Rechenzentrum. Eine technologische Standortbestimmung. norbert e. deuschle. deuschle business consulting

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1 Aktuelle Storagetrends im Rechenzentrum Eine technologische Standortbestimmung norbert e. deuschle deuschle business consulting (Dipl.Wi.Ing., Senior Berater, Analyst) ti

2 Agenda - Einführung - Trend 1: I/O-Performance, 640 KBytes (Arbeitsspeicher) HDD s, SSDs, ist alles, Alternativen was irgendeine - Trend 2: Kapazitätsoptimierung, Applikation pjemals benötigen COSsollte - Bill Gates, Trend 3: Virtualisierung & Energieeffizienz - Fazit

3 Das Datenwachstum weltweit... 1 MB = 1 Esslöffel Sand 1 ZB = 1 Strand m breit, 30cm tief, entlang Europa) 161 EB 1.0 ZB... Wachstum x6 Quelle: IDC, 2007

4 Datenwachstum im Unternehmen Unstrukturiertes Datenwachstum Name Space Verwaltung Non-Shared NAS Plan: 55% Wachstum p.a. Jedoch oft > 100% Distributed (Clustered-) FS GNS NuView (Brocade) ONStor Pantera Exanet NetApp GX (Spinnaker) Isilion EMC (Rainfinity) HP (PolyServ) Microsoft (DFSR2) IBM Panasas etc.. Network File Management Services - File Virtualization - File Mgmt..- Services NeoPath Attune NetApp Acopia (F5) Bridgehead Brocade EMC Wide Area File Services (WAFS) - File Services -Network Optimization - Application Acceleration Cisco Brocade Packeteer Quantum HP Riverbed Juniper Nortel File Content Classification DeDuplication Kazeon StoredIQ Abrevity Rocket Software (Arkivio) Njini IBM / FileNet DataGlobal Pandoratio Scentric FAST Blackball usw. 2/3 an unstrukturierten Daten auf Enterprise Arrays... 1/3 im (nearline-) Archiv

5 Konsequenzen für Storageprozesse Weniger aktive Daten auf HD (50x pro Jahrzehnt) Disk scan benötigt immer länger (10x pro Dekade) Quasi unbegrenzte Kapazität 1990 disk ~ 1GB = 5 Min. scan 2008 disk ~1000GB = 6.5 hour scan Problem: Backup-/Restore Zeiten In 2009: 75TB / Storage Admin (managed storage, Automation) Problem: 5TB = 10 Preiseinheiten heute 5TB = 1 Preiseinheit in wenigen Jahren Begrenzte Bandbreite Storage Management Kosten höheren Storagekosten

6 Automatisierte Speicherverwaltung virtualisierter Ressourcen Nur ca. 60% haben formale Storage Policies* und Verantwortlichkeiten eingeführt. Mit automatisierten Storage Prozessen wird die Effizienz pro FTE verdoppelt TB/Admin. in 2008 onth /GB/M Personalkosten Ohne Storage Mgmt. mit automatisiertem Storage Management Disziplin: Automated Storage Resource Management, (A)SRM * Policies: SLA basierende Definitionen von Storage Services, priorisiert nach Benutzerklassen und geschäftlichen Anforderungen Speicherkosten (RAID Subsysteme) : 1.25 TB/FTE 2002: 3.80 TB/FTE 2003: 6.50 TB/FTE 2009: TB/FTE Quellen: SNIA XAM, DMTF

7 File Management- Virtualisierung Name Space Verwaltung Network File Management Services Wide Area File Services WAFS File Classification Non-Shared NAS Quelle: N.Deuschle, 12/2008 Distributed- Shared FS, GNS Brocade (NuView) ONStor Pantera Exanet, Panasas NetApp GX (Spinnaker) Iil Isilon EMC (Rainfinity) HP (PolyServ) Microsoft (DFSR2) IBM (GPFS), SoFS SUN ZFS etc.. File Virtualization - File Mgmt.- Services NeoPath (Cisco) Attune NetApp Acopia (F5) Bridgehead Brocade EMC HP IBM etc.. Trend: Clustered Storage + Filevirtualisierung + Integration von DeDup & Backup (virtual tape) - File Services -Network Optimization - Application Acceleration Cisco Brocade Packeteer Quantum HP Riverbed Juniper Nortel SilverPeak etc.. Deuschle Storage Business Consulting, München Reprint-Reproduction Forbidden Without Permission - Alle Rechte bei den genannten Unternehmen-/Eigentümern File Content Classification Kazeon StoredIQ Abrevity DataGlobal Arkivio Njini IBM / FileNet Pandoratio Scentric FAST Blackball Zantaz etc..

