Wszystko co biznes powinien wiedzieć o chmurze obliczeniowej

Autor artykułu jest głównym architektem chmury obliczeniowej Oktawave; www.oktawave.com

Istnieje duże prawdopodobieństwo, że w twojej firmie lub w życiu prywatnym korzystasz już przynajmniej z jednego z poniższych modeli dostarczania usług w chmurze – IaaS, PaaS lub SaaS. Te trzy skróty tłumaczy się jako:

• Infrastructure as a Service, czyli infrastruktura IT świadczona jako usługa,
• Platform as a Service, czyli platforma uruchomieniowa świadczona jako usługa,
• Software as a Service, czyli oprogramowanie świadczone w ramach usługi.

To podstawowa warstwa chmury i dotyczy głównie zasobów sprzętowych oraz sieciowych. Model IaaS przeznaczony jest dla użytkowników, którzy chcą utrzymywać kontrolę nad zasobami informatycznymi firmy, ale nie chcą utrzymywać własnej infrastruktury. Dzięki temu w firmie nie musi znajdować się w wydzielonym pomieszczeniu serwerownia z odpowiednim odprowadzaniem ciepła, systemem dostępu czy właściwym zasilaniem. Nie trzeba też rozkręcać obudów serwerów, martwić się o dyski czy pamięć RAM. Innymi słowy, z firmy znika fizyczna infrastruktura serwerowa.

Model taki ma wiele zalet, np. firma nie ponosi żadnych kosztów związanych z zakupem sprzętu do wyposażenia serwerowni, nie musi się także zajmować kwestiami związanymi z naprawą czy wymianą uszkodzonych podzespołów serwera, a także bieżącą administracją – tymi rzeczami zajmie się dostawca usługi IaaS.

W modelu tym po prostu zamawia się usługę utrzymania infrastruktury u dostawcy IaaS, który cały sprzęt będzie utrzymywał u siebie, a klientowi udostępnia ją w postaci wirtualnych serwerów (instancji). Na wirtualnej maszynie można zainstalować dowolne oprogramowanie (system operacyjny i aplikacje), infrastrukturę można też wykorzystywać jako magazyn danych, zarządzać sieciami, backupami, klonami czy schedulerami. IaaS pozwala na wszystko to, co można zrobić z fizycznym serwerem, a nawet więcej, o czym za chwilę.

PaaS to usługa, która jest umieszczona nad IaaS. Platform as a Service to model, który oferuje firmom np. gotowe stanowiska deweloperskie dla zespołów programistycznych, które na tych stanowiskach będą tworzyć i rozwijać oprogramowanie, nad którym pracuje dana firma.

Wiąże się to ze spersonalizowanym systemem operacyjnym, frameworkiem czy bazą danych. Jest to gotowe środowisko uruchomieniowe, gdzie od ręki możemy uruchomić np. LAMP (Linux, Apache, MySQL, PHP), środowiska Pythona lub Ruby'ego czy też Javy.

W zestawieniu z IaaS oszczędzamy etap wstępny, którym jest instalacja i konfiguracja systemu operacyjnego wraz z narzędziami. W naszych rękach pozostaje jednak kwestia dalszego zarządzania oprogramowaniem (w tym jego rozwojem).

Z usługi SaaS najczęściej korzysta się na co dzień, może nie zawsze na płaszczyźnie biznesowej, ale w prywatnych zastosowaniach. Jednym z najlepszych przykładów usługi SaaS jest tzw. webmail, czyli program do odbioru poczty e-mail poprzez przeglądarkę internetową.

Tutaj użytkownik nie utrzymuje ani infrastruktury stojącej za skrzynką pocztową, ani środowiska uruchomieniowego – robi to usługodawca, np. Google, który dostarcza gotowy produkt, jakim jest program pocztowy Gmail. Takich przykładów jest wiele, może to być oprogramowanie sklepu internetowego, CRM czy nawet gra online – większość programów, do których uzyskuje się dostęp poprzez Internet mają zwykle coś wspólnego z modelem SaaS.

