất của HCI. Ví dụ, với các workload nặng lưu trữ như cơ sở dữ liệu thì chỉ mở rộng lưu trữ, còn với các workload chuyên sâu tính toán thì chỉ thêm nút tính toán. Đây là một dung hòa "giữ sự đơn giản hóa vận hành của HCI nhưng loại bỏ lãng phí của mở rộng ghép cặp", một nỗ lực lấy đồng thời ưu điểm của HCI và 3 tầng.
Điều đó không có nghĩa HCI truyền thống đã lỗi thời. Với VDI, ROBO, biên và đám mây riêng quy mô nhỏ-vừa nơi tính toán và dung lượng tăng cân bằng và đơn giản hóa vận hành là ưu tiên hàng đầu, HCI truyền thống vẫn là giải pháp thực tế nhất. Điểm mấu chốt không phải là lưỡng phân "HCI hay 3 tầng" mà là chọn cấu trúc thích hợp khớp với tỷ lệ tính toán trên lưu trữ và độ biến động, nhu cầu hiệu năng, và năng lực vận hành của workload. Sự phù hợp theo tình huống phải là tiêu chí phán đoán: HCI cho ảo hóa đa dụng cân bằng, 3 tầng hoặc dHCI nếu tỷ lệ lệch nghiêm trọng hoặc cần hiệu năng cực độ, và đám mây công cộng nếu tính co giãn và ủy thác quản lý quan trọng.
5. Chuyên sâu: HCI mở rộng sang Cloud Native và Biên, cùng các xu hướng mới nhất
Trong khi HCI truyền thống tập trung vào hợp nhất máy ảo (đám mây riêng dựa trên VM), chiến trường HCI ngày nay đang mở rộng sang container và cloud native. Khi doanh nghiệp tăng các ứng dụng dựa trên Kubernetes, các nền tảng HCI cũng tiến hóa theo hướng chạy máy ảo và container cùng nhau trên cùng một hạ tầng và cung cấp lưu trữ bền vững (persistent volume). Hướng của VMware tích hợp Kubernetes trên vSphere/vSAN, hướng của Nutanix cung cấp nền tảng Kubernetes và trình điều khiển CSI, và hướng của Azure Stack HCI chạy AKS tại chỗ là tiêu biểu. Nhờ đó, vai trò của HCI đã mở rộng từ "chiếc hộp hợp nhất VM" thành "nền tảng đám mây riêng dùng chung cho VM/container".
Một xu hướng lớn khác là sự lan tỏa ra biên (edge). Tại các hiện trường không có nhân sự IT chuyên biệt thường trú, như cửa hàng bán lẻ, nhà máy và chi nhánh, ngày càng nhiều cấu hình đặt một HCI 2 nút hoặc cụm nhỏ để xử lý dữ liệu cục bộ và quản lý từ xa ở trung tâm. Ở biên, không gian, điện và nhân sự vận hành đều hạn chế, nên đặc tính của HCI là bảo đảm tính sẵn sàng và khả năng quản lý tập trung trong khi tối thiểu hóa phần cứng rất phù hợp. Tình huống triển khai các HCI 2 nút giống hệt nhau làm mẫu chuẩn tại hàng trăm điểm trong sản xuất rồi vá và giám sát hàng loạt từ trung tâm cho thấy HCI đang định hình thành một dạng chuẩn của hạ tầng biên phân tán vượt ra ngoài trung tâm dữ liệu.
Về mặt hiệu năng, sự phổ biến của NVMe và fabric tốc độ cao đang mở rộng phạm vi áp dụng của HCI. Trước đây HCI bị cho là không phù hợp với cơ sở dữ liệu hiệu năng cao vì lưu lượng sao chép/đông-tây, nhưng khi flash NVMe cục bộ trên nút, mạng độ trễ thấp 25/100GbE và sao chép dựa trên RDMA (RoCE) lan rộng thì nay nó chứa được các workload nặng hơn trước nhiều. Hơn nữa, nếu xu hướng phân tách/lắp ghép tách tính toán và lưu trữ nhưng buộc lại bằng fabric siêu cao tốc, cùng các công nghệ interconnect như CXL nhắm tới gộp chung cả bộ nhớ và bộ tăng tốc, được kết hợp thì giới hạn căn bản của HCI là "bị buộc trong một nút và cùng tăng trưởng" dự kiến sẽ dần được nới lỏng.
