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NVMe kann Queue-Depth Flaschenhälse beseitigen, das Storage-Array hindert

Die Wirkungen von Queue-Depth und Fan-in/Fan-out-Verhältnissen können durch NVMe gemildert werden. Allerdings bremst der Storage-Array-Controller.

NVMe (Non-volatile Memory Express) wird Flash-Storage gravierend verändern. Die Technologie basiert auf dem PCIe-Slot-Format. Mit ihr kann man Flash-Drives über den PCIe-Slot und mit einer standardisierten Verbindungsmethode anbinden. Proprietäre Kartenprotokolle und bestehende SAS- und SATA-Methoden werden dadurch abgelöst.

Die große Neuigkeit liegt in den Details zu NVMe: Die Zahl der möglichen I/O-Warteschlagen (Queues) wächst erheblich und genauso die Zahl der Speicheranfragen, die in jeder Queue warten können, bis sie an die Reihe kommen. Man spricht hier von der Queue-Depth (Warteschlangentiefe). Dabei hat jeder Port seine eigene Port-Queue.

Warum ändert das so viel? SAS und SATA können Queues mit 254 respektive 32 Anfragen handhaben. Steigt die Zahl der Ein-/Ausgabeanfragen darüber hinaus, wird die Transaktion nicht sofort durchgeführt, sondern es folgt etwas später ein neuer Anlauf. Die Queues bei SAS und SATA laufen ziemlich schnell voll. Denn ein einziger Storage-Port versorgt möglicherweise eine ganze Reihe von Endgeräten und erreicht dadurch ein hohes Fan-out-Verhältnis. Diese Endgeräte können alle Anfragen an diesen Port stellen, die dann in einer einzigen Queue landen.

Ein wichtiges Thema bei Aufbau und Management der Speicherinfrastruktur ist es, sicherzustellen, dass die Queue-Handhabungsmechanismen an die Anforderungen der Hosts angepasst werden. Das Fan-in/Fan-out-Verhältnis muss richtig eingestellt werden und festgelegt werden, wie viele Hosts an einem Port zusammenlaufen und an wie viele Hosts ein Port Daten überspielt.

Genau das könnte allerdings durch NVMe obsolet werden. Denn NVMe wird mit Queue-Depths von bis zu 65.000 fertig werden. Das ist wichtiger, weil sie die wiederholte Bearbeitung von Abfragen wegen einer vollgelaufenen Queue meist unnötig machen dürfte. Dadurch sinken letztlich die Antwortzeiten.

Mit SAS und SATA könnte die Zahl der Ein-/Ausgabeanfragen, die auf Bearbeitung warten, schnell zu einem Engpass werden. Um zu verhindern, dass I/O-Requests fehlschlagen, weil die Warteschlange überläuft, müsste man viele Festplatten zu LUNs zusammenfassen und sie alle so „kurzschließen“, dass alle Anfragen schleunigst abgearbeitet werden.

Flash-Laufwerke, die zehn- oder hundertmal so viele IOPS (Ein-/Ausgabeoperationen pro Sekunde) und den vielfachen Durchsatz von Festplatten erreichen, haben einen größeren Puffer für die Aufnahme der I/O-Requests. Die Kapazität von 65.000 Queue-Depths von NVMe passt zur hohen Leistungsfähigkeit der Laufwerke.

Das ist heute und in naher Zukunft allerdings bloße Theorie. Die großen Fähigkeiten von NVMes, Queue-Depths zu handhaben, sind ein direkter Weg, den Ein-/Ausgabeverkehr schnellstens durchzuleiten und beseitigen diesen Engpass vollständig.

Unglücklicherweise bleibt jedoch der Flaschenhals am Storage Array Controller bestehen. Denn Storage Controller sind meist noch nicht dafür gebaut, mit den Leistungskapazitäten von NVMe mitzuhalten.

Deshalb bleibt es derzeit dabei, dass Storage-Administratoren ihre I/O-Tuning-Fähigkeiten nutzen müssen, um die passenden Relationen zwischen Ports und Endgeräten, die optimale Queue-Tiefe und andere Parameter für jede individuelle Installation herauszufinden.

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Artikel wurde zuletzt im März 2017 aktualisiert

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