8 Quelle: IEEE Computer Society / Google, Luiz André Barroso, Urs Hölzle Dez Virtualisierung = pot. I/O - Engpass Klassische Server-/Storagearchitekturen Klassische Server /Storagearchitekturen wurden vor dem Internet entwickelt... Web 2.0 verlangt nach stärkerer Datenund nicht CPU-Zentrierung (s.a. Datenwachstum vs. Moore s Law) Mehr I/O-, Storage-RAM-Kapazitäten als CPU-Servercapacity sinnvoll (Memory-Scale-Up-Architekturen...)

9 Intro: Server-/Storage High Density- Entwicklung bis 2011/12-10x to 100x Leistungsverbesserung 10TB HD 512GB+ NAND Solid State Disks (T0) 1TB Hauptspeicher 16+ cores cpu 16 cores 16 cores 16 cores 16 cores PCIe Gen 3 System Crossbar 16x 10TB HDD PCIe Gen 3 1TB DDR3 - Wachstum exponentiell: Kapazität 60% p.a. (100x) Bandwidth 40% p.a. (10x) Latency 15% p.a. SSD 16Gb/s FC 10Gb/s FCoE - Kapazität >> Bandbreite >> Latency - E N E R G I E E F F I Z I E N Z Geschwindigkeit (t) Änderungen (t) - CPU s - IT Prozesse -Memory - Memory X-Rate - Data Center IT Utilization (DCIU) - Diskkapazitäten - Storage latency - Data Center Performance per Watt (DCPpW) Netzbandbreite Fabric Architekturen Quelle: Stuart Berman, CTO Emulex Corp. - Netzbandbreite - Fabric Architekturen

10 Storage und Energieeffizienz Verbraucher (%) im RZ vor Virtualisierung: Server 60-70%, Netze 10-20%, Storage ca. 20% Mit Server-Virtualisierung + HD-Architekturen: Server: 10%-20% (Konsolidierungsraten von 1:10-1:30 typisch..) Server Netze Storage jetzt im Fokus 4 0 Verbraucher nach 50% % Virtualisierung Speicher

11 High-Density Architekturen Herausforderung HighDensity, HD-Architekturen Server, Storage... Quelle: RZ, Finanzdienstleister 2008 Cooling on Demand 1 Grad Absenkung = kostet 5% mehr Energie!

12 Energieeffizienz i im Rechenzentrum Rechenzentrums Performance-Effizienz (DCPE): - DCE = (1/PUE) PUE (Power Usage Effectiveness) - PUE = (total Facility Power / IT Equipment Power)

13 TREND 1: Halbleiterspeicher HDD-Entwicklungstrends schnell & energieeffizient... The Hard Disk Is Dead: Long Live Solid State Patterned Media (>2010) Thermally Assisted Recording, TAR* (>2015..?) 1.0 -By 3.0 Anders Tb/sq.in. Bylund Tb/sq.in. October 7, 2008 Quelle: US Nasdaq TechTicker, 07. Okt Perpendicular R Gb/sq.in. >2006 Der Test zeigt es geht in Richtung SSD.. einzig der Preis und die Speicherkapazität lässt zu wünschen übrig. Aber wie wir wissen geht die Entwicklung rasend schnell. Das Ende der Festplatte naht... PC Welt, Sept Sometimes, it takes an established industry giant to bring out the best in a brilliant new technology. Intel (Nasdaq: INTC) wasn't kidding this summer when it promised to put a new face on solid-state drives. The chip giant's first serious foray into the $35 billion storage drive market hits the street this week, and the early buzz is phenomenal. Longitudinal R. < 130 Gb/sq.in. <2015 Intels new X25-M... still not cheap enough to blow traditional disk makers like Western Digital (NYSE: WDC) and Seagate Technology (NYSE: STX) to pieces yet, but it's just a question of time.... STEC (Nasdaq: STEC) and SMART Modular Technologies (Nasdaq: SMOD) make business-class flash drives to power massive data banks like video-on-demand libraries. Motorola (NYSE: MOT) builds entire media servers around the extreme performance and reliability of solid-state storage. *Bsp.: 10 Tb/sq.in. = 12 TB auf 2.5 oder 50 TB auf 3.5 disk IT managers love to keep their data centers cool and quiet, so memory chips are desirable from that angle, too. Quelle: HITACHI GST