Gần đây, workload AI/dữ liệu đang nổi lên như một lĩnh vực áp dụng mới cho HCI. Khi nhu cầu chạy suy luận và huấn luyện nhẹ trên HCI tại chỗ với các nút trang bị GPU và cung cấp dữ liệu vector/phân tích dưới dạng volume bền vững tăng lên, các nền tảng HCI cũng đang mở rộng theo hướng ôm lấy chia sẻ GPU (vGPU/MIG) và pipeline ML dựa trên container. Tuy nhiên, các workload cần băng thông siêu cao giữa các nút như huấn luyện phân tán quy mô lớn dễ xung đột với mô hình lưu lượng đông-tây của HCI, nên trong lĩnh vực này chạy song song với một fabric chuyên dụng/cấu trúc phân tách là thực tế. Điều này cho thấy mỗi khi HCI mở rộng ra ngoài nền tảng ảo hóa đa dụng sang các workload đặc thù thì ta lại được hỏi "mẫu lưu lượng/tài nguyên của workload đó có khớp với mô hình ghép cặp theo nút không".
Dù vậy, sự mở rộng này không biến HCI thành thuốc chữa bách bệnh. Phạm vi áp dụng càng mở rộng sang cloud native, biên và hiệu năng cao thì thiết kế mạng giữa các nút, chính sách sao chép và cấu trúc chi phí giấy phép càng phức tạp, và chi phí ẩn có thể tăng. Từ quan điểm Kỹ sư chuyên nghiệp, nên hiểu nó là "một giai đoạn mà hướng mở rộng lĩnh vực áp dụng của HCI đã rõ, nhưng mỗi lĩnh vực phải được áp dụng chỉ sau khi kiểm chứng định lượng mạng, hiệu quả dung lượng và chi phí".
6. Cân nhắc và hàm ý
Thứ nhất, phải chọn cấu trúc dựa trên sự phù hợp workload. HCI, 3 tầng, dHCI và đám mây công cộng không phải đối thủ cạnh tranh mà là bổ trợ với giải pháp tối ưu khác nhau theo tình huống. Nếu tính toán và dung lượng tăng cân bằng thì HCI có lợi; nếu tỷ lệ lệch nghiêm trọng hoặc hiệu năng/dung lượng cực độ thì 3 tầng hoặc dHCI có lợi; và nếu tính co giãn và ủy thác quản lý quan trọng thì đám mây công cộng có lợi. Kỹ sư chuyên nghiệp phải kết hợp các cấu trúc bằng cách đánh giá định lượng tỷ lệ tính toán trên lưu trữ, độ biến động và nhu cầu hiệu năng của workload, chứ không chạy theo "một kiến trúc thời thượng".
Thứ hai, phải cảnh giác với sự kém hiệu quả của mở rộng ghép cặp (thuế HCI) và chi phí phụ trội tài nguyên. Vì HCI tăng tính toán và lưu trữ cùng nhau theo từng nút, nên phát sinh lãng phí với các workload chỉ cần một phía, và trong phương thức Controller VM thì một phần đáng kể tài nguyên nút bị tiêu thụ thường trực làm chi phí phụ trội lưu trữ. Với các workload lệch về dung lượng, hãy dùng kèm dHCI hoặc lưu trữ chuyên dụng, và khi định cỡ nút phải phản ánh trước chi phí phụ trội lưu trữ và phần dư cho tái tạo (N+1/N+2).
Thứ ba, phải xem mạng là một yếu tố thiết kế hạng nhất. Trong HCI, hiệu năng lưu trữ chính là hiệu năng mạng đông-tây giữa các nút. Không có mạng độ trễ thấp, băng thông cao (10/25GbE trở lên, RDMA nếu có thể), chuyển mạch dự phòng, và thiết kế tách lưu lượng lưu trữ/quản lý/VM thì dù NVMe nhanh đến đâu cũng không phát huy được giá trị. Vì nút thắt cổ chai mạng là nguyên nhân phổ biến nhất của các vấn đề hiệu năng HCI, nên phải đưa lưu lượng sao chép/tái tạo vào kế hoạch dung lượng ngay từ đầu thiết kế.
