Flash-Technologie und RAID

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1 Flash-Technologie und RAID Wie schließt man die durch Latenzen bedingte Leistungslücke beim I/O? Stichwort: Neue intelligente RAID-Lösungen - basierend auf Flash-Technologie. Ein Gastbeitrag der Firma LSI Corp. für das Storage Consortium RAID ist heute allgegenwärtig und stellt das Rückgrat der Speichertechnologie in modernen Datenzentren dar. Bei der Menge an Datenzentren, die Lösungen basierend auf RAID- Technologie einsetzen, wird sich dies wohl auch auf vorhersehbare Zeit nicht ändern. Auch die Menge an Daten, die Phänomene wie soziale Plattformen im Internet, Smart Clients, internetfähige Mobiltelefone, Big Data oder die Ausbreitung von Videos über alle Plattformen hinweg anhäufen, tun ihr übriges. Die Kluft zwischen Datenwachstum und Investitionen in IT-Infrastruktur hat sich in den letzten Jahren erweitert. Dies führt zu Engpässen bei Datenraten für unternehmenskritische Applikationen. Flash-Speicher scheint der nächste logische evolutionäre Schritt bei RAID- Technologie zu sein. Für viele Beobachter stehen heute eher Solid State Drives oben auf der Liste, wenn es darum geht, die eklatante Lücke zwischen Prozessor- und Speicherleistung zu schließen. Für SSD sprechen im Vergleich zu traditionellen Festplatten vielfach schnellere Zugriffszeiten, höhere Datentransferraten, geringere Latenzzeiten und eine konstantere Leseleistung. Auf der Kostenseite jedoch ist der Austausch der gesamten Speicherarchitektur mit SSDs eigentlich unmöglich. Also würde eine ökonomisch sinnvollere Option darin bestehen, Wege zu finden um die günstige und stromsparende Flash- Technologie in die Infrastruktur von Großunternehmen zu integrieren. Bild 1: Die Kluft zwischen CPU- und HDD-Performance wächst... Kann Flash die Lücke schliessen? 1

2 Die Evolution von RAID Bevor man sich jedoch im Detail ansieht, wie neue Flash-Technologien RAID in Zeiten unkontrollierten Datenwachstums weiterentwickeln, lohnt sich ein Blick in die Vergangenheit, wo ähnliche Probleme schon einmal die IT bremsten. Lange bevor der erste bezahlbare Flash-Speicher auf den Markt kam, entwickelte sich RAID jahrzehntelang ungehindert. Norman Ken Ouchi bei IBM reichte im Jahre 1978 ein Patent für ein System, um Daten in einer defekten Speichereinheit zu retten, welches im Wesentlichen dann RAID 5 werden sollte. Erst neun Jahre später kamen drei IT- Wissenschaftler an der University of Berkeley auf die Idee, mehrere Festplatten in einer einzelnen logischen Einheit zusammenzubringen. Der veröffentlichte Artikel aus dem Jahre 1988 mit dem Titel Argument für die Redundante Anordnung von günstigen Festplatten brachte deutlich zum Ausdruck, dass der Grundgedanke dieser Debatte Probleme mit I/O- Leistung lösen sollte. Das gleiche Problem also, vor dem IT-Ingenieure heute stehen. Ironie, dass diese Technologie, die eigentlich für mehr Leistung sorgen sollte, im Allgemeinen eingesetzt wurde, um für eine höhere Verlässlichkeit, sprich Redundanz, von Speicher zu sorgen. Über die Jahre hinweg entwickelten sich zahlreiche RAID-Modelle, die heute als RAID-Level bekannt sind. RAID 0 verbesserte die Leistung und fügte Speicher hinzu, tolerierte allerdings keine Fehlfunktionen, während RAID 1 es ermöglichte Daten auf zwei identische Festplatten zu schreiben und damit zu spiegeln. RAID 2 und RAID 3 synchronisierten die Rotation der Plattenspindeln und speicherte Bits und Bytes sequenziell auf einer Festplatte. Mit RAID 4 wurden Dateien dann zwischen mehreren Platten verteilt, die voneinander unabhängig arbeiteten, was I/O-Transaktionen parallel ablaufen ließ. Mit gleichen Daten, gespeichert auf einer Platte, bedeutete dies jedoch, dass die Leistung des Systems litt. RAID 5 speicherte gleiche Daten parallel. Wenn ein Fehler auftrat, konnten folgende Lesevorgänge von der verteilten Parität berechnet werden. RAID 6 bot komplette Fehlertoleranz, sogar bei Versagen von zwei Platten, was das Einsetzen größerer RAID-Gruppen für hochverfügbare Systeme praktischer machte. Seit dem Auftreten von SSDs, kommt Flash-Speicher in Tiered Storage Arrays zum Einsatz. Dies ist eine der Möglichkeiten, Flashspeicher effizient zu nutzen. Daten über mehrere Festplatten innerhalb eines RAID-Systems zu verteilen, kann generell auf Software- oder Hardwareebene realisiert werden. Einige fortschrittliche Dateisysteme sind speziell dafür entwickelt um Daten direkt über mehrere Speicher hinweg zu organisieren. ZFS zum Beispiel unterstützt alle RAID-Level und alle Kombinationen davon. Flashspeicher kann in einem von Software-RAID verwalteten System einfach mit SSDs als hierarchische Ebene realisiert werden. Manche Dateisysteme nutzen SSDs auch als Cache, um I/Os zu beschleunigen. Auf der Hardware-Ebene wird es in Sachen Flash-Speicher allerdings erst richtig interessant, da RAID-Controller das Betriebssystem unterstützen, indem das RAID-System als weiteres Laufwerk zusammengefasst wird. Außerdem ist auf RAID-Controllern der Read/Write-Cache angesiedelt, was sie ideal dazu geeignet macht, die Leistung des Systems zu verbessern. Denn einzelne Vorgänge sind somit nicht mehr volatil und unerledigte Schreibvorgänge sind im Fall eines Ausfalls nicht verloren, solange der Cache mit einem Backup-Mechanismus gesichert ist. Hardware-RAID bietet eine gleichbleibend hohe Leistung und fügt dem Host-Computer keinen zusätzlichen Overhead hinzu. Da RAID- Controller jedoch proprietäre Anordnungen der Daten nutzen, kann es unter Umständen unmöglich sein, Controller von verschiedenen Herstellern zu nutzen. 2