14 Halbleiterspeicher - Kurzübersicht SRAM (Flip-Flop, CPU Cache) Sehr schnell (x100 als DRAM = < 0,1 ns), hoher Energieverbrauch, teuer, geringe Kapazität, volatil... DRAM/SDRAM (Main Memory) Schnell (20 bis 7 ns), klein, Kapazitäten teuer, Refresh nötig, volatil... PRAM (Phase Change M. ) Möglicher Ersatz für DRAM und NOR-/NAND-Flash) Schnell (x30 zu Flash, klein, nicht-flüchtig, langlebig (x10 zu Flash), preiswert in der Herstellung, (Intel, AMD, Samsung, NEC, IBM) Möglicher Ersatz für Flash bei USB Sticks... MRAM (Magneto-resistive) Schnell wie SRAM, Packungsdichte wie DRAM, kein Refresh, nicht-flüchtig, langlebig wie SDRAM (ca. 1 Billion write-/read-cycles), Technikpotential heute noch nicht ausgenutzt, Preiswerte Herstellung, Ersatz für SDRAM möglich (Philips, Freescale, Infineon, IBM...) EEPROM / FLASH Memory (NOR, NAND, ORNAND ) ohne einzelne Speicherelement-Löschung, langsamer als RAM, kompliziertes Write-/Read Controller mit ECC nötig, teurer als HDD, non-volatile, geringer Energieverbrauch, klein, hohe Datendichte, schnell gegenüber HDD s (Reads)...

15 Zugriffszeiten it vs. Technologie

16 Energieeffizienz- Metrik Power Density, TB pro (K)Watt, Storage Density, TB pro Stellfläche TB/Watt FC / SAS Enterprise Arrays SATA Arrays MAID + DeDuplizierung CAS TAPE + DeDup Tape 1,5-3.0 kw Rack MAID* Tape** 500 7,0 kw Rack TB/Stellfläche *MAID, Massive Arrays of Idle Disks for Storage Archives, D. Colarelli and D. Grunwald, 2002 ACM/IEEE conference on Supercomputing, November 2002, Baltimore, US. Anbieter: Copan, nexsan ** Kapazitätsabhängig

17 Energieeffiziente i SSDs: IOPS / Durchsatz pro Watt Storage (Sub-)system IOPS / (K)Watt Bandbreite, MB/s / (K)Watt Storage Density, TB / Stellfläche Power Density, TB / (K)Watt Bsp.: Solid State Disk Technologie: = 200 IOPS/Watt Bsp.: RAID-6 HDD Array = 10 IOPS/Watt

18 SSD- Technik: zu HDD (Arrays)? Festplatten: noch Jahre am Markt... Formfaktor: Übergang zu 2.5 Drives in 2009 Zunehmend FLASH für 15k HDDs (2009/10) Neue Optionen = Solid State + SLC NAND (Flash) Highspeed Arrays: 320 GB, 2.5, 0,5ms seek Kombination von SSD mit RAID-Flash Einstiegspreise deutlich reduziert (NAND-Preise minus 30-50% p.a. in 2007/08) HDD latency: bis 1:700 gegenüber SDRAM NAND latency: bis 1: 80 gegenüber SDRAM Kombination aus DRAM plus SLC-NAND Vorteile: > hohe E/A-Leistung > Energieeffizient (IOPS / Watt) > Anbieterbsp.: Texas Memory Systems, TMS

