XtremIO DATA PROTECTION (XDP)

Transkript

1 White Paper XtremIO DATA PROTECTION (XDP) Flashspezifische Datensicherheit mit XtremIO (Version.0) Zusammenfassung In diesem White Paper wird vorgestellt. Das Dokument geht auf den Nutzen und die Vorteile gegenüber RAID ein, wobei ein besonderes Augenmerk auf den einzigartigen Anforderungen von Enterprise-Flashspeicherarrays liegt. April 0

2 Copyright 0 EMC Corporation. Alle Rechte vorbehalten. EMC ist der Ansicht, dass die Informationen in dieser Veröffentlichung zum Zeitpunkt der Veröffentlichung korrekt sind. Diese Informationen können jederzeit ohne vorherige Ankündigung geändert werden. Die Informationen in dieser Veröffentlichung werden ohne Gewähr zur Verfügung gestellt. Die EMC Corporation macht keine Zusicherungen und übernimmt keine Haftung jedweder Art im Hinblick auf die in diesem Dokument enthaltenen Informationen und schließt insbesondere jedwede implizite Haftung für die Handelsüblichkeit und die Eignung für einen bestimmten Zweck aus. Für die Nutzung, das Kopieren und die Verbreitung der in dieser Veröffentlichung beschriebenen Software von EMC ist eine entsprechende Softwarelizenz erforderlich. Eine aktuelle Liste der EMC Produktnamen finden Sie im Abschnitt zu Marken der EMC Corporation auf germany.emc.com. EMC, EMC, das EMC Logo und das RSA-Logo sind eingetragene Marken oder Marken der EMC Corporation in den USA und anderen Ländern. VMware ist eine eingetragene Marke von VMware, Inc. in den USA und anderen Ländern. Alle anderen in diesem Dokument erwähnten Marken sind das Eigentum ihrer jeweiligen Inhaber. Copyright 0 EMC Deutschland GmbH. Alle Rechte vorbehalten. Veröffentlicht in Deutschland Artikelnummer H06-0 (Version 0)

3 Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung... Zusammenfassung... Eine kurze Abhandlung zu RAID... RAID (Spiegelung)... 6 RAID 0 (Striping)... 7 RAID 0 (Spiegelung + Striping)... 8 RAID (Festplatten-Striping mit Parität)... 9 RAID 6 (Festplatten-Striping mit doppelter Parität)... 0 RAID 0, und 6 im Vergleich... Eine Einführung in das Advanced Data Protection Scheme von XtremIO... Effiziente Stripe-Updates mit XDP... Effizienter erneuter Aufbau... 0 XDP Vorteile bei der Verwaltung... Fazit... Weitere Informationen... 6

4 Zusammenfassung In jedem Enterprise-Speichersystem gibt es mehrere Redundanzebenen, um Daten vor dem unausweichlichen Ausfall einer Arraykomponente zu schützen. RAID (Redundant Array of Independent Disks) wurde entwickelt, um Daten auf mehrere Laufwerke zu verteilen, nicht nur aus Gründen der besseren Performance, sondern auch, um die Daten zu schützen, sollte ein Festplattenlaufwerk (in späteren Iterationen auch mehrere Festplattenlaufwerke) ausfallen. In RAID- Implementierungen galten bislang rotierende Speichermedien als beste Wahl, die jedoch mit unerwünschten Nachteilen bei Performance, Kapazitätsoverhead und Datensicherheitsleistung verbunden sind. Anstatt bereits vorhandene RAID-Algorithmen einfach zu übernehmen, hat XtremIO die Datensicherheit von Grund auf neu entwickelt und sich dabei die spezifischen Eigenschaften von Flashmedien zunutze gemacht. Der so entstandene Datensicherheitsalgorithmus (XtremIO Data Protection oder XDP) macht sich die besten Eigenschaften herkömmlicher RAID-Algorithmen zunutze, vermeidet deren Schwächen und stattet das XtremIO-Speicherarray mit gänzlich neuen und bislang nicht realisierbaren Funktionen aus. XtremIO Data Protection trägt außerdem zu einer deutlich verbesserten Lebensdauer der zugrunde liegenden Flashmedien bei und sticht dabei jeden bekannten RAID-Algorithmus aus. Auch das ist eine wichtige Eigenschaft für ein Enterprise-Flasharray.

5 Eine kurze Abhandlung zu RAID Festplattenausfälle gehören zu den häufigsten Fehlern und Ursachen für Datenverlust in modernen Speichersystemen. Bei rotierenden Speichermedien führt ein Fehler in der Regel zum gleichzeitigen Verlust der Lese- und Schreibfähigkeit. RAID wurde entwickelt, um die Auswirkungen von Festplattenausfällen zu verringern, indem die Daten segmentiert und auf mehrere physische Festplatten verteilt werden. In den meisten Fällen sorgen RAID- Algorithmen für die Berechnung und Speicherung redundanter Daten, die bei Bedarf zur Wiederherstellung der auf einem oder mehreren Laufwerken verloren gegangenen Informationen verwendet werden können. Bei SSDs (Solid-State-Drives) hingegen kann ein Ausfall unterschiedliche Ausprägungen haben. SSD-Ausfälle können vollständig, teilweise oder nur vorübergehend sein, sodass ein SSD-Datensicherheitsmodell all diese Situationen abdecken sollte. Warum SSDs ausfallen und welches Verhalten sie bei einem Ausfall zeigen, ist zwar nicht Gegenstand dieses Dokuments, allerdings hat XtremIO bei der Entwicklung von XDP alle SSD-Ausfallmechanismen berücksichtigt. In diesem Dokument geht es zunächst um die heutzutage am häufigsten verwendeten RAID-Modelle (RAID, 0, 0, und 6). Nach eingehender Betrachtung ihrer Speichereffizienz und ihres Performanceoverheads wird erläutert, warum sie für den Schutz vor SSD-Ausfällen weniger gut geeignet sind. Anschließend vergleicht das Dokument XDP mit diesen Algorithmen und geht auf die vielfältigen Vorteile ein, die mit rotierenden Speichermedien nicht möglich sind.

