Paragon Alignment Tool

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1 Steigern Sie die Leistung Ihrer Systeme drastisch mit optimal ausgerichteten Partitionen. Wertvolles Know-How für jeden, der Speichersysteme, Rechenzentren oder virtuelle Server betreut. Inhalt Einführung...2 Was ist Partitionsausrichtung?...2 Warum sind falsch ausgerichtete Partitionen auf Festplatten problematisch?...4 Wie löst das Paragon Alignment Tool dieses Problem?...7 Warum sind falsch ausgerichtete Partitionen auf Solid-State-Disks (SSD) problematisch?...9 Warum sind falsch ausgerichtete Partitionen problematisch für SAN und RAID?...9 Warum sind falsch ausgerichtete Partitionen für virtuelle Maschinen problematisch?...11 Fazit...12

2 Einführung Die Zugriffsgeschwindigkeit Ihrer Speichersysteme hängt von vielen Faktoren ab. Einer von diesen ist ein sinnvoll konfiguriertes Partitionsschema. Dieser Artikel beschreibt, wie eine falsche Ausrichtung der Partitionen auf modernen Festplatten Dateioperationen negativ beeinflussen kann. Erst seitdem moderne Festplatten und Solid-State-Disks intern mit vier KByte großen Sektoren arbeiten, ist das Problem falsch ausgerichteter Partitionen für IT-Profis und auch Heimanwender relevant. Auch virtuelle System-Umgebungen sowie RAID-Systeme können wesentlich von korrekt ausgerichteten Partitionen profitieren. In allen Problemfällen passt die physische Datenstruktur, die Speichergeräte intern verwenden, nicht mit der logischen Einteilung zusammen, die etwa das Dateisystem vorgibt. Das kann zu wesentlichen Leistungseinbußen führen und auch die Lebensdauer der Festplatten verringern. Was ist Partitionsausrichtung? Um zu zeigen, was es mit der Ausrichtung der Partitionen auf sich hat, betrachten wir zunächst, wie die Daten auf dem Laufwerk gespeichert werden. Ein Dateisystem-Cluster ist in diesem Beispiel zwei Sektoren zugeordnet. Wenn das Betriebssystem etwa eine wenige Byte große Textdatei einliest, ruft es dabei einen Cluster ab und das Speichergerät liefert den Inhalt zweier Sektoren der physischen Ebene. In der Praxis ist ein Cluster jedoch mit deutlich mehr Sektoren verknüpft. In der Abbildung stimmt der Beginn der Partition mit dem ersten Sektor überein. Alle Cluster sind an physischen Sektoren ausgerichtet der ungebremste Datentransfer ist also gewährleistet. Hier sehen Sie die vereinfachte Darstellung eines Partitions- Schemas, in der eine einzige Partition die gesamte Festplatte und damit sämtliche Sektoren belegt. Ein Sektor ist die kleinste Speichereinheit, die das Betriebssystem auf einem Gerät adressiert. Die Partition ist am ersten Sektor ausgerichtet, ihr Startpunkt stimmt also mit dem Beginn des ersten Sektors überein. Diese erste Darstellung zeigt noch nicht alle Ebenen das Dateisystem fasst seine Daten in Blöcken zusammen, den so genannten Clustern. Hier sehen Sie, wie die Cluster mit den Sektoren verbunden sind: Doch nun schauen wir uns an, wie eine falsche Ausrichtung der Partitionen zustande kommen kann: Warum sind falsch ausgerichtete Partitionen auf Festplatten problematisch? Aktuelle Festplatten verwenden seit einigen Jahren für ihre interne Verwaltung Sektoren, die größer als 512 Byte sind und viele Betriebssysteme und Programme wissen davon nichts. Jüngere Festplatten von Western Digital, Seagate und anderen Herstellern arbeiten intern mit vier KByte großen Blöcken. Nach außen hin erscheinen die neuen Geräte aber weiterhin als traditionelle Festplatten. An der Schnittstelle zum PC liefern sie Sektoren aus, die 512 Byte groß sind. So bleiben die neuen Festplatten kompatibel zu alter Software. Es kommt jedoch eine weitere Abstraktionsebene hinzu. 2