19 NAND Flash als HDD-Ersatz sinnvoll Zuverlässigkeit, Einsatzmöglichkeiten:? + MTBF auf HDD Level (>1.5 Mio Std.) + SLC NAND: > Write-cycles + Random, Sequential - I/O Performance hoch - IOPS bei Random-Write plus Verschleiß Für jede Löschoperation eine Blockkopie Verlagern oft genutzter Blöcke verringert vorschnelle Alterung Controller-Intelligenz nötig Preis ($ pro GB)

20 NAND Flash vs. HDD Arrays 60 HDDs 60 SSDs* Energiekosten -Faktor IOPS 21Mio 2.1 Mio. IOPS 6.0 GB/s 18 GB/s 4.4 TB 1.9 TB Read IOPS -Faktor >110 Pro HDD: - Pro SSD: 100MB/s - 250MB/s read 300 IOPS -170MB/s write 12W (active) X-Rate - 35K IOPS -Faktor 3-24W 2.4W (active) * Angaben basierend auf INTEL Specs, 11/2008 When servers wait on storage, users wait on servers. This is I/O wait time...

21 Applikationsprofile, o SSD Einsatz in 2009 Enterprise DDRAM-/Flash SSD Virtual Machines... -Bis zu 3-4 x mehr VMs pro Serverinstanz lauffähig -Keine HardDisk Interrupts Array: wegen ca. I/O 0.3 Engpäßen ms -Metadaten SSD: t Management ca ms (VTL, (15.0 DeDup microsec.) D...) Cache Hit* Cache Miss (Read) Transaktionsverarbeitung HardDisk Array: ca ms -Datenbanken SSD: ca. 0.2 ms (<2 ms write cache miss) IOPS (random read) HD Array: versus SSD: Sekunde bis Faktor 10 erhöht) Stromverbrauch: HD-Array vs. SSD: Faktor 3x-10x Kosten: Content HD Array: Streaming $ pro GB bis zu 300 x schneller -Rich SSD: Media Apps $150 (< 10 / x GB mehr Streams/t) bis zu 10 x teurer -OLTP Apps (< 100x schnellere Responsezeiten; Transaktionen pro -Realtime Editing von HD-Mediastreams etc. *Quelle: Hersteller Texas Memory Systems,TMS

22 NAND Flash Alternativen Future Solid State t Storage... NonVolatile RAM Magnetic RAM Ferroelectric RAM Phase-Change RAM RAM MRAM Active Archive 10 ns 2 ns Memory-to-Memory M SAN

23 NAND Flash Alternativen Future Solid State t Storage (2) NonVolatile RAM Magnetic RAM Ferroelectric RAM Phase-Change RAM RAM NVRAM 10 GbE, IB SAN, NAS heute...

24 NOR/NAND und DRAM: SRAM DRAM RAMDISK ORNAND SSD NAND, NOR HDD Quelle: Spansion, 11/2008

25 NAND Flash Alternativen Future Storage, Ausblick... NAND Flash ist Übergangstechnologie MRAM, PRAM als (FC-HDD) Nachfolger (Intel, AMD, IBM, Samsung, NEC u.a.) Basis für Cloud Computing- Storage Zukünftig: NANO Speicher: MEMRISTOR, RACETRACK (HP, IBM, TKD u.a.) RaceTrack StorageArray*: "Großer" Schreib/Lese-Kopf, "kleine" Spin-Datenfelder auf ferroelektrischem Nanodraht* Nanostrukturen Lichtspeicher Spintronics Quelle Abbildungen: IBM Watson Research Center, USA und Dr. A. Köster, IBM Deutschland.