6 RAID (Spiegelung) Bei diesem Schema werden alle Schreibvorgänge parallel auf zwei Festplatten gespiegelt. Jeder benutzerinitiierte Schreibvorgang hat zwei gleichzeitige Schreibvorgänge auf dem Speicherarray zur Folge. Lesevorgänge können von jeder Festplatte getrennt erfolgen. Wenn eine der gespiegelten Festplatten ausfällt, gehen keine Informationen verloren, da die verbleibende funktionierende Festplatte eine vollständige Kopie der Daten enthält und Lesevorgänge über sie bedient werden können. Nachdem die ausgefallene Festplatte ersetzt wurde, werden die Daten erneut aufgebaut, indem sie einfach von der funktionierenden Festplatte auf die neue Festplatte kopiert werden. Festplatte: M M Daten: A A A A A A Abbildung : RAID Alle eingehenden Schreibvorgänge werden auf zwei getrennten Festplatten gespiegelt ausgeführt. Dieses Modell bietet eine gute Performance für den erneuten Aufbau, erfordert jedoch 0 % Kapazitätsoverhead. Im Diagramm werden drei Datenblöcke von zwei Festplatten gespiegelt. Vorteil: Nachteil: Kapazitätsove rhead: Anwendersch reibvorgänge pro Update: I/O-Overhead bei Blockupdate: Datensicherheit mit effizientem Wiederaufbau. Hohe Kosten aufgrund des Kapazitätsoverheads. Sehr hoch. Nutzbare Kapazität beträgt 0 % der Raw-Kapazität. Zwei Schreibvorgänge, einer auf jeder Spiegelseite. Ein Schreibvorgang für jeden Anwenderschreibvorgang. 6

7 RAID 0 (Striping) Bei diesem Schema werden die Daten gleichmäßig auf zwei oder mehr Festplatten verteilt (Striping), und zwar ohne Paritätsinformationen. RAID 0 bietet keine Datenredundanz und wird in der Regel für eine verbesserte Performance eingesetzt. RAID 0 kann jedoch auch als Methode verwendet werden, um aus zwei oder mehr physischen Festplatten (mindestens zwei) eine große logische Festplatte zu erstellen. Daten können parallel von allen Festplatten im Stripe bereitgestellt werden, was eine hohe Performance der Lese- und Schreibvorgänge ermöglicht. RAID 0 hat keine Paritätsberechnung (genau wie RAID 0) und bietet die beste Schreibperformance. Festplatte: L0 L Daten: A A L A A A7 A A8 A6 A9 Abbildung : RAID 0 Alle eingehenden Schreibvorgänge werden auf zwei oder mehr Festplatten verteilt. Im Diagramm werden neun Datenblöcke auf drei Festplatten verteilt. Vorteil: Nachteil: Kapazitätsove rhead: Anwendersch reibvorgänge pro Update: I/O-Overhead bei Blockupdate: Hervorragende Performance (da Blöcke verteilt werden). Keine Redundanz (keine Spiegelung und keine Parität). Sollte nicht für kritische Systeme verwendet werden. Keine. Die nutzbare Kapazität beträgt 00 % der Raw-Kapazität. Ein Schreibvorgang. Keine. 7

8 RAID 0 (Spiegelung + Striping) Dieses Schema kombiniert RAID 0 und RAID und wird als Striped Array implementiert, dessen Segmente RAID--Arrays sind. RAID 0 hat dieselbe Fehlertoleranz und denselben Kapazitätsoverhead wie RAID. Durch das Verteilen von RAID--Segmenten werden hohe I/O-Raten erzielt. Unter bestimmten Bedingungen kann ein RAID-0-Array mehrere gleichzeitige Laufwerksausfälle verkraften. M M Festplatte: L0 L Daten: A A L A L A A A A A A A A6 A6 Abbildung : RAID 0 Alle eingehenden Schreibvorgänge werden auf zwei getrennte Festplatten gespiegelt und anschließend auf zwei oder mehr Festplatten verteilt. Im Diagramm werden sechs Datenblöcke gespiegelt und auf vier Festplatten verteilt. Vorteil: Nachteil: Kapazitätsove rhead: Anwendersch reibvorgänge pro Update: I/O-Overhead bei Blockupdate: Optimale Performance und beste Wiederaufbauzeit. Unterstützt sehr hohe I/O-Raten. Hohe Kosten, hoher Overhead und begrenzte Skalierbarkeit bei hohen Kosten. Sehr hoch. Nutzbare Kapazität beträgt 0 % der Raw-Kapazität. Zwei Schreibvorgänge, einer auf jeder Spiegelseite. Ein Schreibvorgang für jeden Anwenderschreibvorgang. 8

