Como alcançar a hiperescalabilidade em data centers

Um data center é considerado “hyperscale” quando possui mais de cinco mil servidores ou tem mais de mil metros quadrados de área
 

17 April 2019 escrito por Alexandre Kawamura

Como alcançar a hiperescalabilidade em data centers
Alexandre Kawamura, engenheiro de aplicações da Furukawa Electric LatAm
Quando se compara um data center corporativo com o de um grande provedor de conteúdo – como Google, Amazon, Facebook, Apple ou Microsoft (conhecidos pela sigla GAFAM) –, são claras as diferenças não só de tamanho como também de recursos disponíveis, em termos de poder computacional, capacidade de refrigeração e fornecimento de energia. Os centros de dados desses grandes players são chamados de data centers hyperscale.
 
De acordo com o IDC, um data center é considerado “hyperscale” quando possui mais de cinco mil servidores ou tem mais de mil metros quadrados de área. Além disso, o IDC aponta um conjunto de características que diferenciam esses data centers dos demais: arquitetura que permite o escalonamento de aplicações praticamente sem limites, infraestrutura desagregada, de maior densidade e otimizada para o uso de energia.
 
As necessidades de um data center hyperscale também são bem específicas. Enquanto a maioria das empresas conta com equipamentos e infraestruturas prontos para uso, providos por fornecedores de tecnologia, os data centers hyperscale têm um ambiente de computação bastante customizado, construído com recursos personalizados em escalas massivas, no qual detêm o controle de cada aspecto da configuração e uso desses recursos. Portanto, data centers hyperscale são muito mais que versões “hipergigantescas” de data centers corporativos.
Hiperescalabilidade no dia-a-dia
 
Percebe-se, assim, que a hiperescalabilidade nos grandes data centers não consiste somente na capacidade de aumentar exponencialmente seus recursos - mas, sim, na capacidade de escalar de maneira ampla, rápida e customizada.
 
Contudo, essa necessidade de expansão dos recursos, com rapidez e de forma personalizada, é comum a (muitos) outros data centers, independentemente do seu tamanho. Todo gestor de centro de dados tem a preocupação de dispor de uma infraestrutura capaz de crescer conforme o aumento de sua demanda (de poder computacional ou recursos), de maneira otimizada em função de suas necessidades e com a maior agilidade possível.
 
Assim, para aplicar os conceitos de hiperescalabilidade ao data center, seja qual for seu tamanho, é importante considerar os seguintes pontos:
 
- Capacidade de crescimento: o investimento inicial para implantar a infraestrutura básica do data center - considerando a parte civil, energia, refrigeração, segurança e demais sistemas - é muito alto. É essencial ter um projeto otimizado, em que a infraestrutura possa suportar a demanda inicial e, ao mesmo tempo, que permita sua expansão de maneira organizada e investindo o necessário para isso.
 
- Agilidade: as futuras expansões devem ser realizadas no menor tempo possível e sem causar indisponibilidade nos serviços já em execução. A infraestrutura do data center deve permitir seu crescimento de maneira modular, de forma a garantir uma implementação rápida.
 
- Customização: é importante que a agilidade nas expansões seja acompanhada do ajuste dos novos recursos instalados às demandas do data center. Ter soluções customizadas também permite otimizar a operação do data center, ao possibilitar o melhor uso dos recursos.
 
A consideração desses fatores é essencial para que o data center alcance hiperescalabilidade, independentemente do sistema considerado (ar-condicionado, energia, iluminação, segurança, telecomunicações, etc).
 
Infraestrutura de telecomunicações Hyperscale
 
A hiperescalabilidade pode ser trazida e aplicada à solução de infraestrutura de telecomunicações do data center. Nesse caso, deve-se levar em conta o ambiente tecnológico para selecionar a melhor solução.
 
Big Data, Cloud Computing, Indústria 4.0 e redes sociais estão gerando, e consumindo, uma quantidade enorme de dados. Esses dados necessitam ser armazenados e processados, de modo a se transformarem em informação e, finalmente, em conhecimento - para que tenham valor para as empresas. A Figura 1 ilustra algumas dessas fontes geradoras de dados.
 
 
 
Figura 1 - Cenário Tecnológico
 
 
Os dados são armazenados e processados no data center. E é por essa razão que estes espaços estão demandando cada vez mais recursos computacionais, crescendo na mesma velocidade do tráfego de dados.
 
O alto volume de tráfego gerado e encaminhado aos data centers é chamado de tráfego do tipo norte-sul. E essa quantidade elevada de dados representa apenas um percentual do tráfego existente no data center, pois muita informação é direcionada internamente – o que se convencionou chamar de tráfego leste-oeste. A Figura 2 ilustra esses dois tipos de tráfego dentro do data center.
 
 
Figura 2 - Tráfego dentro do Data Center
 
O tráfego de dados leste-oeste é praticamente cinco vezes maior do que o tráfego norte-sul, de acordo com levantamento da Cisco (Figura 3). Isso significa que, se já estamos gerando uma quantidade enorme de dados, maior ainda é o volume de informação processada pelos data centers.
 
 
 
Figura 3 – Distribuição de Tráfego dentro do Data Center
 
Esse movimento está gerando uma grande transformação na topologia de rede dentro dos data centers. Em busca de maior largura de banda para transmissão das informações e de uma menor latência nesta transmissão, a topologia está mudando da tradicional, de três camadas (ou Tier-3), para uma mais moderna, de duas camadas (ou Tier-2), também chamada de Spine-Leaf. A Figura 4 ilustra esta evolução.
 
