«Облачные» технологии начинают и выигрывают

Александр Беленький

От мэйнфреймов по спирали к «облаку»

Типы неравномерности потребления ИТ-ресурсов

Мультитенант­модель и экономика масштаба

«Облака» частные и публичные: что лучше?

В моем понимании «облака» — это прежде всего «мегацентрализация»
с точки зрения инфраструктуры информационных систем и упрощения работы потребителя
при обязательном снижении доли человеческого капитала, необходимого
для настройки, внедрения и сопровождения ИТ-решений.

Тагир Яппаров, председатель правления группы компаний «АйТи»

За последние два года тема «облачных» вычислений стала одной из самых популярных, о данной технологии написано немало статей и проведено большое количество конференций. В 2010 году в отчете «Leading In Times of Transition: The 2010 CIO Agenda» Gartner отметила, что «облачные вычисления по популярности поднялись с 16-го места на 2-е, а виртуализация, которую можно рассматривать как технологию, сопутствующую переходу к «облачным» вычислениям, — с 3-го на 1-е (табл. 1). Большинство авторов говорят о перспективности модели «облачных» вычислений. Чтобы технология была перспективной, она должна давать экономическую выгоду внедряющим ее компаниям. В чем же заключается эта выгода, и в каких случаях она наиболее четко проявляется? Обозначенные вопросы будут рассмотрены в данной статье.

От мэйнфреймов по спирали к «облаку»

Информационные технологии, подчиняясь общим законам развития, эволюционируют по спирали — от мэйнфреймов к клиент-серверной архитектуре, а затем к «облачным» вычислениям. В некотором роде «облако» — это возвращение к архитектуре мэйнфреймов, но на новом уровне (см. табл. 2). Действительно, мэйнфреймы появились как жесткая централизованная ИТ-инфраструктура. Будучи дорогой, эта технология до сих пор доступна лишь крупным организациям. С ростом вычислительной мощности стоимость ИТ-инфраструктуры на базе мэйнфреймов в расчете на один MIPS (million instructions per second — миллион инструкций в секунду) быстро снижается (см. рис. 2), но до определенного предела, что объясняется невысокой степенью утилизации серверов, а также тем, что мэйнфреймы — это сложное уникальное оборудование и специалисты по его обслуживанию обходятся недешево.

Появление персональных компьютеров и клиент-серверной архитектуры создало условия для модульного потребления ИТ. С развитием клиент-серверной технологии и ростом потребляемой вычислительной мощности стоимость ИТ-инфраструктуры на базе клиент-серверной модели в расчете на MIPS снижается до более низкого уровня вследствие меньшей стоимости обслуживания (рис. 1). Однако проблема низкой загрузки серверов остается и в клиент-серверной архитектуре.

Рис. 1. Влияние масштаба вычислительной системы
(количество MIPS) на ее стоимость

В модели «облачных» вычислений соединяются преимущества мэйнфреймов и клиент-серверной архитектуры, что позволяет существенно выигрывать в стоимости на один MIPS при масштабировании технологии (см. рис. 1). Вычислительная парадигма находится на этапе перехода от клиент-серверной к «облачной» модели. Основной стимул внедрения «облачных» технологий состоит в том, что они дают экономическую выгоду при построении ИТ-инфраструктуры по целому ряду параметров. Подобно тому как клиент-серверная модель потеснила мэйнфреймы, так и «облачные» технологии будут вытеснять клиент-серверную архитектуру в силу экономических преимуществ.

Внедрение «облачных» вычислений позволило получить экономию за счет стандартизации, объединения ресурсов и автоматизации многих сервисных операций, которые в традиционных ИТ выполняются вручную. Применение «облачных» вычислений стало возможным в результате слияния достижений в трех областях: стандартизации серверного оборудования, виртуализации и выработке новых принципов построения программных приложений, а также благодаря появлению новой бизнес-модели управления ИТ-инфраструктурой с оплатой только за те ресурсы, которые клиент действительно потребляет (рис. 2).

