Intelligente Flash-Nutzung in Storage-Systemen

Intelligente Speichersysteme erreichen trotz kostengünstiger Kombination aus Flash- und Festplattenspeicher eine Latenz im Sub-Millisekunden-Bereich.

Der Einsatz von Flash-Technologie bei Storage hat den von den langsamen magnetischen Festplatten verursachten Flaschenhals im Prinzip beseitigt. Neue, mit Flash bestückte Systeme bieten endlich höhere Leistung. Doch Vorsicht ist geboten! Flash bietet zwar eine außergewöhnliche hohe IOPS-Leistung, birgt aber gleichzeitig zahlreiche neue Probleme: Write Amplification, Latenzspitzen, begrenzte Schreibbeständigkeit und nicht zuletzt die sehr hohen Kosten pro GB. Um die hohe IOPS-Leistung zu nutzen und gleichzeitig die Kosten pro GByte von Flash-Technologie aufzuwiegen, bieten neue Flash-Speichersysteme eingebaute Intelligenz und distanzieren sich damit von der ersten Generation von Flash-Storage.

Ed Lee, Tintri

Seitdem Flash im Data Center Einzug gehalten hat, versuchen etablierte und neue Anbieter die neue Technologie in unterschiedlicher Weise zu nutzen. Die entsprechenden Produkte lassen sich grob in zwei Kategorien unterteilen:

  1. Festplattenbasierte Produkte mit Flash als Cache
  2. All-Flash-Produkte (mit oder ohne HDDs für erweiterte Kapazität)

Festplattenbasierte Systeme - Potenzial von Flash-Cache nicht optimal genutzt

Festplattenbasierte Produkte sind grundsätzlich darauf ausgelegt, die Nutzung von Festplatten zu optimieren. Sie werden mit Flash-Speicher kombiniert, der als Cache dient, um die Lesegeschwindigkeit zu erhöhen. Flash-Speicher als Cache ist relativ einfach zu implementieren und es ist daher wenig überraschend, dass sich die meisten Speicheranbieter für diesen Weg entschieden haben.

Abbildung 1: Cache-Architekturen mit Flash geben Schreibvorgänge an die Festplatte weiter und lesen direkt vom Flash.

Viele "Flash-as-Cache"-Implementierungen sind jedoch nicht persistent und nicht redundant, entsprechend fällt die Leistung nach Abstürzen beziehungsweise Ausfällen von Komponenten rapide ab. Da die Masterkopie auf der Festplatte verbleibt, wirkt sich diese Verwendung von Flash-Speicher bei Lesevorgängen positiv aus, jedoch nicht bei Schreibvorgängen. Aus diesem Grund steigt die Gesamtleistung nicht proportional zu den Verbesserungen im Bereich der Flash-Technologie.

Abbildung 2: Festplattenbasierte Architekturen werden trotz Flash-Speicher durch hohe Latenz beeinträchtigt.

Ein immer wichtigerer Parameter moderner Systeme ist jedoch die Latenz. Abbildung 2 stellt die Auswirkungen der Flash-Zugriffsrate auf die Latenz dar. Cache-Treffer von 50 Prozent sind typisch für festplattenbasierte Produkte mit Flash-Speicher als Cache. Selbst bei einer Flash-Hit-Rate von 67 Prozent ist die durchschnittliche Lese-Latenz jedoch immer noch zehnmal höher als bei reinen Flash-basierten Produkten. Da Festplatten integraler Bestandteil des grundlegenden Datenpfades von festplattenbasierten Produkten sind, können sie unmöglich Latenzzeiten auf Flash-Niveau erreichen und bleiben deshalb weit hinter den Möglichkeiten, die Flash bietet zurück.

All-Flash-Storage – teuer und kompliziert in der Verwaltung

Im Gegensatz zu Festplatten-Systemen sind Flash-basierte Produkte speziell für Flash-Technologie konzipiert und zeichnen sich durch eine deutliche geringere Latenz aus. Sie unterscheiden sich insbesondere dadurch, dass ihr grundlegender Datenpfad keinen Zugriff auf Festplatten erfordert. Bei Flash-basierten Produkten kommen oft kostengünstige MLC-Technologien zum Einsatz und zum Teil neue Techniken wie Inline-Deduplizierung und -Komprimierung, um die hohen Kosten pro GByte für Flash-Storage in Grenzen zu halten. Die meisten Flash-basierten Systeme sind reine Flash-Produkte, einige weisen aber auch integrierte Festplatten auf, um die Kapazität günstig zu erweitern und die Verwaltung zu vereinfachen.

Abbildung 3: Reine Flash-Produkte sind keine vollständigen Lösungen.

Die ersten All-Flash-Systeme waren darauf ausgelegt, die höchstmögliche IOPS-Leistung zu erreichen. Entsprechend sind die Kosten pro GByte in der Regel sehr hoch und es fehlt solchen Systemen an Enterprise-Funktionen wie Hochverfügbarkeit, Snapshots und Klone. Selbst mit Inline-Deduplizierung und -Komprimierung sind All-Flash-Arrays derzeit noch zu teuer, um sie für den Großteil der Anwendungen in einem Unternehmen einzusetzen. Auch wenn man von äußerst optimistischen Schätzungen für diese hochentwickelten Methoden ausgeht, werden MLC-Flash-Geräte immer mindestens fünfzehnmal so viel pro GByte kosten wie SATA-HDDs. Entsprechend sind für reine Flash-Arrays separate, kostengünstige festplattenbasierte Speichersysteme für Snapshots, Replikate, selten genutzte Daten und Daten von weniger I/O-intensiven Anwendungen erforderlich (Abbildung 3). Folglich besteht bei All-Flash-Arrays ein erheblicher zusätzlicher Arbeitsaufwand für die Bereitstellung von Anwendungen, beziehungsweise der Aufhebung der Bereitstellung zwischen Flash-Speicher und Festplatte. Die Verwendung von reinen Flash-Produkten für Enterprise-Anwendungen erfordert eine umfassende Planung, Überwachung und Erweiterung der Infrastruktur.