9 RAID (Festplatten-Striping mit Parität) Ein RAID -Stripe besteht aus Datenblöcken, die auf mehrere Festplatten verteilt werden. Auf einer weiteren Festplatte wird zusätzlich ein einzelner Paritätsblock gespeichert (der anhand von auf die Datenblöcke angewandten logischen XOR- Operationen berechnet wird). Bei jedem neu geschriebenen Stripe wird der Paritätsblock auf einer anderen Festplatte gespeichert. Die Stripe-Größe bei RAID wird auch als N+ bezeichnet (wobei N für die Anzahl der Datenfestplatten im Stripe steht). Am gängigsten sind + und +. Bei RAID führt der gleichzeitige Ausfall von zwei oder mehr Festplatten zu einem Datenverlust, wodurch die praktikable Größe eines Stripe beschränkt wird. Die hohe Wahrscheinlichkeit eines gleichzeitigen Ausfalls von zwei Festplatten begrenzt die praktikable Größe eines Stripes. L0 L L L A A A Ap Stripe: Bp B B B C Cp C C N = Abbildung : + RAID--Anordnung Jeder Stripe besteht aus drei Datenblöcken und einem Paritätsblock. Vorteil: Nachteil: Kapazitätsove rhead: Anwendersch reibvorgänge pro Update: I/O-Overhead bei Blockupdate: Gute Gesamtperformance mit vertretbarem Kapazitätsoverhead. In keiner Disziplin Spitzenreiter. RAID 0 bietet bessere Performance. RAID 6 bietet bessere Datensicherheit. Berechnet als /(N+). Ein + RAID weist demnach % Kapazitätsoverhead auf, ein + RAID 6,7 % Kapazitätsoverhead. N+ Schreibvorgänge (N neue Datenblöcke und Paritätsblockupdate), unter Annahme eines vollständigen Stripe-Schreibvorgangs. /N Schreibvorgänge (wobei N für die Anzahl der Datenfestplatten in einem Stripe steht), unter Annahme eines vollständigen Stripe- Schreibvorgangs. 9

10 RAID 6 (Festplatten-Striping mit doppelter Parität) RAID 6 entspricht nahezu RAID, mit der Ausnahme, dass jeder Stripe nicht über einen, sondern über zwei Paritätsblöcke verfügt. Bei RAID 6 wird ein Paritätsblock berechnet, indem logische XOR-Vorgänge in den Datenspalten durchführt werden, und der andere Paritätsblock wird durch Codierung von Diagonalen in einer Stripe- Matrix berechnet. RAID 6 bietet damit den Vorteil, zwei gleichzeitige Laufwerksausfälle überstehen zu können. RAID 6 wurde ursprünglich für große SATA-Laufwerke entwickelt ( TB und größer), deren langwieriger Wiederaufbau bei RAID -Speicherarrays zu einem übermäßig langen heruntergestuften Zustand führte und damit die Wahrscheinlichkeit von Datenverlusten in einem nicht tragbaren Maße erhöhte. Die Stripe-Größe bei RAID 6 wird auch als N+ bezeichnet (wobei N für die Anzahl der Datenfestplatten im Stripe steht). Bei RAID 6 führt der gleichzeitige Ausfall von drei oder mehr Festplatten zu einem Datenverlust. L0 L L L L P Q A A A A A Ap Aq B B B B B Bp Bq C C C C C Cp Cq N = Abbildung : + RAID-6-Anordnung Jeder Stripe besteht aus fünf Datenblöcken und zwei Paritätsblöcken. Vorteil: Nachteil: Kapazitätsove rhead: Anwendersch reibvorgänge pro Update: I/O-Overhead bei Blockupdate: Starke Datensicherheit. Der hohe Berechnungsaufwand kann die Performance beeinträchtigen. Berechnet als /(N+). Ein + RAID 6 weist demnach 8,6 % Kapazitätsoverhead auf, ein 8+ RAID 6 0 % Kapazitätsoverhead. N+ Schreibvorgänge (N neue Datenblöcke und zwei Paritätsblockupdates), unter Annahme eines vollständigen Stripe- Schreibvorgangs. /N Schreibvorgänge (wobei N für die Anzahl der Datenfestplatten in einem Stripe steht), unter Annahme eines vollständigen Stripe- Schreibvorgangs. 0

11 RAID 0, und 6 im Vergleich Speicheradministratoren müssen oft eine schwierige Entscheidung treffen und Kapazität, Datensicherheitsqualität und Performance gegeneinander abwägen. Workloads, bei denen es auf Performance ankommt, werden in der Regel auf RAID 0 bereitgestellt, auch wenn dafür hohe Kosten in Form von 0 % Kapazitätsoverhead anfallen. Weniger wichtige Workloads eignen sich für RAID und große Datasets mit geringeren Performanceanforderungen sind mit RAID 6 hervorragend geschützt. Die Herausforderung besteht darin, sich den wechselnden Arten von gespeicherten Daten dynamisch anzupassen. Eine Auswahl, die heute getroffen wird, kann in der Zukunft bedeuten, dass sich die Daten in einem suboptimalen RAID-Level befinden. Zwar ermöglichen einige Speichersysteme Livemigrationen zwischen RAID-Leveln, dies setzt jedoch eine vorausschauende Administration voraus und muss möglicherweise wiederholt werden, wenn sich die Daten erneut verändern. Angesichts dieser Herausforderungen erscheint die Speicheradministration manchmal eher als Kunst, denn als exakte Wissenschaft. Anstatt einfach nur einen (oder mehrere) bereits vorhandene RAID-Algorithmen zu übernehmen und sie auf SSDs anzuwenden, hat sich EMC mit XtremIO dazu entschieden, ein neuartiges Datensicherheitsmodell zu entwickeln, das die besten Eigenschaften der bekannten RAID-Level vereint und zugleich deren Schwächen vermeidet. Da die Lebensdauer von Flashspeicher in einem All-Flash-Array ein wesentlicher Faktor ist, hielt XtremIO es für besonders wichtig, einen Datensicherheitsalgorithmus zu entwickeln, der weniger Schreibzyklen erforderte. Dieser würde die Nutzungsdauer der SSDs im Array verlängern und zugleich eine höhere Performance ermöglichen, weil mehr I/O-Zyklen für Hostschreibvorgänge (Front-end-I/Os) als bei internen Arrayoperationen (Back-end-I/Os) zur Verfügung stünden.

12 Gute Kapazitätsauslastung Hohe Performance Überlegene Sicherheit Abbildung 6: Aktuelle RAID-Modelle haben zahlreiche Schwächen. XDP kombiniert die besten Eigenschaften der verschiedenen RAID-Level und erweitert sie sogar noch, um gänzlich neue Funktionen bereitzustellen, die zuvor nicht möglich waren.