Z biznesowego punktu widzenia jest to bardzo istotny model chmury, bo zamawiając gotowy program w takim modelu, firmy muszą jedynie opanować jego obsługę, nie martwiąc się tym, jak dany program umieścić na serwerze, czy też jak zarządzać samym serwerem.

Istotną rzeczą jest to, że klient nie kupuje danego programu na własność, zamiast tego nabywa jedynie prawo do użytkowania aplikacji. Model ten w swoim działaniu przypomina wypożyczalnię – zamiast płacić 200 dolarów za jakiś program, można go wypożyczyć za 5 dolarów miesięcznie.

Te trzy modele chmury, o których była mowa wyżej (IaaS, PaaS, SaaS), zostały określone przez National Institute of Standards and Technology (NIST, z ang. Narodowy Instytut Standaryzacji i Technologii). Organ ten jest amerykańską agencją rządową, która zajmuje się między innymi wprowadzaniem standardów w przemyśle oraz tworzeniem definicji.

Oprócz trzech modeli chmury obliczeniowej NIST wyróżnia jeszcze pięć cech charakterystycznych, które muszą być spełnione, by coś w ogóle nazwać chmurą. Oto one.

1. Usługa serwera (lub inna) musi być dostępna na żądanie. Klient – za pomocą panelu administracyjnego – może sam przypisać sobie potrzebne zasoby bez potrzeby komunikowania się z dostawcą danej usługi.
2. Szeroki dostęp do sieci. Klient ma dostęp do usług z wykorzystaniem standardowych mechanizmów, które promują użycie heterogenicznych klientów (cienkich lub grubych), np. telefony komórkowe, tablety, laptopy i stacje robocze.
3. Pula zasobów. Zasoby fizyczne i wirtualne są dynamicznie przydzielane w zależności od potrzeb klientów.
4. Elastyczność na żądanie. Dostawca musi umieć automatycznie przypisać użytkownikowi dodatkowe zasoby bez przerywania procesów biznesowych. Klient otrzymuje praktycznie nieograniczone zasoby w dowolnym czasie.
5. Mierzalność usług. System chmurowy automatycznie kontroluje, optymalizuje i monitoruje korzystanie z zasobów, pokazując klientowi precyzyjne dane dotyczące wykorzystania poszczególnych zasobów.

Te pięć wyznaczników jest bardzo ważnych. Pozwalają one odróżnić dostawcę chmury od dostawcy klasycznych rozwiązań: hostingu, VPS-ów czy serwerów dedykowanych. W Polsce wyznaczniki te spełnia m.in. Oktawave, publiczna chmura dostarczana przez firmę K2.

Często spotkać się można z jeszcze jednym podziałem – tym razem związanym z miejscem przechowywania danych.

• Publiczna chmura to infrastruktura zewnętrzna, dostępna dla wszystkich z poziomu Internetu. W tym modelu firma nie musi posiadać serwerowni lub innych własnych zasobów fizycznych, aby mieć dostęp do pożądanych zasobów IT.
• Prywatna chmura oznacza infrastrukturę komputerową spełniająca znamiona technologii cloud computing, która utrzymywana jest na terenie firmy, we własnym zakresie.
• Trzeci rodzaj chmury to hybryda, czyli jak łatwo wywnioskować, taka która łączy ze sobą obie z wyżej wymienionych.

Chmura prywatna i hybrydowa wiążą się ze znacznymi kosztami inwestycyjnymi, dlatego w większości przypadków chmurą najodpowiedniejszą dla biznesu będzie ta publiczna, która bez ponoszenia żadnych kosztów inwestycyjnych daje dostęp do dowolnie dużej infrastruktury IT i możliwość płacenia tylko za wykorzystane zasoby.

W tradycyjnym modelu, przedsiębiorstwa przeznaczają znaczące środki na zakup oraz utrzymanie infrastruktury i sprzętu IT. Każdy projekt związany z rozwojem własnego środowiska IT stanowi dla firm dużą, jednorazową inwestycję, podobnie jak zakup maszyn produkcyjnych lub nieruchomości.