Einsatz von Flash-Intelligenz

Zu festplattenbasierten Produkte gehört weiterhin die Festplatte und die damit limitierten Systeme können nur bedingt von der Flash-Leistung profitieren. Reine Flash-Produkte zeichnen sich hingegen durch eine gute IOPS-Leistung aus, sind jedoch teuer und es fehlt ihnen an Verwaltungsfunktionen. Entsprechend stellen beide Möglichkeiten keine umfassende Lösung für Enterprise-Anwendungen dar. Die Flash-Leistung ganz auszuschöpfen, ohne gleichzeitig die Einschränkungen und hohen Kosten reiner Flash-Produkte hinnehmen zu müssen, erfordert einen intelligenteren Ansatz.

Abbildung 4: Bei intelligenten Flash-basierten Produkten kommt eine Kombination aus Flash- und Festplattenspeicher zum Einsatz. So kann man eine Flash-Hit-Rate von 99 Prozent zu erreichen und effizienter eine Leistung im Sub-Millisekunden-Bereich erzielen, als mit All-Flash-Arrays.

Bei intelligenten Flash-basierten Storage-Systemen wird auch eine Kombination aus Flash- und Festplattenspeicher verwendet. Es kommen aber Techniken wie Inline-Deduplizierung, -Komprimierung und Working-Set-Analysen zum Einsatz, um praktisch alle I/O-Vorgänge des Flash-Speichers zu verarbeiten (Abbildung 4).

Abbildung 5: In intelligenten Flash-basierten Speichersystemen werden alle Schreibzugriffe im Flash-Speicher ausgeführt. Mindestens 99 Prozent der Lesezugriffe erfolgen aus dem Flash-Speicher. Schreibvorgänge auf die Festplatte passieren nur, wenn selten benötigte Daten entfernt und auf die Festplatte verschoben werden sowie  die Anwendungsleistung nicht beeinträchtigt wird.

Dazu werden unnötige Informationen aus dem Flash-Speicher entfernt und nur wichtige Daten dort belassen. Bei den aus dem Flash-Speicher entfernten Daten handelt es sich vor allem um Snapshots, Replikate, nicht genutzte Anwendungen, ausgeschaltete VMs und andere äußerst selten benötigte Daten. Anders als bei reinen Flash-Produkten kann so der nutzbaren Flash-Speicher zu 100 Prozent gefüllt werden, ohne befürchten zu müssen, dass der Speicherplatz knapp wird. Intelligente Flash-basierte Produkte erreichen Flash-Latenzen im Sub-Millisekunden-Bereich und sind im Hinblick auf den Betrieb weitaus einfacher und kostengünstiger als All-Flash-Produkte (Abbildung 5).

Die Zukunft der Enterprise-Speichertechnologie

Angesichts der Tatsache, dass zahlreiche aktuelle Probleme bei der Anwendungsverwaltung auf das Storage zurückzuführen sind, sind Flash-Speicher in Verbindung mit Application-Awareness intelligente Speichersysteme. Sie vereinfachen nicht nur die Verwaltung des Speichers, sondern auch die der Anwendungen und der IT-Infrastruktur insgesamt. Die Lösung klingt einfach, warum wurde dieses Konzept also nicht schon früher umgesetzt? Die mechanischen, festplattenbasierten Systeme vor der Einführung der Flash-Technologie waren zu komplex, um derart intelligente Lösungen zu ermöglichen. Das wäre dem Versuch gleichgekommen, einen PC mithilfe von Vakuumröhren zu bauen. Der große Sprung, der im Hinblick auf die Flash-Leistung gemacht wurde, ermöglicht nun intelligente Storgae-Lösungen, die einfacher aufgebaut und gleichzeitig sehr viel leistungsstärker sind. Die Technologie automatisiert viele der schwierigen und lästigen Aufgaben, beispielsweise im Hinblick auf die Konfiguration, Verwaltung, Effizienz und Leistung, durch die andernfalls ein enormer Verwaltungsaufwand für die Systemadministratoren entstehen würde.

Nur auf Flash als endgültige Lösung des Speicherproblems zu setzen, wäre also zu kurz gedacht: Es kommt vor allem auf die intelligente Nutzung von Flash-Storage an, um dessen Vorteile zu genießen ohne unnötigerweise das Festgeldkonto plündern zu müssen

Über den Autor: Ed Lee ist Architect bei Tintri. Vor Tintri arbeitete er als Principal Systems Architect bei Data Domain. Dort war er federführend bei der Entwicklung von Data Domains Dateisystem. Lee hält einen Ph.D. der Universität of California in Berkeley und war dort ein Mitglied des legendären Berkeley-RAID-Teams.

Artikel wurde zuletzt im Mai 2014 aktualisiert

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