HCI-Stack: Hyperkonvergente Infrastruktur einfach erklärt

Ein HCI-Stack ist eine softwaregesteuerte IT-Infrastruktur, die Rechenleistung, Datenspeicher und Virtualisierung in einer gemeinsamen Plattform zusammenführt. HCI steht für Hyper-Converged Infrastructure, auf Deutsch hyperkonvergente Infrastruktur.

Statt separate Server, Speichersysteme und Verwaltungsplattformen einzusetzen, verteilt ein HCI-System diese Aufgaben auf mehrere miteinander verbundene Serverknoten. Die gesamte Umgebung lässt sich zentral verwalten und durch zusätzliche Knoten erweitern.

Was ist ein HCI-Stack?

Ein klassisches Rechenzentrum besteht häufig aus getrennten Komponenten:

• Server für die Rechenleistung
• zentrale Speichersysteme
• Speichernetzwerke
• Virtualisierungssoftware
• unterschiedliche Verwaltungswerkzeuge

Bei einem HCI-Stack werden Rechenleistung und lokale Datenträger mehrerer Server durch Software zu einer gemeinsamen Infrastruktur verbunden.

Die Daten werden abhängig von der Konfiguration auf mehrere Knoten verteilt oder repliziert. Fällt ein Knoten aus, können andere Knoten dessen Aufgaben übernehmen. Voraussetzung dafür sind eine geeignete Architektur und ausreichend verbleibende Ressourcen.

Welche Komponenten gehören zu einem HCI-Stack?

Ein HCI-Stack besteht üblicherweise aus mehreren Bausteinen.

Serverknoten

Jeder Knoten stellt Prozessorleistung, Arbeitsspeicher, Netzwerkanschlüsse und lokale Datenträger bereit. Mehrere Knoten bilden gemeinsam einen HCI-Cluster.

Hypervisor

Der Hypervisor ermöglicht den Betrieb virtueller Maschinen. Er verteilt die vorhandene Rechenleistung und den Arbeitsspeicher auf die einzelnen Workloads.

Je nach Plattform können beispielsweise Hyper-V, VMware ESXi oder ein KVM-basierter Hypervisor eingesetzt werden.

Software-defined Storage

Beim Software-defined Storage, kurz SDS, werden die lokalen Datenträger der Server zu einem gemeinsamen Speicherverbund zusammengefasst.

Die Software übernimmt unter anderem:

• Verteilung der Daten
• Replikation
• Ausfallschutz
• Speicherzuweisung
• Wiederherstellung nach einem Knotenausfall

Ein separates zentrales SAN-Speichersystem ist dadurch häufig nicht erforderlich.

Netzwerk

Ein leistungsfähiges und redundant ausgelegtes Netzwerk verbindet die Knoten miteinander. Es transportiert unter anderem Daten zwischen virtuellen Maschinen und synchronisiert die Speicherinformationen.

Software-defined Networking kann zusätzliche Funktionen für die virtuelle Netzwerkverwaltung bereitstellen. Es ist jedoch nicht zwingend Bestandteil jeder HCI-Lösung.

Zentrale Verwaltung

Über eine gemeinsame Verwaltungsoberfläche lassen sich Cluster, virtuelle Maschinen, Speicher, Updates und Betriebszustand überwachen.

Je nach Plattform können auch Automatisierung, Cloud-Anbindung, Backup und Sicherheitsfunktionen integriert werden.

Wie funktioniert ein HCI-Cluster?

Die einzelnen Serverknoten arbeiten als gemeinsamer Verbund.

Startet ein Unternehmen eine virtuelle Maschine, stellt der Cluster die benötigte Rechenleistung, den Arbeitsspeicher und den Speicherplatz bereit. Die Daten liegen nicht ausschließlich auf einem einzelnen Server, sondern werden entsprechend der festgelegten Ausfallschutzregeln verteilt.

Fällt ein Knoten aus, können virtuelle Maschinen auf anderen Knoten neu gestartet oder weiterbetrieben werden. Ob dies ohne Unterbrechung möglich ist, hängt von der Plattform, Konfiguration und Art des Ausfalls ab.

HCI bietet daher nicht automatisch uneingeschränkte Hochverfügbarkeit. Redundanz, Kapazitätsreserven, Netzwerk, Stromversorgung und Backup müssen weiterhin sorgfältig geplant werden.

Wie wird ein HCI-Stack erweitert?

HCI-Systeme werden normalerweise horizontal skaliert. Dabei wird dem Cluster ein weiterer Serverknoten hinzugefügt.