Thứ tư, phải thiết kế rõ ràng chính sách sẵn sàng và miền sự cố. Lựa chọn Hệ số sao chép (RF2/RF3) và mã xóa là một đánh đổi trực tiếp giữa dung lượng/hiệu năng và tính sẵn sàng. Với các workload quan trọng, hãy chuẩn bị cho "một sự cố bổ sung trong lúc tái tạo" bằng RF3 hoặc số nút đủ lớn, và thiết lập các miền sự cố (fault domain) ở mức rack/nguồn điện/mạng để chuẩn bị cho các sự cố tương quan. Ngoài ra, tách biệt với tự phục hồi của chính HCI, một hệ thống sao lưu/khôi phục thảm họa tuyệt đối phải được cung cấp riêng — sao chép không phải là sao lưu.
Thứ năm, phải đánh giá chính xác sự khóa nhà cung cấp và cấu trúc chi phí giấy phép. HCI chuẩn hóa phần cứng nhưng ngăn xếp phần mềm và mặt phẳng quản lý dễ bị khóa vào nhà cung cấp, và giấy phép theo nút/theo lõi chiếm phần lớn chi phí mở rộng. Hãy ước tính tổng chi phí sở hữu (TCO) bao gồm giấy phép phần mềm, hỗ trợ và chi phí bổ sung khi mở rộng theo quan điểm nhiều năm, và bảo đảm trước sự tự do chọn hypervisor cùng một chiến lược lối ra (lộ trình di trú).
Thứ sáu, phải chuyển đổi mô hình vận hành và tổ chức cùng nhau. Giá trị lớn nhất của HCI, sự đơn giản hóa vận hành, không được hiện thực hóa khi để nguyên một tổ chức có máy chủ, lưu trữ và mạng tách rời. Thiết lập một chủ thể vận hành duy nhất chịu trách nhiệm cho hạ tầng tích hợp, tái định nghĩa vai trò của các nhóm tách rời, và cùng chuyển sang một mô hình vận hành cung cấp máy ảo/container dưới dạng tự phục vụ từ quan điểm kỹ thuật nền tảng là điều làm cho tích hợp kỹ thuật dẫn tới sự nhanh nhạy của tổ chức. Nếu chỉ tích hợp công nghệ mà để nguyên tổ chức thì phát sinh nghịch lý rằng dù hạ tầng trở nên đơn giản hơn, tốc độ vận hành vẫn bị trói vào ranh giới phòng ban.
Tài liệu tham khảo
- VMware, "What Is Hyperconverged Infrastructure (HCI)?": https://www.vmware.com/topics/glossary/content/hyper-converged-infrastructure.html
- Nutanix, "Hyperconverged Infrastructure (HCI)": https://www.nutanix.com/info/hyperconverged-infrastructure
- Microsoft, "Azure Stack HCI solution overview": https://learn.microsoft.com/en-us/azure-stack/hci/overview
- Gartner, "Hyperconverged Infrastructure (HCI)" Glossary: https://www.gartner.com/en/information-technology/glossary/hyperconvergence-hyper-converged-infrastructure
Tóm tắt một câu: HCI là hạ tầng định nghĩa bằng phần mềm tích hợp tính toán, lưu trữ và mạng bằng phần mềm trên các nút x86 tiêu chuẩn và gom đĩa cục bộ thành một bể lưu trữ phân tán sao chép để scale-out theo từng nút; nó đạt được sự đơn giản hóa vận hành và nhanh nhạy với cái giá là sự kém hiệu quả của việc mở rộng ghép cặp tính toán/lưu trữ cùng sự phụ thuộc vào mạng, nên việc đánh giá định lượng sự phù hợp workload, thiết kế mạng, chính sách sẵn sàng, TCO và tổ chức vận hành cùng nhau rồi kết hợp nó một cách thích hợp với 3 tầng, dHCI và đám mây công cộng là mấu chốt từ góc nhìn Kỹ sư chuyên nghiệp.