3 Datenflut verursacht Leistungslücke In der Vergangenheit hat die Evolution der RAID-Technologie es immer geschafft, mit den Anforderungen die an sie gestellt wurden, Schritt zu halten. Nun jedoch scheint es, dass RAID an seinen Grenzen angelangt ist. Gemäß einer Studie von Cisco wird sich der Datenverkehr wahrscheinlich jährlich bis 2015 um bis zu 32% erhöhen. IDC sagt voraus, dass sich die Speicherkapazität im gleichen Zeitraum um 50% erhöhen wird. Diese Entwicklungen sind umso bedenklicher, da Gartner für den gleichen Zeitraum ein Wachstum der Ausgaben für IT-Ausrüstung von nur 5% und Telekom-Ausrüstung von 7% vorhersagt Gleichzeitig wächst die Menge an Daten, die gespeichert und genutzt wird, weltweit gewaltig. Es zeigt sich eine Leistungslücke, während RAID damit ringt, mit der Leistungssteigerung auf der Prozessorseite mitzuhalten. Für CPUs ist eine Schreibgeschwindigkeit auf L1 Cache von 1 Nanosekunde normal, 10 Nanosekunden auf L2 Cache und 100 Nanosekunden zum Hauptspeicher. Dies ist signifikant schneller als die 10 Millisekunden Schreibgeschwindigkeit zu Tier 1 Speicher oder die 20 Millisekunden zu Tier 2 Speicher und zu Nearline-Speicher. Dies entspricht einer fachen Einbuße von Latenz, da die Daten die Speicherhierarchie verlassen. Bild 2: Von Nanosekunden zu Millisekunden: Die Latenz steigt, wenn Daten die Speicherhierarchie verlassen. 3

4 Die Kombination dieser Leistungslücke und die Explosion von Datenmenge und Datenstrom im Netzwerk bringt traditionelle RAID-Storage-Infrastruktur an ihre Grenzen, schaffen Flaschenhälse, bremsen die Geschwindigkeit von Applikationen und bereiten Organisationen Probleme, ihre wertvollen Daten sinnvoll zu nutzen. Leistung in Datenzentren mit Flash neu definieren Flash-basierter Speicher in Verbindung mit existierendem Speicher kann Kosten signifikant senken, da Tiered Storage Anordnungen mit Flash auf dem RAID-Controller, kombiniert mit intelligenter Software, viele HDDs einsparen kann. Diese wären sonst nötig, um hohe I/Os auf traditionellen Systemen zu gewährleisten. Der integrierte Ansatz ermöglicht es Organisationen ihre bestehenden Speicher basierend auf Festplatten intelligent mit Flashspeicher zu kombinieren. Und dies in einer Weise, die ihnen das optimale Verhältnis von Preis und Leistung in einem Tiered Storage-Umfeld bietet. Diesen Weg schlägt beispielsweise der Controller-Hersteller LSI ein: Er kombiniert in dem kürzlich vorgestellten Nytro-Portfolio die PCIe Flash-Technologie mit intelligenter Cachingund Managementsoftware. Laut Unternehmensangaben bietet diese Kombination ein vielfaches der Leistung von HDDs. Es ist nicht unüblich, dass die Leistung von Applikationen sich um das fünf- oder sechsfache steigert, in einigen Fällen wurde sogar eine dreißigfache Steigerung gemeldet. Bild 3: I/Os im Vergleich: Flash auf PCIe-Adapter liegt vorn 4

5 Solche neuen Lösungen eignen sich für zahlreiche unterschiedliche Anforderungen. PCIe Flash-Lösungen mit hoher Kapazität kommen am besten bei Primärspeicher zum Einsatz, sind aber nicht gerade preiswert. Lösungen mit mittlerer Kapazität mit nahtloser Cachingund Beschleunigungssoftware bieten eine gute Balance zwischen Kosten und Nutzwert und kommen am besten in hochwertigen SAN und komplexen DAS-Umgebungen zur Geltung. Kleinere Flash-Lösungen inklusive Software für Caching und Datenbeschleunigung können zur Beschleunigung von DAS genutzt werden und bringen damit den Nutzen von Flash für eine breitere Gruppe. Flash-Technologie kann in einem RAID-Umfeld gewinnbringend eingesetzt werden um die Herausforderungen zu meistern, die die Datenflut und die darauf folgende Leistungslücke darstellen. Und vielleicht passt es ja auch gut, wenn man daran denkt, dass seinerzeit das Anliegen der Autoren des Artikels System um Daten in einer defekten Speichereinheit zu retten vornehmlich auf Leistungssteigerung abzielte und Flash-Technologie heute eingesetzt wird um RAID dabei zu helfen die I/O-Performanceprobleme zu lösen. Autor dieses Beitrages für das Storage Consortium ist: Herr Thomas Pavel Director of Channel Sales bei LSI Juli