Рис. 2. Три составляющие «облачных» вычислений (источник:
Dan Sullivan. The Definitive Guide to Cloud Computing)

Динамическое перераспределение нагрузки в пространстве и времени позволяет увеличить утилизацию серверов. Построение «облаков» в крупных ЦОДах обеспечивает меньшую стоимость аренды в расчете на один сервер. Учитывая, что стоимость электроэнергии постоянно растет, становясь одним из основных элементов стоимости владения инфраструктурой и достигая в отдельных случаях 20% от общих расходов, экономичность использования электроэнергии в крупных дата-центрах позволяет существенно сократить расходы. Крупные дата-центры, расположенные в областях с низкой стоимостью электроэнергии, получают дополнительную экономию. Владельцы ЦОДов в разных регионах могут дополнительно оптимизировать затраты, учитывая колебания цен в регионах. В крупных дата-центрах расходы на обслуживание аппаратной единицы будут меньше, так как оператор работает с большим количеством серверов в единицу времени. В таких дата-центрах вопросы безопасности критичны и единая система безопасности, рассчитанная на большой парк серверов, может оказаться более эффективной, чем обеспечение безопасности в одном ИТ-отделе. Более того, владельцы крупных дата-центров могут получать большую скидку при массовой закупке аппаратного обеспечения. Именно в «облаке», где требуются массовые закупки однотипного оборудования, возможны самые существенные скидки при совершении подобных сделок.

В последнее время в мире стали создаваться всё более крупные ЦОДы. Например, компания Internet Villages в июле 2009 года объявила о запус­ке ЦОДа в Annadale Scotland общей площадью 3 млн м2 и стоимостью более 1600 млн долл. Подобный масштаб позволяет получать большую экономию в пересчете на единицу оборудования.

В невиртуализованном дата-центре каждое приложение обычно исполняется на своем сервере. При этом загрузка серверов составляет не более 10-15%. Технология «облачных» вычислений позволяет избежать привязки физических серверов к конкретным приложениям и отдельным пользователям. В «облаке» пользователь выделяет количество и тип виртуальных машин, необходимых для выполнения задачи, задача выполняется на виртуальной машине определенное время, а после ее решения виртуальная машина выключается или выделяется для работы над другим заданием. Распределение заданий и числа виртуальных серверов, исполняющихся на конечном числе физических серверов, может меняться очень быстро (рис. 3).

Рис. 3. Схема выделения и высвобождения ресурсов под различные задачи в «облаке» в разные моменты времени

Преимущество «облачной» технологии состоит в том, что она позволяет повысить утилизацию при объединении в единое пространство большого набора серверов и оптимально распределить нагрузки, нивелируя неравномерность потребления ресурсов в различных задачах разных пользователей (рис. 4).

Рис. 4. Схема утилизации при работе с выделенным
сервером (вверху) и утилизация серверов в «облаке»
(источник: Dan Sullivan. The Definitive Guide to Cloud Computing)

Типы неравномерности потребления ИТ-ресурсов

Можно выделить несколько видов неравномерности потребления ИТ. Во­первых, существует целый ряд приложений, в работе которых время и длительность запроса носят случайный характер. Например, в определенную минуту на почтовый сервер может обратиться сто человек, чтобы проверить почту, в следующую минуту их число может уменьшиться вдвое или, напротив, увеличиться в 10 раз. Чем больше серверов будут объединены в единый пул, тем больше возможность оптимизировать нагрузку.

Во­вторых, существуют повторяющиеся циклы, связанные с перераспределением нагрузки в течение суток. Если задания от заказчиков из разных часовых поясов запускать на серверах, объединенных в единый пул, то можно существенно оптимизировать нагрузку.

В-третьих, следует отметить неравномерность нагрузок, связанную со спецификой потребления вычислительных ресурсов, характерных для разных индустрий. Например, компании, занятые розничными продажами, часто имеют пик нагрузок в праздничные дни, в то время как у компаний, не работающих в праздники, напротив, в этот период будет спад нагрузки. Компания, занимающаяся обработкой налоговой информации, будет иметь пиковые нагрузки в период сдачи налоговой отчетности. Поэтому она будет вынуждена запланировать ресурсы, которые смогут справиться с данной нагрузкой в пиковые периоды, хотя в остальное время будут простаивать.