13 Eine Einführung in das Advanced Data Protection Scheme von XtremIO Das Data Protection Scheme von XtremIO unterscheidet sich von RAID in mehreren Punkten. Weil XDP grundsätzlich innerhalb von All-Flash-Speicherarrays verwendet wird, waren die folgenden Designkriterien besonders wichtig: Extrem geringer Kapazitätsoverhead Flashspeicher ist teurer als Festplattenspeicher. Deshalb ist ein sehr breites Striping wünschenswert, um den Kapazitätsoverhead möglichst gering zu halten. XDP nutzt eine Stripe-Breite von + *, was einem Kapazitätsoverhead von nur 8 % entspricht. Starke Datensicherheit XDP nutzt ein N+-Modell, sodass in jedem X-Brick zwei SSDs gleichzeitig ausfallen könnten. Schneller erneuter Aufbau XDP ermöglicht einen sehr schnellen erneuten Aufbau. Das ist nicht nur dem Geschwindigkeitsvorteil von Flashspeicher geschuldet, sondern auch der Tatsache, dass die XtremIO-Architektur inhaltsbezogen arbeitet und nur den beschriebenen Speicherplatz auf einem Laufwerk wiederherstellt. Leerer Speicherplatz wird erkannt und übersprungen. Darüber hinaus verfügt XDP über flashspezifische Paritätscodierungsalgorithmen (auf die später noch eingegangen wird), die den erneuten Aufbau dank weniger I/O-Zyklen auf die Laufwerke beschleunigen. Darüber hinaus wird der erneute Aufbau gleichzeitig auf allen verbleibenden Laufwerken durchgeführt, was den Aufbauprozess weiter beschleunigt. Lebensdauer von Flash XDP erfordert weniger Schreibvorgänge pro Stripe- Update als jeder andere RAID-Algorithmus. Dies ermöglicht eine bis zu,-mal längere Lebensdauer von Flashspeicher als bei RAID-Standardimplementierungen. Performance Weil pro Stripe-Update weniger I/O-Operationen anfallen, bleiben mit XDP mehr I/O-Zyklen für die Host-I/O (Front-end) übrig, was sich positiv auf die Arrayperformance auswirkt. Wie bringt XDP diese scheinbar so gegensätzlichen Ziele zusammen? Das liegt am Algorithmus, der es ermöglicht, Daten an einer beliebigen Position auf einem beliebigen SSD abzulegen und darauf zuzugreifen. Bisherige RAID-Algorithmen waren durch die Vorgabe belastet, Daten fortlaufend zu halten, um Suchoperationen des Laufwerkkopfes möglichst zu vermeiden. XDP hingegen geht davon aus, dass der Array aus Direktzugriffsmedien wie Flashspeicher besteht und Daten daher mithilfe hocheffizienter Methoden geschrieben und gelesen werden können, die bei einem festplattenbasierten RAID-Algorithmus zu einer deutlichen Leistungsbeeinträchtigung führen würden, jedoch nicht bei der vollständig flashbasierten Architektur von XtremIO. XDP nutzt eine N+-Variante mit horizontaler und diagonaler Parität. In der nachfolgenden Abbildung 7 sehen Sie ein Beispiel für das Datenlayout von XDP. * Bei einem 0-TB-Starter-X-Brick ( TB) verwendet XDP eine Stripe-Breite von +.

14 L0 L L L L P Q P Q k- P P Q Q P Q Q k = (Basis) Abbildung 7: Beispiel für XDP-Datenlayout. XDP nutzt sowohl horizontale (P) als auch diagonale (Q) Paritätsberechnungen. Die Abbildung zeigt einen +-Stripe, in Wirklichkeit aber nutzt XDP einen +-Stripe. Jeder von XDP geschützte Stripe nutzt Spalten und 8 Zeilen. In Abbildung 7 wird die horizontale Parität von XDP durch das rote Rechteck angezeigt. Der Paritätsblock wird in der Spalte P gespeichert. Die diagonale Parität von XDP wird durch das blaue Rechteck angezeigt. Sie wird in der Spalte Q gespeichert. Der Speicherort des Paritätsblocks Q entspricht der Nummerierung (im Diagramm die Ziffer ) der Diagonale. Zur effektiven Berechnung der diagonalen Parität (die mehrere horizontale Stripes überspannt) schreibt XDP Daten in Stripes, bestehend aus *8 = 6 Datenblöcken, wodurch die diagonale Parität berechnet werden kann, während alle Daten noch im Arbeitsspeicher liegen.

