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Ein erweiterbares NVM-Programmiermodell ist für die Weiterentwicklung erforderlich

Nichtflüchtiger Speicher (NVM) wird in Zukunft immer wichtiger. Der Branchenverband SNIA will mithilfe von Regularien dafür ein Rahmenwerk schaffen.

Mit der zunehmenden Nutzung der Cloud wird auch der Ruf nach mehr Performance von Cloud-Operationen immer lauter. Als Reaktion auf diese Nachfrage haben verschiedene Cloud-Provider begonnen, Solid State Storage (SSD) für Cloud-Computing-Workloads anzubieten.

Dieser Artikel enthält einen Überblick über diese Angebote und vergleicht die unterschiedlichen Ansätze.

Cloud Storage

Auf den typischen Speicher in der Cloud wird über das Internet zugegriffen. Das betrifft Anwendungsfälle wie Sync and Share, Backup und Archivierung. Die Latenzzeit eines Zugriffs auf die gespeicherten Daten hängt daher größtenteils von der Netzwerkverbindung ab. Solid-State-Speicher könnten schnellere Antwortzeiten auf Anfragen bieten, aber das wäre durch die Gesamtlatenz der Netzwerkverbindung gar nicht bemerkbar. Daher können Cloud-Provider die zusätzlichen Kosten für Solid State nur an die Kunden weitergeben, wenn diese auch einen Vorteil davon haben.

Ein Beispiel ist der Durchsatz: Solid State kann mit einer großen Zahl an gleichzeitigen Zugriffen umgehen, was insbesondere bei Medienservern sehr wichtig ist. Daher kann der Einsatz auch für Netzwerke zur Inhaltsverteilung gerechtfertigt werden.

Obwohl das einen Wettbewerbsvorteil für den Provider darstellen kann, wissen die Benutzer normalerweise nicht, welcher Speicher eigentlich verwendet wird.

Cloud Computing

Beim Cloud Computing wird Software auf einer Maschine oder Virtual Machine (VM) im Rechenzentrum des Providers gehostet. Diese Rechenressourcen befinden sich im selben Rechenzentrum wie der Speicher und sind in einigen Fällen über ein Netzwerk mit geringen Latenzen verbunden. Daher kann Solid State Storage die Rechen-Performance von Anwendungen beschleunigen.

Verschiedene Cloud-Computing-Provider, die Infrastructure as a Service (IaaS) anbieten, haben nun auch Solid State Storage in ihr Produktportfolio aufgenommen. Bei IaaS-Angeboten gibt es typischerweise zwei Speicherarten: der flüchtige Speicher einer Virtual-Machine-Instanz, der wieder verschwindet, wenn die VM nicht mehr benötigt wird, und dauerhafte Blockspeicher. Beide Arten können auf Solid State beruhen und die Provider reichen die Kosten dafür bei diesen Angeboten normalerweise an die Kunden weiter.

Standards

Die Storage Networking Industry Association (SNIA) hat eine Standardschnittstelle für das Daten-Management in der Cloud entwickelt, die so genannte „Cloud Data Management Interface“ (CDMI), die mittlerweile zu einem ISO-Standard geworden ist. CDMI spezifiziert das Anforderungs-Management von Daten in einer Cloud-Umgebung. Die Datenanforderungen werden durch die Spezifizierung der Metadaten für einzelne Elemente (wie Objekte) oder Datencontainer (wie Blockgeräte oder Dateisysteme) definiert. Bei der Verwendung für das Cloud Computing kann CDMI für die Spezifizierung der Anforderungen für Blockspeichergeräte wie SSD, die mit einer VM verbunden sind, eingesetzt werden.

Diese Parameter sind „Hinweise“ für die zugrunde liegende Infrastruktur, der dann bestimmten Speichertypen wie Solid State, klassische Festplatten oder sogar Tapes zugewiesen wird. Diese Hinweise können außerdem die Verbindungsart zwischen der CPU und dem Speicher wie PCIe, NVMe, SAS und so weiter berücksichtigen. CDMI ermöglicht zudem, dass die Instrumentierung der tatsächlich bereitgestellten Werte auch in den Metadaten erfasst wird.

Bedenken

Daten auf Solid-State-Speichern in der Cloud werden normalerweise nicht überschrieben, wenn neue Daten am selben Ort gespeichert werden. Da SSDs mit der Zeit verschleißen, haben sie ein Flash Translation Layer (FTL), das Speicherprozesse über die Flash-Speicherorte verteilt. Daher besteht die Möglichkeit, dass die Daten sich weiterhin auf einem Laufwerk befinden, obwohl es in den allgemeinen Pool zurückgeführt wurde. Um dieses Problem zu lösen, verschlüsseln einige Provider die gespeicherten Daten mit eigenen Verschlüsselungscodes. Einige Provider wie Google ermöglichen es sogar, eigene Schlüssel zu verwenden. Unternehmen sollten sich die spezifischen Eigenschaften ihres Cloud-Providers ansehen.

Zukunft

Einige der neuesten Fortschritte im Bereich Solid State betreffen Systementwickler, wurden aber noch nicht für Cloud-Angebote übernommen. Auf nichtflüchtige Speicher kann beispielsweise mit Geschwindigkeiten, die an DRAM heranreichen, zugegriffen werden und sie sind mit Adressen und Datenleitungen für eine Schnittstelle ausgestattet.

Um diese neuen Technologien nutzen zu können, müssen Änderungen an Betriebssystemen und Hypervisoren vorgenommen werden. Dennoch ist es nur noch eine Frage der Zeit, bis diese Technologien unterstützt und Cloud-Computing-Provider beginnen werden, Virtual Machines mit nichtflüchtigem Speicher anzubieten. Als Resultat werden Anwendungen immer mehr Performance bieten, wenn auch zu einem gewissen Preis, da dieses neue Modell für Bibliotheken und Language Compiler in einigen Fällen Änderungen nötig macht. Die SNIA hat ein NVM-Programmiermodell für nichtflüchtige Speicher spezifiziert.

„Die SNIA hat ein NVM-Programmiermodell für nichtflüchtige Speicher spezifiziert.“

Daniel Sazbon, SNIA

Es wurde aufgrund der stetigen Verbreitung von nichtflüchtigem Speicher (engl. non-volatile memory, NVM) und neuen NVM-Technologien entwickelt. Ein erweiterbares NVM-Programmiermodell ist nötig, um es der industrieweiten Community an NVM-Herstellern und -Verbrauchern zu ermöglichen, sich durch erhebliche Änderungen an der Architektur von Storage- und Speichersystemen gemeinsam weiterzuentwickeln.

Dieses Modell definiert das empfohlene Verhalten zwischen unterschiedlichen Kernelkomponenten von Userspaces und Betriebssystemen (OS), die NVM unterstützen. Es beschreibt jedoch keine spezifische API. Stattdessen ist das Ziel, ein gemeinsames NVM-Verhalten für betriebssystemabhängige Schnittstellen zu definieren.

Nach der Erklärung des Kontexts beschreibt dieses Modell verschiedene Operationsmodi für den NVM-Zugriff. Jeder Modus wird abhängig von Anwendungsfällen, Aktionen und Attributen beschrieben, die die Userspace- und Kernelbereichs-Komponenten über die Funktionen einer bestimmten konformen Implementierung informieren.

Über den Autor:
Daniel Sazbon ist Chairman der Storage Networking Industry Association (SNIA) Europe.

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Artikel wurde zuletzt im April 2017 aktualisiert

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