Tego typu wydatki na wdrożenie lub rozwój infrastruktury IT zalicza się do kategorii wydatków inwestycyjnych (CAPEX), a poczynione w ten sposób inwestycje mają istotny wpływ na rentowność organizacji w przyszłości. Z uwagi na fakt, że każda firma ma ograniczony zasób środków finansowych, źle lub nadmiernie poczynione inwestycje w sprzęt mogą zauważalnie wpływać na osiąganie przez nią strategicznych celów biznesowych.

Jednak przedsiębiorstwa na całym świecie już wiele lat temu zauważyły, jak mało efektywne jest budowanie własnej infrastruktury IT. Publiczna chmura obliczeniowa daje firmom możliwość przeniesienia kosztów IT z części inwestycyjnej (CAPEX) do kosztów części operacyjnej (OPEX), związanej z utrzymaniem i rozwojem systemów oraz samego biznesu. W modelu chmury firmy płacą za rzeczywiście wykorzystane zasoby.

Sam pomysł nie jest nowy, bowiem wiele polskich przedsiębiorstw od dawna próbuje finansować inwestycje w IT za pomocą leasingu. Dzięki temu koszty inwestycji rozłożone są na miesięczne raty. Jednocześnie, wielu menedżerów IT zauważa, że koszt pozyskania takiego finansowania jest stosunkowo wysoki oraz wiąże się z koniecznością spełnienia zbyt wielu formalności. Tych wad pozbawiona jest publiczna chmura obliczeniowa.

Duże inwestycje w obszar infrastruktury IT są szczególnie „bolesne” dla startupów i mniejszych firm, które nie dysponują własnymi środkami, nie mają dostępu do taniego kredytowania lub chciałyby posiadane pieniądze przeznaczyć na inne cele np. rozwój produktu, szkolenia czy marketing.

Chmura gwarantuje natychmiastowy dostęp do zasobów IT i mocy obliczeniowych, bez potrzeby prowadzenia kosztownych inwestycji we własną infrastrukturę. W podstawowym modelu pay-as-you-go zasoby rozliczane są w cyklach godzinowych. Dzięki temu klient płaci tylko za wykorzystane zasoby, a nie za samą możliwość korzystania z nich.

Korzystanie z chmury nie wiąże się z koniecznością podpisywania umów terminowych. Firma w każdej chwili może zrezygnować z części lub z wszystkich dostarczanych jest usług IT w chmurze.

Serwery to podstawowy „towar” w asortymencie większości dostawców chmur. Wirtualne serwery z perspektywy użytkownika niczym nie różnią się od fizycznego serwera. Działają pod kontrolą wybranego przez użytkownika systemu operacyjnego, wgrywanego najczęściej z przygotowanych przez dostawcę obrazów maszyn wirtualnych (są to zwykle różne dystrybucje Linuksa, a także Windows Server, FreeBSD czy Solaris). Charakteryzują się określoną wydajnością, regulowaną liczbą wirtualnych procesorów i wielkością pamięci.

Każdy serwer aplikacji działa niezależnie od innych. Dostawcy prawdziwych chmur pozwalają na dynamiczne skalowanie parametrów serwera przez Autoskaler (w Polsce dostępne jest to m.in. w usłudze Oktawave), w zależności od obciążenia, jakiemu jest poddany, czy aktualnego zapotrzebowania użytkownika. Jest to kluczowa różnica w stosunku do dostawców VPS-ów, którzy wymagają określenia tych parametrów na sztywno przed uruchomieniem wirtualnego serwera.

W razie wzrostu obciążenia takiej maszyny wirtualnej chmura może nie tylko dokładać zasobów (w postaci CPU oraz RAM), ale także uruchamiać dynamicznie jej kolejne instancje-klony, dzieląc obciążenia między nimi za pomogą tzw. loadbalancingu.

Do czego wykorzystuje się serwery aplikacji w chmurze? Po zainstalowaniu na nich serwera webowego, np. Apache, IIS czy nginx, stanowią podstawę dla serwisów WWW, sklepów internetowych czy aplikacji webowych, ale na tym nie koniec. Serwery aplikacji mogą działać poza publicznym Internetem, uruchamiając aplikacje pisane w najróżniejszych językach – Javie, C#, PHP, Pythonie itd.