15 Effiziente Stripe-Updates mit XDP Welche Vorteile bringt das XDP-Datenlayout dem XtremIO-Array gegenüber einem herkömmlichem RAID? Die Antwort darauf ist der I/O-Overhead, der zur Durchführung eines Stripe-Updates erforderlich ist. Bei allen paritätsbasierten RAID- Modellen sind (aufgrund des geringeren I/O-Overheads) vollständige Stripe-Schreibvorgänge (bei denen Daten auf freien Festplattenspeicherplatz geschrieben werden) wesentlich schneller als die Aktualisierung eines einzelnen Blocks in einem Stripe (bei der Daten an einem vorhandenen Speicherort aktualisiert werden). Bei einem vollständigen Stripe-Schreibvorgang müssen lediglich die Parität berechnet und die Daten geschrieben werden. Bei der Aktualisierung eines vorhandenen Stripe hingegen, müssen die Daten und die Paritätsblöcke im Stripe zuerst gelesen werden, dann wird anhand der aktualisierten Daten die neue Parität berechnet und abschließend werden die resultierenden Daten und Paritätsblöcke geschrieben. RAID 6 zum Beispiel erfordert bei jedem einzelnen Blockupdate drei Lesevorgänge (für den vorhandenen Datenblock und beide Paritätsblöcke) sowie drei Schreibvorgänge (der neue Datenblock und die neu berechneten Paritätsblöcke). Der durchschnittliche I/O-Overhead beim Schreiben lässt sich für ein RAID 6-Volume am besten verringern, indem so viele vollständige Stripe-Schreibvorgänge und so wenige einzelne Blockupdates wie möglich durchgeführt werden. Mit wachsender Belegung des Arrays wird dies jedoch immer schwieriger. Vollständige Stripes im Vergleich zu Stripe-Updates Jeder paritätsbasierte RAID-Algorithmus (XDP eingeschlossen) erzeugt weniger I/O-Overhead beim Schreiben eines vollständigen Stripe als beim Aktualisieren eines vorhandenen Stripe mit neuen Daten. Beim Schreiben eines vollständigen Stripe ist der einzige Overhead die Paritätsberechnung. Die Laufwerke müssen nur die neuen Daten und die dazugehörigen Paritätsblöcke schreiben. Bei einem Update müssen die vorhandenen Daten- und Paritätsblöcke gelesen, die neue Parität muss berechnet und dann müssen die neuen Daten und die aktualisierte Parität geschrieben werden. Vollständige Stripe-Schreibvorgänge sind also wünschenswert und auch einfach zu bewerkstelligen, wenn das Array viel freien Speicherplatz hat. Mit zunehmender Speicherbelegung jedoch werden bei den meisten Schreibvorgängen vorhandene Datenblöcke überschrieben, weil es immer schwieriger wird, einen vollständigen Stripe zu finden. Daraus folgen mehr Stripe- Updates und eine Beeinträchtigung der Performance. Eine häufig gewählter Ausweg aus dieser Situation ist die Einführung einer Garbage Collection, die in den vorhandenen Stripes nach verwaisten Daten sucht und diese in vollständigen Stripes zusammenfasst. Auf diese Weise wird wertvoller Speicherplatz frei und es stehen (hoffentlich) wieder ausreichend vollständige Stripes für neue Schreibvorgänge zur Verfügung. Für ein Flasharray ist diese Methode nicht geeignet, weil die Garbage Collection zu unvorhersehbaren Performanceschwankungen führt (die Garbage Collection verbraucht selbst I/O-Zyklen und Arrayrechenleistung) und den Flashspeicher übermäßig belastet (weil das Lesen von Daten an einer Position und das Schreiben an einer neuen Position zusätzliche Schreibzugriffe auf das Flashmedium bedeuten). XtremIO begegnet diesem Problem mit einer gänzlich neuen Lösung. Anstelle einer Garbage Collection geht das XtremIO- Array einfach davon aus, dass Stripe-Updates mit zunehmender Betriebsdauer des Arrays überwiegen werden. Die Algorithmen von XDP sorgen sehr effizient dafür, dass neue Daten in die leersten Stripes im Array geschrieben werden und ermöglichen dadurch auch bei zunehmender Arraybelegung eine konsistente und vorhersagbare Performance. XDP vermeidet die übermäßigen Schreibvorgänge, die durch die Garbage Collection verursacht werden. Das XtremIO-Array erreicht so eine jederzeit konsistente Performance und sorgt zugleich für eine,-fache Verlängerung der Lebensdauer von Flashspeicher im Vergleich zu herkömmlichen RAID- Implementierungen.

16 Das ist einer der Gründe dafür, dass die Arrayperformance mit zunehmender Speicherbelegung abnimmt. Das Array findet keine leeren vollständigen Stripes mehr und muss auf mehrere Stripe-Teilupdates ausweichen. Das wiederum hat einen deutlichen Anstieg der Back-end-I/O zur Folge, die Festplatten-IOPS verbraucht, die andernfalls für Hostserviceanfragen im Front-end zur Verfügung gestanden hätten. Das XtremIO-Array und XDP funktionieren grundlegend anders. Das XtremIO-Array speichert Blöcke nicht auf Grundlage ihrer logischen Adresse, sondern anhand ihres individuellen Fingerabdrucks. Auf physischer Ebene ist das XtremIO-Array völlig frei darin, wo neue, eindeutige Datenblöcke geschrieben werden (diese Fähigkeit ist nur in einem Array möglich, das vollständig aus Flashspeicher besteht). Herkömmliche Arrays aktualisieren logische Blockadressen an derselben physischen Festplattenposition (die Ursache für den hohen I/O-Overhead eines Stripe-Updates). Vollständig flashbasierte Arrays haben in der Regel eine Garbage Collection, die versucht, verwaiste Daten in vollständige, leere Stripes zu verschieben. XtremIO schreibt die Aktualisierung einer logischen Blockadresse auf eine neue Festplattenposition und verwendet dafür den Fingerabdruck des Inhalts (ist der Inhalt bereits auf dem Array vorhanden, wird der Block einfach dedupliziert). Wie herkömmliche RAID-Verfahren versucht XDP so viele vollständige Stripe- Schreibvorgänge wie möglich durchzuführen, indem neue/veränderte Blöcke zusammengefasst und in leere Stripes auf dem Array geschrieben werden. Bei XDP führt das Fehlen vollständiger Stripes jedoch nicht zu dem hohen, durch das teilweise Stripe-Update verursachten Overhead, der bei herkömmlichen RAID-Verfahren oder der Garbage Collection in anderen Flasharrays auftritt, weil XtremIO die Daten nicht an einer festen Position aktualisiert. Stattdessen werden die Daten vom Array immer im leersten verfügbaren Stripe platziert. Wie unten erläutert, ist bei XDP der I/O-Overhead für ein teilweises Stripe-Update in der Regel deutlich geringer als bei herkömmlichem RAIDs. Im Endergebnis erzeugt XtremIO fast nie den vollen RAID 6-I/O-Overhead eines Stripe- Updates. Der durchschnittliche I/O-Overhead von XtremIO für diese Operation liegt viel näher an dem eines vollständigen Stripe-Schreibvorgangs. Die durchschnittliche Updateperformance von XtremIO liegt sogar fast 0 % über der von RAID 0 dem RAID-Level mit der besten Performance. Zur Veranschaulichung stellen Sie sich eine Situation vor, in welcher das XtremIO- Array zu 80 % belegt ist und somit noch 0 % freier Speicherplatz zur Verfügung steht. Dieses Beispiel zeigt besonders gut, wie XDP die Performance selbst dann sicherstellt, wenn das Array fast voll ist. Ein solcher Zustand verursacht für andere Flasharraydesigns Probleme, da sie auf Garbage-Collection-Mechanismen zur Verschiebung von Daten angewiesen sind, um einen vollständig leeren RAID-Stripe für neue eingehende Daten zu erhalten. Mit zunehmender Belegung des Arrays wird das immer schwieriger, besonders bei zahlreichen Schreibvorgängen. XDP hingegen benötigt keinen vollständigen Stripe. XDP wurde ja speziell dafür entwickelt, seine volle Leistung bei Schreibvorgängen in partielle Stripes zu entfalten, was nach einer gewissen Zeit zum normalem Betriebszustand eines Arrays wird. Wenn beim XtremIO-Array neue Daten eingehen, wählt XDP den leersten Stripe aus, weil dieser den geringsten Overhead an Paritätsupdates und Plattenzugriffen verursacht. Nach dem Update ist der Stripe voll, während die übrigen Stripes im Schnitt etwas mehr als 0 % frei sind. Durch die Wiederholung dieses 6