Der neue Knoten stellt zusätzliche Ressourcen bereit:

• Prozessorleistung
• Arbeitsspeicher
• Speicherplatz
• Netzwerkleistung

Dieses Vorgehen wird als Scale-out bezeichnet.

Je nach Plattform müssen die Knoten bestimmte technische Vorgaben erfüllen. Außerdem lassen sich Rechenleistung und Speicher nicht bei jeder Lösung vollständig unabhängig voneinander erweitern. Wird nur zusätzlicher Speicher benötigt, kann deshalb unter Umständen auch ungenutzte Rechenleistung hinzukommen.

Was ist der Unterschied zur klassischen Infrastruktur?

Bei einer klassischen Infrastruktur werden Server, Speichersysteme und Speichernetzwerke meist getrennt geplant und verwaltet.

Ein HCI-Stack fasst wesentliche Funktionen über Software auf standardisierten oder zertifizierten Serverknoten zusammen.

Dadurch kann die Infrastruktur einfacher erweitert und zentraler betrieben werden. Gleichzeitig entsteht eine stärkere Abhängigkeit von der gewählten Plattform und deren unterstützter Hardware.

Klassische Architekturen können weiterhin sinnvoll sein, wenn:

• sehr große zentrale Speichersysteme benötigt werden
• Rechenleistung und Speicher unabhängig wachsen müssen
• spezielle Hardwareanforderungen bestehen
• vorhandene Systeme langfristig weiterbetrieben werden
• bestimmte Anwendungen nicht für HCI freigegeben sind

Welche Vorteile bietet ein HCI-Stack?

Zu den möglichen Vorteilen gehören:

• zentrale Verwaltung der Infrastruktur
• einfachere Bereitstellung virtueller Maschinen
• horizontale Erweiterung durch zusätzliche Knoten
• integrierte Speicherreplikation
• weniger separate Infrastrukturkomponenten
• standardisierte Bereitstellung an mehreren Standorten
• Unterstützung von Private-Cloud- und Edge-Szenarien
• automatisierbare Betriebs- und Updateprozesse

Ob sich dadurch tatsächlich Kosten reduzieren, hängt von Hardware, Lizenzierung, Wachstum, Betriebsaufwand und vorhandener Infrastruktur ab.

Welche Herausforderungen gibt es?

Vor der Einführung müssen auch mögliche Nachteile berücksichtigt werden:

• Abhängigkeit von Hersteller und Plattform
• hohe Anforderungen an das Clusternetzwerk
• gemeinsame Skalierung von Rechenleistung und Speicher
• komplexe Fehleranalyse bei verteilten Systemen
• Lizenz- und Supportkosten
• vorgeschriebene Hardwarekonfigurationen
• notwendige Kapazitätsreserven für Ausfälle
• besonderer Planungsbedarf bei Updates

Ein HCI-Cluster ersetzt außerdem kein Backup. Replikation schützt vor dem Ausfall einzelner Komponenten, übernimmt aber auch versehentliche Löschungen, beschädigte Daten oder Verschlüsselungen durch Ransomware.

Wo wird HCI eingesetzt?

Typische Einsatzbereiche sind:

• Servervirtualisierung
• Private-Cloud-Umgebungen
• virtuelle Desktop-Infrastrukturen
• Außenstellen und Niederlassungen
• Edge Computing
• Rechenzentrumsmodernisierung
• hochverfügbare Unternehmensanwendungen
• lokale Plattformen für virtuelle Maschinen und Container

Für kleine Standorte stehen teilweise kompakte Cluster bereit. Größere Umgebungen können aus zahlreichen Knoten bestehen.

Beispiele für HCI-Plattformen

Bekannte HCI-Lösungen und Plattformen sind unter anderem:

• Microsoft Azure Local, früher Azure Stack HCI
• Nutanix
• VMware-vSAN-basierte Lösungen
• Dell VxRail
• HPE SimpliVity

Die Produkte unterscheiden sich bei Hypervisor, Hardwareauswahl, Cloud-Anbindung, Lizenzierung und Verwaltungsfunktionen.

Fazit

Ein HCI-Stack verbindet Rechenleistung, lokalen Speicher und Virtualisierung zu einer zentral verwalteten Infrastruktur. Mehrere Serverknoten bilden gemeinsam einen skalierbaren Cluster, der virtuelle Maschinen und weitere Workloads ausführen kann.

HCI kann den Aufbau und Betrieb einer virtualisierten Infrastruktur vereinfachen. Voraussetzung sind jedoch eine sorgfältige Kapazitätsplanung, ein leistungsfähiges Netzwerk, ausreichende Redundanz und ein separates Backup-Konzept.