В-четвертых, существует проблема неравномерного потребления разного рода ИТ-ресурсов внутри компании. Вычислительные ресурсы, ресурсы по хранению данных и по операциям ввода­вывода обычно приобретаются в комплексе. Некоторые сервисы, такие как отработка поисковых запросов, требуют существенных вычислительных затрат, в то время как почтовым сервисам нужно больше ресурсов в плане хранения данных, но они не особенно требовательны в плане работы процессоров.

Еще одна проблема неравномерности потребления ресурсов связана со сложностью предсказания потребности в ИТ-ресурсах по мере роста бизнеса. Особенно для стартапов сложно спрогнозировать, какие вычислительные ресурсы потребуются через год. Например, компания планирует увеличение числа клиентов за год на 100% и закупает технику под соответствующий рост, а в результате бизнес растет на 300%, что приводит к нехватке вычислительных мощностей. При этом соседняя компания может столкнуться с противоположной проблемой, когда бизнес вместо роста сократится и часть ресурсов, наоборот, будет простаивать. Если бы эти две компании размещали свои ресурсы в одном «облаке», перераспределение ресурсов могло бы решить их проблемы. Это справедливо для всех вышеописанных неравномерностей потребления ИТ.

Основное преимущество «облачных» технологий — это именно возможность удовлетворять непредсказуемую неравномерность в потреблении ресурсов, оптимизируя при этом загрузку инфраструктуры. За счет объединения серверов в «облако» индивидуальные паттерны потребления от разных пользователей взаимно уравновешиваются и загрузка мощностей оптимизируется. Чем больше пул объединенных ресурсов, тем более равномерно можно организовать их загрузку.

На рис. 5 показаны результаты теоретического моделирования влияния сглаживания неравномерности потребления (коэффициент утилизации) при увеличении числа серверов.

Рис. 5. Результаты теоретического моделирования влияния
сглаживания неравномерности потребления (коэффициент утилизации)
при увеличении числа серверов

Как следует из графика, чтобы достичь коэффициента утилизации на уровне 50% при Uptime = 99,9% (бесперебойная работа 99,9% времени), нужно примерно 20 серверов, а для того, чтобы достичь коэффициента утилизации на уровне 50% при Uptime = 99,999%, — примерно 30 серверов. Из рисунка видно, что по мере роста числа серверов в общем пуле разница в их количестве, необходимом для достижения заданного коэффициента утилизации по уровню Uptime 99,9 и 99,999%, сокращается.

Следует отметить, что без технологии «облачных» вычислений многие задачи не могли бы быть решены в принципе. В рамках концепции «облачных» вычислений для пользователя экономически равноценны задания по организации вычислений на одной машине в течение 1000 часов или на 1000 машинах в течение одного часа. Это означает, что еще вчера (в отсутствие «облачных» технологий) корпоративный пользователь в случае появления экстренных краткосрочных массивных вычислений понимал, что на приобретение суперкомпьютера у него нет средств и тысячи часов для решения задачи на имеющихся вычислительных мощностях у него тоже нет, и в результате отказывался от решения проблемы в принципе. Сегодня, при возможности покупки сервисов из «облака», суперкомпьютер требуемой вычислительной мощности можно сконфигурировать с помощью обычного браузера и оплатить только то время, которое нужно для решения задачи.

Мультитенант­модель и экономика масштаба

Приведенные рассуждения справедливы как для синглтенант (single tenant), так и для мультитенант (multitenant) моделей. Причем мультитенант-модель является источником дополнительной экономии. Когда все пользователи работают с одним и тем же экземпляром приложения, нет необходимости внесения патчей или любых других изменений в каждый экземпляр ПО. За счет большого числа пользователей стоимость обслуживания приложения на одного клиента значительно снижается.