 
 
 
Figura 4 – Nova Arquitetura de Rede
 
Desafios para a nova infraestrutura de data centers
 
Além do alto volume de tráfego, a nova arquitetura de rede dos data centers deve estar preparada para superar uma série de outros desafios:
 
- Maior densidade de equipamentos: Cada vez mais equipamentos são instalados no data center, buscando o aproveitamento da infraestrutura óptica existente. Aliado a isso, busca-se também a (hiper)escalabilidade - ou seja, agregar esses equipamentos de maneira modular, rápida e customizada.
 
- Novos protocolos e interfaces: Para suportar o alto volume de dados que chegam e circulam pelos data centers, as velocidades de conexão entre servidores e equipamentos de rede estão aumentando, assim como a velocidade de conexão entre equipamentos de rede e entre data centers. A Figura 5 mostra as taxas de conexão que já estão se tornando comuns em muitos data centers.
 
Figura 5 – Novos Protocolos e Interfaces
 
A Figura 6 ilustra a evolução dos transceivers, acompanhando o aumento da velocidade de transmissão. Houve um salto de 10 Gbps para 400 Gbps.
 
 
 
Figura 6 – Evolução dos Transceivers
 
- Redes ópticas abertas e desagregadas: os equipamentos de rede óptica estão passando por uma mudança de conceito. Equipamentos proprietários, com todas as funcionalidades embutidas em uma única caixa, estão migrando para o conceito de White-Boxes, que são caixas com arquitetura aberta que permitem a customização e a implementação dos requisitos realmente necessários. Parte das funções de rede passa a ser executada em servidores (denominados controllers ou orquestrators). Com isso, ganha-se flexibilidade de funcionalidades; por outro lado, aumenta a quantidade de conexões necessárias. A Figura 7 ilustra o conceito de desagregação.
 
 
 
Figura 7 – Desagregação dos Equipamentos
 
Soluções para atingir a hiperescalabilidade
 
Os desafios para a infraestrutura de telecomunicações do data center não são pequenos nem triviais. É preciso, também nesse caso, levar em conta os conceitos de hiperescalabilidade – crescimento, agilidade e customização – para que a solução esteja realmente preparada para as futuras demandas.
 
Assim, é importante considerar as seguintes soluções de infraestrutura:
 
- Cabos de altíssima formação: São cabos com elevada contagem de fibras (mais de 3.000 fibras em um cabo com diâmetro da ordem de 30 mm) e com alta capacidade de transmissão. Isso garantirá ao data center a largura de banda necessária para suportar o imenso volume de tráfego existente.
 
Figura 8 – Cabos de Altíssima Formação (Cabo Rollable Ribbon – Furukawa)
 
- Frames de alta densidade: São bastidores capazes de acomodar e gerenciar uma grande quantidade de conexões ópticas, de acordo com normas internacionais como a Telcordia GR-449 Gen IV. Isso garante que o bastidor suporte pelo menos 2.880 fibras ópticas, com características de modularidade e capacidade de expansão.
 
 
Figura 9 – Bastidores de Alta Densidade (Rack UHD Peacoc – Furukawa)
 
- Soluções de baixas perdas: Os componentes do canal de transmissão de dados devem atender a diferentes topologias de conexões existentes nos data centers. Dependendo do tamanho e da arquitetura do data center, é possível ter canais com duas a até oito ou mais conexões (Figura 10). Nestes casos, é importante que esses componentes tenham parâmetros otimizados de desempenho, de modo a garantir a performance tanto em canais mais simples como em topologias mais complexas. Essa solução é chamada de baixas perdas.
 
Figura 10 – Canais de Múltiplas Conexões (Linha Premium – Furukawa)
 
- Fibra óptica OM5: normatizada na TIA 492AAAE, é uma fibra do tipo multimodo (MM) que suporta o uso de até quatro comprimentos de onda simultaneamente, na janela de transmissão entre 850 nm e 950 nm. Isso possibilita a redução da infraestrutura dos data centers, ao mesmo tempo em que permite alcançar velocidades mais elevadas de transmissão, como 200 Gbps, 400 Gbps e 800 Gbps. A tecnologia que torna isso possível é o SWDM (Shortwave Wavelength Division Multiplexing), ilustrada na Figura 11.
 
   
Figura 11 – SWDM em fibra OM5 (OM5 WBMMF - Furukawa)
 
Conclusão
 
Data centers hyperscale possuem características que os tornam únicos nesse segmento: enorme quantidade de servidores, grande espaço físico, infraestruturas monstruosas. Ao mesmo tempo, necessitam de capacidade de crescimento, de maneira rápida, modular e customizada.
 
É possível aplicar o conceito de hiperescalabilidade em data centers de qualquer tamanho, de modo a permitir seu crescimento de maneira ordenada, com agilidade e de acordo com suas necessidades.
 
Em termos de infraestrutura de telecomunicações, é recomendável escolher os componentes que atendam às demandas atuais e futuras e que, ao mesmo tempo, propiciem os benefícios da expansão modular, rápida e customizável. Dessa forma, o data center hyperscale estará garantido - independentemente de suas dimensões. 
 
*Alexandre Kawamura atua na área de Engenharia de Aplicações da Furukawa Electric LatAm.
   
 

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