Różni dostawcy różnie nazywają ten typ usługi. Amazon Web Services określa ją jako jako Elastic Computing Cloud, Rackspace mówi nazywa ją Cloud Servers, w Oktawave mówi się o Oktawave Cloud Instances. Funkcjonalnie nie ma między nimi większych różnic, bez problemów można przenieść aplikacje między serwerami wirtualnymi u różnych dostawców IaaS. Jeśli jednak mamy do czynienia z typowym sklepem internetowym czy portalem newsowym, wybór dostawcy jest decyzją bardziej biznesową niż technologiczną (oczywiście, jeśli zawęzimy nasz wybór do prawdziwych chmur).

Jest wiele powodów, dla których firmy coraz częściej wybierają publiczną chmurę obliczeniową. Szybkość, zwiększone bezpieczeństwo czy też oszczędności na inwestycjach. Kolejnym powodem jest możliwości zapewnienia sobie wysokiej dostępności swoich aplikacji sieciowych przy jednoczesnej możliwość płacenia tylko za te zasoby, które są w danym momencie potrzebne do utrzymania pożądanego poziomu szybkości i niezawodności.

Jak jednak dobrać tę właściwą ilość zasobów? Obciążenia serwisów internetowych czy aplikacji webowych są dość nieprzewidywalne. Możemy się oczywiście przygotować na sezon świąteczny w sklepie internetowym, ale konia z rzędem temu, kto przewidzi najazd użytkowników np. serwisu Wykop.pl na naszą stronę.

Mniejsze serwisy, korzystające ze współdzielonego hostingu, VPS-ów czy nawet pojedynczych serwerów dedykowanych, w zasadzie przygotować się nie miały jak – w razie takiego oblężenia można było co najwyżej zamienić dynamiczną wersję strony głównej na statyczny HTML i czekać, aż ci wszyscy internauci sobie pójdą. Dlatego też serwisy, których operatorzy liczą się z większym ruchem, uruchamiają je zwykle na wielu serwerach, wykorzystując technikę równoważenia obciążenia (load balancingu) pomiędzy podłączonymi w klaster obliczeniowy maszynami.

Hosting tradycyjny zmusza więc najwyraźniej właściciela serwisu, któremu zależy na wysokiej dostępności w Internecie, do sięgnięcia jeśli nawet nie po maksymalną ilość zasobów infrastruktury, to przynajmniej wystarczająco dużą jej ilość, tak by sklep internetowy czy serwis informacyjny nie wyświetliły internaucie „strony 503” (503 to kod błędu oznaczający: usługa niedostępna – przyp. red.) w najmniej oczekiwanym momencie.

Takie zabezpieczenie oczywiście kosztuje. Firma hostingowa nie obniży nam przecież miesięcznego abonamentu za dzierżawę tylko dlatego, że wybrany do hostowania naszej aplikacji szybki serwer dedykowany, z czterema procesorami i szybkimi dyskami SSD, przez niemal cały miesiąc działał na pół gwizdka, zaledwie kilka razy odnotowując poważny skok obciążenia. Właściciel serwisu może mieć wrażenie, że przepłaca (i ma rację) – ale z drugiej strony co miałby zrobić, wybrać słabszą konfigurację i patrzeć jak za każdym razem, gdy wzrośnie zainteresowanie jego stroną, serwer „będzie się mu topił”?

Dobrze byłoby więc mieć jakiś system, pozwalający poradzić sobie z takimi niespodziewanymi skokami. Zastanówmy się, jak wygląda problem, o którym tu mówimy. Przygotowany na różne okoliczności serwis internetowy to trzy warstwy: zwrócony na zewnątrz load balancer, przyjmujący żądania użytkowników i przekierowujący je do serwerów aplikacji, serwery aplikacji, na których uruchamiana jest logika oprogramowania, oraz serwery baz danych. Problem przeciążenia może dotyczyć każdej z tych warstw z osobna (i dlatego duże serwisy mają wiele load balancerów, nie mówiąc już o serwerach aplikacyjnych i bazodanowych), dla uproszczenia jednak skupmy się na warstwie logiki aplikacji.