Несмотря на то что перемещение программных приложений в «облако» на базе использования виртуальных машин может давать экономию ресурсов, это решение не в состоянии реализовать все преимущества «облачных» вычислений. Во­первых, приложения, созданные для исполнения на одном сервере, не будут автоматически масштабироваться без программной доработки в плане добавления балансировки нагрузки и активного управления ресурсами. Традиционные пакетные приложения, написанные не для мультиарендной модели потребления, а применяемые просто по модели хостинга приложений, не дают ожидаемого эффекта. Для того чтобы использовать все преимущества «облака», следует применять SaaS-предложения, которые были изначально спроектированы для эластичного масштабирования и мультиаренды. Только в этом случае может быть достигнута максимальная экономичность решения.

Мультитенант­модель реализации приложений SaaS позволяет уменьшить объем услуг по управлению приложениями в пересчете на один экземпляр приложения (пользователя).

Рис. 6 показывает, в какой мере пользователь связан с управлением теми или иными элементами ИТ-инфраструктуры. Если в традиционной ИТ-инфраструктуре всё ложится на плечи пользователя, то в случае с SaaS за управление всеми элементами отвечает провайдер.

Рис. 6. Ответственность провайдера и потребителя
в разных моделях потребления «облачных» услуг (источник: Microsoft, 2010)

Сегодня одной из ключевых проблем в области ИТ во всем мире является дефицит квалифицированного персонала. Это касается не только развивающихся, но и развитых стран. Данная проблема особенно остро стоит в России, где демографическая ситуация весьма неблагоприятна. Стоимость специалистов неуклонно растет, а усложняющиеся ИТ требуют всё больше квалифицированных специалистов. ИТ-рынок не может развиваться за счет постоянного привлечения всё большего количества специалистов. Одна из особенностей «облачных» вычислений состоит в том, что они позволяют снизить потребность в ИТ-специалистах: часть работы выполняется небольшим количеством высококвалифицированных специалистов, которые работают в дата-центре провайдера и обслуживают большое число клиентов, а низкоквалифицированные операции переносятся на уровень самообслуживания.

Таким образом, масштабирование, которое «облака» делают возможным, позволяет повысить коэффициент утилизации не только серверов, но и персонала при сохранении или улучшении качества сервиса.

Комбинация разных факторов, таких как приобретение по более низкой цене серверов в крупных дата-центрах, оптимальная загрузка серверов и мультитенант-модель, экономия на обслуживании большого числа пользователей, работающих с одним экземпляром ПО, дает эффект экономии на масштабе в публичных «облаках» (рис. 7).

Рис. 7. Экономия на масштабе (источник: Microsoft, 2010)

Если экономическая целесообразность «облачных» вычислений подтверждается цифрами, то почему на новую технологию перешли далеко не все? На этот вопрос может быть множество ответов, касающихся тех или иных рисков, связанных с внедрением новой технологии. Однако риски присущи всем новым технологиям, а процесс внедрения всего нового инерционен. На рис. 8 показан типичный жизненный цикл внед-рения новой технологии, который справедлив и для «облачных» технологий. Каждая новая технология таит в себе определенные опасности, которые нивелируются по мере ее адаптации. При переходе от этапа, когда технологию реализуют новаторы, технологические энтузиасты и пионеры­внедренцы, к массовому внедрению должен произойти поворот в общественном сознании, требуется определенное критическое количество успешных внедрений.

Рис. 8. Жизненный цикл внедрения новой технологии

«Облака» частные и публичные: что лучше?

Традиционные виртуализованные дата-центры обычно позволяют объединять ресурсы в рамках организации: корпоративный ИТ-отдел на базе виртуализации снижает неравномерность потребления ресурсов, например связанную с нагрузкой в дневное и ночное время, особенно если речь идет о корпорации, у которой филиалы расположены в разных часовых поясах. Однако размер объединенных ресурсов и проблемы с перемещением нагрузки с одной виртуальной машины на другую (в особенности когда наблюдается недостаточная гомогенность в аппаратном обеспечении) снижают степень оптимизации эффективности ИТ-инфраструктуры. Этим объясняется то, что даже виртуализованные дата-центры утилизируют вычислительные ресурсы в недостаточной степени.