17 Schreiben/Lesen-Szenarios auf einem zu 80 % belegten Array entsteht eine gleichmäßige Verteilung des freien Speicherplatzes über alle Stripes, die von vollständiger Belegung des Stripe bis zum Zweifachen des freien Arrayspeicherplatzes reicht, was in diesem Fall 0 % entspricht ( x 0 % freier Speicherplatz). Abbildung 8: XDP erstellt eine Rangfolge aller Stripes basierend auf ihrer Speicherplatzbelegung und schreibt immer in den leersten Stripe. In dieser vereinfachen Ansicht sind zehn Datenlaufwerke (Spalten) und zehn Stripes (Zeilen) abgebildet. Der leerste Stripe befindet sich in der Rangfolge ganz unten. Das Beispiel zeigt ein zu 80 % belegtes Array. Da XDP über 6 Datenblöcke verfügt und im Schnitt ein Stripe-Update bei 0 % freiem Speicherplatz im Stripe (bei einem zu 80 % belegten Array) erfolgt, verfügt XDP pro Anwenderschreibvorgang über 6 x 0 % *, also 7 Datenblöcke im verfügbaren Stripe. Beim Stripe-Update ergibt sich ein Overhead der Paritäts- Neuschreibvorgänge, wobei XDP über 8 Blöcke für horizontale Parität und über 9 Blöcke für diagonale Parität verfügt, für insgesamt = Schreiboperationen. Die Schreiboperationen speichern 7 Anwenderdatenblöcke, was einem Overhead von, I/O entspricht. Der Leseoverhead pro Stripe-Update von XDP liegt ebenfalls bei, I/O, was darauf zurückzuführen ist, dass für die Aktualisierung der Paritätsberechnungen auch auf vorhandene Daten- und Paritätsblöcke zugegriffen werden muss. * Aufgrund der Funktionsweise von XDP verfügt der leerste Stripe in XDP über durchschnittlich doppelt so viele freie Blöcke wie der freie Speicherplatz auf Systemebene. 7

18 Abbildung 9: XDP schreibt neue Daten immer in den Stripe mit dem meisten freien Speicherplatz (ganz unten im Stapel). In diesem Beispiel waren vier Blöcke frei (zwei waren leer und zwei waren zum Überschreiben freigegeben). Mithilfe dieser Methode sorgt XDP bei einem Stripe-Update für einen möglichst effizienten I/O- Overhead. Abbildung 0: Bei jedem Stripe-Update erstellt XDP eine neue Stripe-Rangfolge, damit das nächste Update wieder im leersten Stripe erfolgen kann. Wenn die Hosts logische Adressen überschreiben, werden die alten Positionen auf der SSD zum Überschreiben freigegeben. 8

19 Tabelle : Vergleich des I/O-Overhead verschiedener RAID-Modelle mit XDP. Algorithmus Lesevorgänge pro Stripe-Update Lesenachteil herkömmlicher Algorithmus Schreibvorgänge pro Stripe-Update XDP,, RAID 0 0,6x RAID,6x,6x RAID 6,x,x Schreibnachteil herkömmlicher Algorithmus In einem flashbasierten System zeigt sich der Nachteil von herkömmlichem RAID nicht nur in schlechterer Performance, sondern auch in einer verkürzten Lebensdauer der Flashmedien. Weil Flashlaufwerke nur eine endliche Zahl von Schreibzyklen vertragen, sorgt XDP bei XtremIO-Arrays nicht nur für eine bessere Performance, sondern auch für eine längere Lebensdauer. Das ist ein deutlicher und wertvoller Vorteil für ein Enterprise-Speicherarray. Vergleichen Sie XtremIO mit einem anderen Produkt, das RAID 6 implementiert. Beide bieten N+- Datensicherheit, aber XtremIO bietet eine,-mal längere Flashlebensdauer und eine,-mal höhere I/O-Performance. Der Vorsprung von XDP betrifft aber nicht nur Updates, sondern auch andere wichtige Speicheroperationen, wie den erneuten Aufbau nach SSD-Ausfällen. 9