3 Die älteren Betriebssysteme legen zudem den Start der ersten Partition auf den Sektor 63. Diese Zahl bezieht sich auf die längst veraltete Einheit der Festplatten-Zylinder : Alte DOS- und Windows-Versionen verlangen, dass die erste Partition genau an einer Zylindergrenze beginnt. Hier sehen Sie drei Abstraktionsebenen: Auf der untersten, physischen Ebene arbeitet die Festplatte mit vier KByte großen Sektoren. Auf der zweiten Ebene verwendet die externe Schnittstelle des Geräts Sektoren, die 512 Byte groß sind. Und in der oberen Schicht arbeitet das Dateisystem mit Clustern, die ebenfalls vier KByte groß sind das entspricht acht emulierten Sektoren und einem physischen Sektor, den die Platte intern speichert. In der Abbildung sind alle drei Ebenen säuberlich am Beginn der Festplatte ausgerichtet. Wenn Sie also einen Cluster auf der Ebene des Dateisystems lesen oder schreiben, wird er in acht 512-Byte-Sektoren und einem 4-KByte-Sektor aktualisiert. So soll es sein: Die Zahl der Lese- und Schreibvorgänge ist minimal und die optimale Performance ist gewährleistet. Kein aktuelles Betriebssystem verwendet noch das antike Adressierungs-Schema CHS (Zylinder/Kopf/Sektor). Seit vielen Jahren ist die Logische Block-Adressierung (LBA) aktuell, bei der die Sektoren über kontinuierlich nummerierte Adressen angesprochen werden. Windows XP und seine Vorläufer halten sich nur aus Kompatibilitätsgründen an die Zylindergrenzen-Regel. Das war auch kein Problem, bevor Festplatten mit 4-KByte-Sektoren für den Massenmarkt produziert wurden. Am Sektor 63 ausgerichtete Partitionen sind aber in Bezug auf 4-KByte-Sektoren verschoben, wie sich leicht nachrechnen lässt: 63 Sektoren * 512 Bytes 1 Sektor * 4096 Bytes = 7, Sektoren à 512 Bytes lassen sich ganzzahlig nicht durch 4 KByte teilen die Partition und alle folgenden sind falsch ausgerichtet. Problematisch wird es, wenn die Cluster eines Dateisystems im Bezug zu den darunterliegenden Schichten verschoben sind. Hier ist die Partition vom Anfang der Festplatte um einen 512-Byte-Sektor verschoben. Damit sind nun alle Dateisystem- Cluster mit zwei physischen 4-KByte-Sektoren verbunden auf der unteren Ebene werden doppelt so viele Lese- und Schreibzugriffe nötig. Darunter leidet der Durchsatz des gesamten Systems. Wie kommt es zu so einer Verschiebung? Alle älteren Windows- Betriebssysteme, die Microsoft vor Windows Vista veröffentlicht hat, verwenden Dateisystem-Cluster, die ein Vielfaches von 512 Bytes groß sind. Den Beginn einer Partition richten sie an 512-Byte-Sektoren aus, nicht an 4 KByte großen, wie es für eine moderne Festplatte ideal wäre. Wie löst das Paragon Alignment Tool dieses Problem? Wie Sie vielleicht schon vermuten, verschiebt das Paragon Alignment Tool (PAT) lediglich falsch ausgerichtete Partitionen an den richtigen 512-Byte-Sektor, um sie korrekt auszurichten. Um zum Beispiel eine an Sektor 63 beginnende Partition zu korrigieren genügt es, sie um einen Sektor nach vorne zu schieben. 64 Sektoren x 512 Byte 1 Sektor x 4096 Byte = 8 3