Дополнительная экономия ресурсов невозможна без принципиальной смены модели работы приложений. Сравнение разных моделей ИТ-архитектуры: публичное «облако», частное «облако», виртуализация и традиционная ИТ-инфраструктура — представлено на рис. 9.

Рис. 9. Сравнение разных моделей ИТ-архитектуры (источник: Microsoft, 2010)

Частное «облако» включает не только виртуализацию. Ресурсы объединены в рамках организации в большей степени, чем в отделах, и нагрузки беспрепятственно перемещаются между физическими серверами, что обеспечивает оптимизацию утилизации и увеличивает надежность и доступность ресурсов.

Публичное «облако» имеет те же архитектурные особенности, что и частное, но предоставляет гораздо более широкие возможности в плане масштабирования и сглаживания разных типов неравномерности потребления ресурсов различных пользователей. Публичные «облака» — это единственный вариант сглаживания индустриально специфических неравномерностей.

С точки зрения технологии нельзя сказать, что частное и публичное «облака» различаются по уровню зрелости. Однако частное «облако» вызывает меньше нареканий относительно безопасности и реже противоречит требованиям надзорных органов по организации безопасной работы критичных приложений.

На рис. 10 показаны данные, полученные компанией Microsoft при моделировании зависимости совокупной стоимость владения в расчете на один сервер как функции количества серверов в «облаке». Сравнивая частное «облако» с крупнейшими публичными «облаками» (более 100 тыс. серверов), можно количественно оценить потери частного «облака» при разном его объеме. Если в публичном «облаке» масштабность достигается за счет коллективной аренды, то в частном — силами корпорации: чем больше у нее серверов, тем выше экономичность частного «облака». Но даже при размере частного «облака» в тысячу серверов публичное крупномасштабное «облако» будет давать десятикратный выигрыш по стоимости совокупного владения в расчете на один сервер.

Рис. 10. Преимущества публичного «облака» над частным (источник: Microsoft, 2010)

Говоря о преимуществах частных «облаков», стоит отметить, что в этом случае компания полностью контролирует «облачную» инфраструктуру и сетевые ресурсы на этапе между источниками данных и «облаком».

Публичные «облака» зависят от публичной сетевой инфраструктуры, которая может варь-ироваться в широких пределах. Например, на рис. 11 показано, насколько может различаться средняя национальная скорость широкополосного подключения в разных регионах.

Рис. 11. Средняя национальная скорость широкополосного подключения
(источник: Akamai State of the Internet Report, 2009)

На рис. 12 отображена целесообразность применения публичного и частного «облаков». По вертикальной оси отложена степень экономической целесообразности использования публичных «облаков». Как уже было отмечено, с экономической точки зрения публичные «облака» всегда выгоднее частных, однако у них есть свои недостатки, например более низкая безопасность. По горизонтальной оси отложена степень предпочтительности частного «облака» в силу различных причин. Размер кругов отражает совокупный ИТ-бюджет компаний разных типов.

Рис. 12. Целесообразность применения публичного и частного «облаков» по состоянию
на 2010 г. (источник: Microsoft, 2010)

Для принятия стратегических решений важно представлять перспективы развития «облачной» модели приобретения ИТ. На рис. 13 показан прогноз эволюции потребления «облачных» предложений. Основной вывод состоит в том, что выгода от приобретения публичных «облаков» со временем будет возрастать. По мере того, как всё больше клиентов будут переходить на публичные «облака», провайдеры будут наращивать масштаб дата-центров, что увеличит их экономичность.

Рис. 13. Перспективы применения публичного и частного «облаков»
(источник: Microsoft, 2010)

По всей видимости, в России, где процесс внедрения «облаков» идет с отставанием от западных стран, будет наблюдаться следующая картина: вначале появятся SaaS-предложения в виде публичных предложений преимущественно для малых и средних предприятий (и это мы уже наблюдаем); затем частные крупные корпорации начнут внедрять частные «облака» (этот процесс в России только стартует). Со временем, видимо, и в России произойдет переход от частных «облаков» к публичным (пока эта тенденция неочевидна).

Минусы «облаков», такие как недостаточная безопасность, будут постепенно ликвидироваться, что также станет стимулом к их внедрению. В ряде случаев уже сегодня такие приложения, как почта, в публичных «облаках» не менее надежны, чем традиционные решения.