20 Effizienter erneuter Aufbau Das innovative diagonale Paritätsmodell von XDP spielt bei dem erneuten Aufbau von Laufwerken eine wichtige Rolle. Während der erneute Aufbau eines ausgefallenen Laufwerks nach einem Single-Drive-Failure auch ausschließlich anhand der horizontalen Paritätsinformationen durchgeführt werden kann (durch das Lesen von K * Blöcken pro fehlerhaftem Block), geht XDP anders vor. L0 L L L L P Q Zeilen Spalten Abbildung : Bei RAID kann ein einzelnes, durch einen Single-Drive-Failure ausgefallenes Laufwerk (L0) mithilfe der horizontalen Parität (P) erneut aufgebaut werden. Dafür müssen K Blöcke (L, L, L, L und P) gelesen werden, um jeden fehlenden Block auf dem ausgefallenen Laufwerk erneut aufzubauen. XDP arbeitet wesentlich effizienter. XDP beschleunigt den erneuten Aufbau, indem es zusätzlich zur Zeilenparität auch die Diagonalenparität nutzt. Angenommen, L0 fällt aus, dann stellt XDP die ersten beiden Blöcke (L0- und L0-) anhand ihrer Zeilenparität wieder her. Bei herkömmlichem RAID werden für den erneuten Aufbau weiterhin die horizontale Parität und die verbleibenden Zeilen verwendet. * K: Anzahl der Datenspalten in einem Stripe oder Gesamtzahl der Festplatten im Stripe, mit Ausnahme der Paritätsfestplatten. Bei einem XtremIO-Speicherarray gilt: K=. 0

21 L0 L L L L P Q Abbildung : Der extrem effiziente Prozess von XDP für den erneuten Aufbau. In diesem Beispiel werden die ersten beiden Zeilen mithilfe der konventionellen zeilenbasierten (horizontalen) Parität erneut aufgebaut. Wenn das System diese beiden Zeilen liest, sorgt XDP jedoch dafür, dass einige der Datenblöcke im Arbeitsspeicher verbleiben, weil sie für den erneuten Aufbau mithilfe der diagonalenbasierten Parität wiederverwendet werden können. In Abbildung bleiben die Blöcke L-, L-, L- und L- auf diese Weise erhalten. Dank dieser Informationen muss XDP nicht alle verbleibenden Zeilen lesen, um den erneuten Aufbau durchzuführen, weil viele der diagonalen Paritäts-Stripes mit nur wenigen zusätzlichen Blöcken vervollständigt werden können. Folglich ist die Anzahl der Lese- I/Os auf der SSD geringer, die Gesamtdauer für den erneuten Aufbau kürzer und die Effizienz höher. Zum Beispiel liegen beim diagonalen Stripe für die Blöcke mit der Nummer (L0-, der erneut aufgebaut werden muss, L-, L-, L- und Q-) bereits die Blöcke L- und L- aus früheren zeilenbasierten Neuaufbauoperationen im Arbeitsspeicher vor. L0 L L L L P Q Abbildung : XDP hat mithilfe der horizontalen Parität L0- und L0- neu erstellt. Es hat auch die im Arbeitsspeicher grün markierten Blöcke aufbewahrt. Daher müssen sie nicht erneut gelesen werden, um den erneuten Aufbau durchzuführen. Anhand dieser Daten lässt sich der erneute Aufbau mit der diagonalen Parität (Q) bewerkstelligen.

22 L0 L L L L P Q Abbildung : Die diagonalenbasierte Parität von XDP sorgt dafür, dass für den erneuten Aufbau weniger I/O-Operationen anfallen. Hier wird L0- unter Verwendung von Informationen erneut aufgebaut, die während eines zeilenbasierten erneuten Aufbaus von L0- und L0- aufbewahrt wurden, kombiniert mit diagonalen Informationen von L- und Q-. Der erneute Aufbau von L0- erfordert daher nur zwei Lesevorgänge (L- und Q- ), während bei herkömmlichem RAIDs fünf Lesevorgänge (L-, L-, L-, L- und P) erforderlich wären. Entsprechend müssen für den erneuten Aufbau von L0- nur L- und Q- gelesen werden. Der erneute Aufbau wird gleichzeitig auf allen verbleibenden Laufwerken durchgeführt. Das System führt den erneuten Aufbau für eine große Anzahl von Stripes gleichzeitig durch und verwendet dabei alle verbleibenden SSDs in XDP. Dadurch wird der Prozess beschleunigt, was zu einer kürzeren Durchführungsdauer für den erneuten Aufbau führt. Diese Methode bietet für den erneuten Aufbau von verlorenen Paritätsspalten keinerlei Vorteil. Sie erfordert im Schnitt etwas mehr als K/ Lesevorgänge (wenn Sie sich erinnern, enthält jedes Laufwerk sowohl Daten- als auch Paritätsspalten in einem rotierenden Paritätsschema). Es ist leicht verständlich, dass ein solches Schema auch die Lesevorgänge bei einem erneuten Aufbau gleichmäßig über die verbleibenden Laufwerken verteilt.

23 Tabelle : Vergleich von XDP und RAID-Algorithmen. Algorithmus Lesevorgänge für erneuten Aufbau eines Stripe der Breite K * auf ausgefallenem Laufwerk Nachteil herkömmlicher Algorithmen XDP K/ RAID 0 Keine RAID K % RAID 6 K % Der Effizienzvorteil von XDP sorgt nicht nur für einen schnelleren erneuten Aufbau, sondern auch für eine höhere Arrayperformance währenddessen, weil weniger Back-end-I/Os zur Fertigstellung des erneuten Aufbaus anfallen und mehr Frontend-I/Os für Anwenderdaten übrig bleiben. * K: Anzahl der Datenspalten in einem Stripe oder Gesamtzahl der Festplatten im Stripe, mit Ausnahme der Paritätsfestplatten. Bei einem XtremIO-Speicherarray gilt: K=.