4 Jetzt entspricht der Startpunkt der Partition der 4-KByte-Grenze; die Ausrichtung der Partition und aller folgenden stimmt. Bei SSDs gibt es neben den Geschwindigkeits-Einbußen (die sich hier weniger stark bemerkbar machen, als bei Festplatten) einen weiteren Aspekt: Die Lebensdauer der Speicherzellen sinkt mit der Zahl der Schreibzugriffe. Sind die Partitionen auf der SSD falsch ausgerichtet, verringert sich nicht nur die Systemgeschwindigkeit Sie bringen auch ihre Solid-State-Disk in Gefahr. Das Paragon Alignment Tool beseitigt die redundanten Lese- und Schreibzugriffe, bewirkt einen Geschwindigkeitsschub und verlängert die Lebensdauer ihrer SSD. Das PAT geht auf Nummer sicher und verschiebt den Beginn der Partition etwas weiter auf den Sektor Das entspricht einem Megabyte und ist für die interne 4-KByte-Adressierung ideal Sektoren x 512 Byte 1 Sektor x 4096 Byte = 256 Es gibt hier noch ein weiteres Problem: Manche Festplatten mit 4-KByte-Adressierung erkennen falsch ausgerichtete Partitionen bereits selbständig. Ihre interne Verwaltung verschiebt dann die emulierten Sektoren um eine Adresse. Sektor 63 wird zu Sektor 64, sodass alle Partitionen korrekt ausgerichtet sind. Die Software bemerkt nicht einmal, dass die Partition verschoben ist, intern sind alle Partitionen korrekt ausgerichtet. Das Paragon Alignment Tool erkennt, wenn sich eine Platte so verhält, und nimmt in diesen Fällen keine Änderungen vor. Andernfalls hätte die Anwendung sogar eine negative Auswirkung. Warum sind falsch ausgerichtete Partitionen problematisch für SAN und RAID? RAID-Systeme verbinden mehrere Festplatten oder andere Speichergeräte zu einem großen Medium. Das System erkennt den RAID-Speicher als ein einziges großes Laufwerk. Das RAID teilt die Daten dabei in Streifen (Stripes) auf, die es reihum abwechselnd auf die Geräte verteilt. Die Größe der Streifen lässt sich in vielen Systemen frei wählen. Sie können diese etwa auf 8, 16, 32 oder 64 KByte festlegen. Die Systemleistung eines RAID-Verbunds kann leiden, wenn der Beginn einer Partition, die auf dem RAID erstellt wird, nicht mit dem Anfang eines Streifens übereinstimmt. Im ungünstigen Fall betrifft ein Lese- oder Schreib-Zugriff mehrere Streifen, die auf mehrere Geräte verteilt sind. Das Problem ist für Hardware-RAID- Systeme ebenso relevant, wie für Software-RAIDs. Um das Dilemma zu vermeiden, richtet das Paragon Alignment Tool die Partitionen an Grenzen von 2048 Sektoren aus. Ein solcher Abstand ist für die meisten RAID-Konfigurationen ideal. Alle Datenzugriffe sind spürbar schneller, denn es finden keine redundanten Zugriffe mehr statt - wie Sie in der Abbildung sehen können. Unsere Geschwindigkeits-Tests zeigen, dass sich mit der richtigen Ausrichtung der Partitionen der Durchsatz verdoppeln lässt. Warum sind falsch ausgerichtete Partitionen auf Solid-State- Disks (SSD) problematisch? Auf Solid-State-Disks (SSD) ist das Problem der falsch ausgerichteten Partitionen sogar noch schwerwiegender. Viele SSDs verwenden intern Speicherseiten von vier KByte Größe hier entstehen dieselben Probleme, die wir für vier KByte große Sektoren auf herkömmlichen Festplatten beschrieben haben. 4