Стоимость широкополосного доступа продолжает снижаться, что делает сервис доступным для всё большего числа компаний.

Многие пользователи во всем мире готовы к переходу на SaaS, поскольку их разочаровали сложности традиционного цикла покупки лицензионного программного обеспечения, включающего длительную и дорогостоящую процедуру апгрейда. Многие заказчики считают, что они будут лучше контролировать ситуацию, если перейдут на ежемесячную оплату услуг поставщика сервиса, и если один провайдер не устроит их по уровню сервиса, то они смогут перейти к другому. Наконец, успехи первопроходцев этого бизнеса, прежде всего в лице Salesforce.com, продемонстрировали жизнеспособность и ценность этой модели. Очевидно, что на рис. 13 представлен упрощенный подход. ИT-инфраструктура не является монолитной на любом предприятии какой угодно индустрии. В каждой организации ИТ-задачи принадлежат к различным типам приложений: почта, CRM, ERP, SCM и т.д. Каждый тип приложений имеет свою специфику и характеризуется разной степенью сложности переноса в «облако». Это подтверждает опрос, проведенный компанией Microsoft в отношении CIO (рис. 14).

Рис. 14. Распределение ответов на вопрос:
«Укажите, для каких типов приложений традиционная форма
развертывания будет замещена “облачной” частично, а для каких —
полностью в ближайшие 12-24 месяца» (источник: Microsoft, 2010)

Многие сложные системы разрабатывались как комплексы программ в течение длительного времени, и их сложно перемещать в «облако». Прежде всего к таким сложным комплексным системам относятся ERP. Напротив, приложения, которые разрабатывались как более изолированные, например CRM, проще перемещать в «облако».

Несколько иную точку зрения на перспективность перехода на «облачные» технологии разного рода приложений демонстрируют результаты опроса, проведенного компанией IDC.

Традиционные поставщики ПО во многих отраслях, которые не успели предложить клиентам услуги в виде SaaS-сервисов, начали ощущать угрозу сокращения своей доли бизнеса.

Компании­клиенты стремятся приобретать технологии для автоматизации управления HR, CRM и начисления заработной платы, а также автоматизации совместной работы в тех областях, где нет критичных требований к безопасности и конфиденциальности, имеется распределенная база пользователей и не требуются существенные кастомизация и интеграция с местными приложениями.

Представление о том, какие виды приложений будут в перспективе востребованы в виде «облачной» модели, дает также рис. 15.

Рис. 15. Распределение ответов респондентов на вопрос:
«Укажите, для каких типов приложений традиционная форма развертывания
будет в первую очередь замещена “облачной”» (источник: IDC)

Весьма перспективными в публичном «облаке» будут заказы на выполнение отдельных заданий на суперкомпьютерных конфигурациях, которые пользователи обычно не могут сконфигурировать на их собственном оборудовании. Весьма перспективны также задачи разработки и тестирования в публичных «облаках». Самым крупным рынком представляются средства обеспечения коммуникаций и сотрудничества (рис. 16).

Рис. 16. Области использования разных приложений в публичной
и частной «облачной» инфраструктуре (источник: Microsoft)

В качестве вывода можно перечислить основные экономические выгоды от внедрения «облачных» технологий:

1. централизация ИТ-инфраструктуры в «облаке» на базе крупных дата-центров позволяет оптимизировать затраты на покупку и размещение оборудования;
2. объединение серверов в «облаке» дает существенную экономию за счет оптимизации коэффициента утилизации ресурсов, особенно в публичных «облаках»;
3. мультитенант-модель снижает расходы на поддержку ПО;
4. централизация ИТ-инфраструктуры в «облаке» снижает потребность в ИТ-специалистах, необходимых для настройки, внедрения и сопровождения ИТ-решений;
5. эластичность потребления ИТ в «облаке» позволяет выполнять новые задачи, которые невозможно было решать в рамках старой архитектуры.

В статье использованы материалы Microsoft и IDC

КомпьютерПресс 07'2011