Aplikacja działa na pewnej puli serwerów, z których każdy możliwy jest do zidentyfikowania po adresie IP. Teraz load balancer otrzymuje rozmaite żądania od użytkowników w ramach otwartych przez nich sesji i przekazuje je do jednego z serwerów aplikacyjnych w puli, wybierając go w ustalony sposób (np. losowo czy według najszybszej odpowiedzi). Im więcej żądań zostaje przekazanych do serwera aplikacyjnego, tym wolniej aplikacja będzie działać.

W sytuacji, gdy żądań robi się zbyt wiele, mamy dwie możliwości, aby utrzymać sensowną wydajność – albo zwiększymy liczbę serwerów w puli, albo dodamy do istniejących serwerów większą ilość pamięci i przyspieszymy działanie ich procesorów. Działania takie muszą być podejmowane automatycznie, przez mechanizm monitorujący rozmaite parametry działających w puli maszyn (np. obciążenie procesora, zużycie pamięci, ruch sieciowy, liczba wątków uruchomionych przez serwer WWW), i w zależności od ich zmian, modyfikujący zbiór zasobów infrastruktury, dodając lub ujmując określone elementy.

Bez względu na rodzaj podjętych działań, cel jest jeden – znaleźć równowagę pomiędzy oczekiwaną niezawodnością działania serwisu, a ilością wykorzystanych zasobów infrastruktury (pamiętając przy tym, że nic nie ma za darmo).

Gdy spróbujemy wyobrazić sobie działanie takiego systemu w tradycyjnym hostingu, sytuacja może w przerysowany sposób wyglądać dość komicznie – administratorzy pospiesznie wciskający do szaf kolejne serwery, a do serwerów kolejne kostki RAM w momencie nagłego wzrostu popularności serwisu – to chyba nie najlepszy pomysł. I tutaj właśnie wyraźniej można zauważyć przewagę chmury obliczeniowej.

Zobaczmy, jak to wygląda w wypadku Oktawave. W zwirtualizowanej puli zasobów mechanizm monitorujący stan maszyn wirtualnych i w razie potrzeby modyfikujący ich liczbę czy parametry, nazywa się Autoskalerem. Wyróżnia się dwa rodzaje autoskalerów – horyzontalne, zmieniające liczbę maszyn wirtualnych w puli, oraz wertykalne, które zmieniają parametry maszyn wirtualnych. Ten drugi rodzaj, ze względu na ograniczenia systemów operacyjnych, pod których kontrolą maszyny wirtualne działają, jest znacznie trudniejszy w realizacji, o ile bowiem dodanie do działającej maszyny wirtualnej dodatkowego procesora czy RAM jest możliwe, to ich usunięcie jest bardzo problematyczne.

Dlatego większość dostawców chmur, na czele z Amazonem, oferuje swoim klientom jedynie autoskalery horyzontalne, które w zależności od liczby żądań przechodzących przez load balancer dodają i ujmują repliki zwirtualizowanych serwerów aplikacyjnych czy bazodanowych. W wypadku Oktawave, dzięki wykorzystaniu środowiska wirtualizacyjnego VMware Oktawave bez większych ograniczeń może zmieniać typy serwerowych instancji, aby dopasować je do wymogów sytuacji.

Chmura Oktawave pozwala na skorzystanie w formie usługi dla klientów z wielu mechanizmów, które nie są w standardowy sposób udostępniane dla środowisk cloud computing oferowanych przez dostawców, nie tylko w Polsce, ale i na świecie. Są to między innymi usługi zawierające mechanizmy zmian serwerowych instancji, zarządzalny sposób operowania wolumenami dyskowymi czy usługi w dynamiczny sposób zmieniające sposób zarządzania relacyjnymi bazami danych. Z tego względu warto w skrócie od strony technicznej zapoznać się, jakiego typu mechanizmy są dostępne w usługach chmurowych tej firmy.