5 Die Abbildung zeigt eine korrekt ausgerichtete Partition auf einem RAID-0-Verbund, bei dem jeder Block mit zwei Datenstreifen verbunden ist. Der Zugriff auf einen Dateisystem-Cluster bewirkt hier einen Block-Zugriff, der sich wiederum auf zwei RAID-Streifen auswirkt. Bei einem Storage Area Network (SAN) handelt es sich meist um ein großes RAID-System, das über ein lokales Netzwerk oder per Fibre Channel verbunden ist. So sind die für RAID beschriebenen Schwierigkeiten der Partitions-Ausrichtung auch für SAN-Speicher relevant. Warum sind falsch ausgerichtete Partitionen für virtuelle Maschinen problematisch? Auch in einer Infrastruktur, die aus virtuellen Maschinen besteht, ist die Ausrichtung der Partitionen auf den Datenträgern wichtig für die Systemleistung, die Lebensdauer der Hardware und die Effizienz der Speichersysteme. In dieser Konfiguration sind alle Dateisysteme und Partitionen korrekt ausgerichtet, der Datenzugriff ist damit doppelt so schnell. Nun muss das System nur noch zwei VMFS-Blöcke und zwei RAID-Blöcke lesen, um einen Cluster des Dateisystems zu liefern. Fehlausrichtungen bewirken, dass mehr Daten von den darunterliegenden Speichermedien abgerufen werden, als eine virtuelle Maschine anfordert. So verbraucht das System mehr Hardware-Ressourcen als nötig, um die Last zu verarbeiten. Fazit Das Paragon Alignment Tool ist sehr leicht zu bedienen: Das Programm findet nach dem Start selbständig alle falsch ausgerichteten Partitionen. Wenn Sie die Änderungen bestätigen, optimiert PAT ihr System automatisch. Sie sehen hier eine Konfiguration mit VMware Server, die an einen RAID/SAN-Speicher angeschlossen ist. Hier verursacht eine Fehlausrichtung sogar auf zwei Ebenen erhebliche Leistungseinbußen: Um etwa Daten des ersten Dateisystem-Cluster zu lesen, muss das System auf drei Blöcke der virtuellen Festplatte zugreifen, die wiederum mit vier Blöcken des RAID verbunden sind (und letztendlich noch mehr RAID-Streifen). Das Paragon Alignment Tool kann derzeit noch keine Laufwerke verschieben, die mit dem VMFS-Dateisystem formatiert sind aber es kann die Partitionen innerhalb der virtuellen Festplatten korrigieren. In diesem Dokument haben wir alle wesentlichen Probleme gezeigt, die falsch ausgerichtete Partitionen verursachen können auf Festplatten, die intern mit 4 KByte großen Sektoren arbeiten, Solid-State-Disks, RAID, SAN, sowie in Umgebungen mit virtuellen Maschinen. Auch die Ursachen, die zu einer falschen Ausrichtung führen können, sowie die Nachteile, die daraus entstehen, haben wir beleuchtet. Selbst wenn in naher Zukunft die Schwierigkeiten der Festplatten mit 4-KByte-Sektoren sowie SSD-Medien auf der Ebene der Betriebssysteme gelöst werden, und keine Emulation der 512-Byte-Sektoren mehr nötig sein wird das Ausrichtungs- Problem wird für RAID, SAN und virtuelle Umgebungen bestehen bleiben. Das Paragon Alignment Tool ist ein zuverlässiges und einfach einzusetzendes Werkzeug, um diese Probleme jetzt und in Zukunft zu lösen. 5

6 Über die Paragon Software Group Paragon Software Group entwickelt und vertreibt innovative zuverlässige Technologien und Software-Lösungen für Heimcomputer sowie Server in Unternehmen und Behörden. Auch ist das Unternehmen für leistungsfähige Produkte in den Bereichen Mobiltelefonie, Smartphones und Handhelds bekannt gegründet, hat Paragon Software heute Niederlassungen in Deutschland, Russland, Japan und den USA. Die Produkte werden in mehr als 150 Ländern der Welt über ein ausgefeiltes Netzwerk an Distributoren und Einzelhändlern sowie über die eigene Unternehmenshomepage vertrieben. Paragon Software liefert innovative Lösungen für eine Reihe hochrangiger Firmen und Partner wie zum Beispiel Cisco, Dell, Toshiba, NEC, Siemens, Microsoft, Motorola und Nokia. Paragon Technologie GmbH Systemprogrammierung Heinrich-von-Stephan-Str. 5c Freiburg/Germany Tel Fax

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