24 XDP Vorteile bei der Verwaltung Die Vorteile von XDP gehen weit über eine überlegene Datensicherheit, Performance, Kapazitätsausnutzung und Flashlebensdauer hinaus. Der Algorithmus ist vollständig in Software implementiert (und nicht in einem Hardware-Controller wie einem ASIC oder FPGA), was für die Implementierung künftiger X-Brick-Designs eine enorme Flexibilität bedeutet. Diese Flexibilität zeigt sich bereits in der dynamischen Reaktion von XDP auf häufige Fehlersituationen. Ein normaler XtremIO X-Brick enthält SSDs, für Daten und für die Parität. Wenn eine der SSDs in einem X-Brick ausfällt, baut XDP das ausgefallene Laufwerk schnell wieder auf und konfiguriert eingehende neue Schreibvorgänge dynamisch für eine Stripe-Größe von +, um den doppelten Ausfallschutz von N+ für alle neu auf das Array geschriebenen Daten aufrechtzuerhalten. Nach Abschluss des erneuten Aufbaus und Austausch des ausgefallenen Laufwerks werden eingehende Schreibvorgänge wieder unter Verwendung des Standard- Stripe + geschrieben. Diese Anpassungsfähigkeit ist es, die es XDP ermöglicht, auch mehrere SSD-Ausfälle in Folge zu überstehen, ohne dass Sie ins Rechenzentrum eilen müssen, um die ausgefallenen SSDs auszutauschen. XDP hält eine Reservekapazität von etwa % vor, um ein Laufwerk erneut aufzubauen (diese Reserve wird von der nutzbaren Kapazität von XtremIO entnommen). XDP kann kontinuierlich ausgefallene Laufwerke erneut aufbauen und dabei Anwender-I/Os unterstützen, solange das Array über ausreichend Kapazität verfügt. Bis zu Ausfälle werden bei einem vollständigen X-Brick verkraftet und Ausfälle bei einem 0-TB-Starter-X-Brick ( TB). Das Array verfügt vielleicht über weniger Speicherkapazität (bis die ausgefallenen Laufwerke ersetzt wurden) und arbeitet aufgrund der fehlenden funktionierenden Laufwerke ein wenig langsamer, bleibt ansonsten aber funktionsfähig und sicher. Das ist eine einzigartige Funktion, die Administratoren wertvolle Zeit für den Austausch von ausgefallenen Laufwerken verschafft, was besonders bei weit entfernten, geschützten und Lights Out -Rechenzentren von Vorteil ist. Ein Nebeneffekt davon ist, dass das Array keine Hot Spares benötigt. Jeder Steckplatz im System enthält also eine SSD, auf der aktiv Daten gespeichert werden und die zur Gesamtperformance des Arrays beiträgt.

25 Fazit Das Datensicherheitsmodell von XtremIO ist ein enormer Fortschritt in der Speicherarraytechnologie. Durch die Nutzung der besonderen Eigenschaften von Flashspeicher und ein speziell auf diese Technologie ausgerichtetes Design sorgt XDP für eine hervorragende Performance und Lebensdauer der XtremIO-Arrays, die darüber hinaus einfacher zu warten sind und weniger kosten. Vorteile von XDP: N+-Datensicherheit Unglaublich geringer Speicherkapazitätsoverhead von 8 % Eine Performance, die jedem RAID-Algorithmus überlegen ist Eine Flashlebensdauer, die jedem RAID-Algorithmus überlegen ist Schnellere Neuaufbauzeiten als bei herkömmlichen, paritätsbasierten RAID- Algorithmen Überlegene Robustheit mit adaptiven Algorithmen, die Komplettschutz für eingehende Daten bieten, selbst wenn innerhalb des Systems Laufwerke ausgefallen sind Einfache Verwaltung dank Fail-in-Place-Support Verwendung des Freien Speicherplatzes statt Hot-Spare für den SSD- Wiederaufbau, wodurch die Lebensdauer verbessert und die Wiederherstellung von mindestens einem einzigen SSD-Ausfall sichergestellt wird, selbst wenn das Array voll ist Angesichts dieser Vorteile erhalten Speicheradministratoren mit dem vollständig flashbasierten XtremIO-Array die besten Funktionsmerkmale aller aktuellen Lösungen in einem Produkt vereint. Endlich ist die Frage, welches RAID-Modell sich für ein bestimmtes Dataset am besten eignet, um keine Nachteile zu erleiden, kein Thema mehr. Mit XtremIO erhalten Sie jederzeit die beste Datensicherheit und die beste Performance.

26 Weitere Informationen Für eine ausführliche Vorstellung der Funktionen des XtremIO-Speicherarrays und eine Erläuterung dazu, inwiefern das Array die Performance, betriebliche Effizienz, Bedienung und die Gesamtkosten verbessert, wenden Sie sich bitte an XtremIO unter Gerne vereinbaren wir mit Ihnen einen Termin für ein persönliches Treffen oder ein Webmeeting. XtremIO bietet Vorteile in vielen Umgebungen, ist aber besonders effektiv für virtuelle Server, virtuelle Desktops Datenbankanwendungen. KONTAKT Weitere Informationen darüber, wie Produkte, Services und Lösungen von EMC Sie bei der Bewältigung Ihrer geschäftlichen und IT- Herausforderungen unterstützen, erhalten Sie bei Ihrem EMC Vertriebsmitarbeiter oder autorisierten Reseller vor Ort oder auf unserer Website unter germany.emc.com. EMC, EMC, das EMC Logo, XtremIO und das XtremIO-Logo sind eingetragene Marken oder Marken der EMC Corporation in den USA und in anderen Ländern. VMware ist eine eingetragene Marke von VMware, Inc. in den USA und anderen Ländern. Copyright 0 EMC Deutschland GmbH. Alle Rechte vorbehalten. Veröffentlicht in Deutschland 0/ EMC White Paper EMC ist der Ansicht, dass die Informationen in diesem Dokument zum Zeitpunkt der Veröffentlichung korrekt sind. Diese Informationen können jederzeit ohne vorherige Ankündigung geändert werden. 6