Oktawave Cloud Instances (OCI) – to usługa, która pozwala w łatwy sposób wykorzystać zasoby chmury obliczeniowej (wirtualnych serwerów, które nazywamy instancjami) do stworzenia i rozwoju skalowalnych serwisów i aplikacji internetowych, systemów dedykowanych, czy gier online. Dzięki rozliczaniu jedynie za wykorzystane zasoby ograniczone mogą zostać koszty związane z IT, jednocześnie zachowana zostaje zdolność do błyskawicznego dostosowania infrastruktury do zmieniających się potrzeb klientów i rynku.

Oktawave Volume Storage (OVS) – oferuje trwały zapis danych dla instancji, dzięki czemu można zarządzać wolumenami dyskowymi, bez względu na to które instancje z nich korzystają, a także przypisać jeden wolumen wielu instancjom jednocześnie, budując np. klastry SQL czy rozwiązania High Performance Computing (HPC). OVS jest standardowym urządzeniem blokowym pracującym w jednym z trzech standardów, które gwarantują następujące parametry:

• Tier-1: do 1000 IOPS oraz do 300 MB/s ciągłego transferu,
• Tier-2: do 20 000 IOPS oraz do 2 GB/s ciągłego transferu,
• Tier-3: do 50 000 IOPS oraz 3 GB/s ciągłego transferu.
• Tier-4: do 100 000 IOPS oraz 3 GB/s ciągłego transferu.
• Tier-5: do 200 000 IOPS oraz 3 GB/s ciągłego transferu.

Każdy wolumen OVS może w dowolnym momencie zostać zmigrowany do innej klasy. Kopie migawkowe (tzw. snapshot) wykonywane są w kontekście instancji, do której wolumen został przypisany.

Oktawave Cloud Storage (OCS) – to wysoko wydajny, niezawodny i bezpieczny sposób wymiany plików pomiędzy różnymi systemami i aplikacjami w Internecie. Zaprojektowany tak, aby ułatwione było tworzenie skalowalnych środowisk bez względu na wykorzystywane technologie.

Interfejs webowy daje dostęp do statystyk stworzonych wolumenów dyskowo-sieciowych i pozwala na dokonywanie na nich zmian. Udostępnione są również zaawansowane API klasy REST, pozwalające na integracje pomiędzy różnymi platformami.

Oktawave Relational Databases (ORDB) – to webowa usługa służąca uruchamianiu i zarządzaniu systemami relacyjnych baz danych w chmurze obliczeniowej. Zapewnia elastyczny model utrzymania baz danych w zakresie ich wydajności , zwalniając użytkownika z konieczności dbania o kopie zapasowe, migracje danych, czy optymalizację.

ORDB pozwala uruchomić popularne bazy MySQL oraz PostgreSQL, oferując pełen zakres funkcji relacyjnych baz danych i zapewniając bezpieczeństwo oraz łatwość w zarządzaniu – wszystkie operacje na bazach oraz zmiany dotyczące obsługujących je instancji można wykonywać zarówno poprzez webowy interfejs użytkownika, jak i w pełni transakcyjne API Oktawave (XML SOAP).

Istnieje również możliwość bezprzerwowej migracji instancji obsługującej silnik bazy danych na instancję o innych parametrach oraz przenoszenie baz danych pomiędzy fizycznymi instancjami całkowicie automatycznie i w dowolnymi momencie.

Usługi uzupełnione są również nie wszędzie spotykanymi narzędziami dla administratorów. Są to:

• Kontenery instancji, które ułatwiają zarządzanie całymi grupami instancji. To dzięki nim możliwe jest zastosowanie autoskallingu lub load balancingu do kilku instancji, co staje się szczególnie ważne przy dużym obciążeniu dotyczącym rozbudowanych i złożonych środowisk.
• Kopie migawkowe (snapshot). w każdym momencie, każdy silnik bazy danych można przełączyć w tryb snapshotu, co oznacza, że każda modyfikacja danych może zostać odwrócona.
• Klonowanie instancji. Klonowanie tworzy fizyczną kopię danych dostępnych na przestrzeni dyskowej pamięci masowych podłączonych do OCI. Przy każdym uruchomieniu tego procesu tworzony jest klon wszystkich danych w postaci nowej (bliźniaczej) instancji OCI. Narzędzie to ułatwia proces odzyskiwania, duplikacji czy archiwizacji kompletnych danych znajdujących się na danej instancji.