26 Trend 2: Kapazitätsoptimierung, p COS Kapazität und Kosten limitieren die Verwendung von Disk-Systemen für Backup- und drestore: Daten müssen nach wenigen Tagen gelöscht oder verschoben esc werden. ede Einer der Hauptvorteile von D2D-Backups, die hohe Recovery-Geschwindigkeit, bleibt vielfach ungenutzt. Effektives Disaster-Recovery kaum realisierbar Disk-Backup-Systeme sind isolierte Systeme Replikation ist bei verteilten Standorten aufgrund des Datenvolumens vielfach nicht praxistauglich (Kosten, Leistung, Netzbandbreite).

27 Daten-De-Duplizierung De Duplizierung Definition: iti Deduplizieren ( single-instance ) ist das Entfernen von redundanten Dateien, Bytes oder Datenblöcken. Diese (redundanten Daten) werden durch Verweise (pointer) ersetzt. Data Repository zur Identifikation von unique Data Technik: Pattern-Matching (delta based)* or Hashing-based - Algorithms DeDup Implementierungen: Pattern Matching ist eine Technik, mit der ein String, bestehend aus Text oder binären Daten, nach einer Zeichenfolge durchsucht wird. Die Zeichenfolge wird dabei in Form eines speziellen Suchmusters angegeben. 1.File (Object-) Level: nur eine Kopie pro Datei wird geschrieben 2.Byte- oder Blocklevel: Deuschle Storage Business Consulting, München Reprint-Reproduction Forbidden Without Permission - Alle Rechte bei den genannten Unternehmen-/Eigentümern

28 DeDuplizierung, cont.(1) Wo wird DeDupliziert? 1.Target: z.b. Storage Subsystem: + keine CPU-Belastung keine Host-Agents und SW-Updates, OPEX zentrales Mgmt./ Transparent zu Server / Apps. - Keine LAN-/WAN Entlastung durch DeDup 2. Source: z.b. Host / VMs + Netzbandbreiten... Entlastung LAN/WAN - Hostbelastung, verteilte Systeme - Installations- / Admin. Aufwand, OPEX Deuschle Storage Business Consulting, München Reprint-Reproduction Forbidden Without Permission - Alle Rechte bei den genannten Unternehmen-/Eigentümern

29 De-Duplizierung, Duplizierung, cont.(2) Wie wird DeDupliziert? 1.Real ltime: Deduplizierung findet beim Speichervorgang g statt. + Sofortige Platzeinsparung - Performance Impact (z.b. FC HDDs nötig) 2. Post Processing: + Deduplizierung i zu definierten i Zeiten, d.h. planbar - Zusätzliche Diskkapazität muss vorgehalten werden Deuschle Storage Business Consulting, München Reprint-Reproduction Forbidden Without Permission - Alle Rechte bei den genannten Unternehmen-/Eigentümern

30 Beispiel: Backup-/DR mit DeDuplikation Weekly Backup: 5 TB Änderungen pro Woche: 1.25 TB Daily Backup: 1 TB - Verfügbare Sicherungszeit pro Woche: 8 Std. Total Backups, primary site: 130 TB Total Backups, DR site: 130 TB DeDup Faktor = 17 : 1 RZ: -DeDup: 7.4 TB - VTL: 130 TB - Tape: Tapes DR-Site: - DeDup: 7.4 TB bei 4.0 Mb/s. - VTL: 130 TB bei 72.0 Mb/s. - Tape: Tapes, KFZ, Archivraum

31 DeDu-Faktor (Effizienz) vs. Kapazitätseinsparung p Dedup Ratio Disk Savings 1:1 0% 2:1 50% 3:1 67% 4:1 75% 5:1 80% 6:1 83% 7:1 86% 8:1 87% 9:1 89% 10:1 90% 50:1 98% 100:1 99.0% Quelle: Quantum Corporation, 2008 Normal: Raten zwischen 10:1-30:1 500:1 99.8%

32 Einsatzkriterien - DeDuplication Beeinflusst DeDup die Backup-Performance? (Konfigurationen, in-line, postprocessing..) Datenstrukturen respektive Anwendungen! Effizienzfaktor, Encryption, Compression Index-Katalog (Data Repository): Aufbau, Sicherheit, Grösse, Verfügbarkeit, RAM oder Disk... Skalierbarkeit k it (Architekturprinzipien) i i i Erweiterbarkeit (n-nodes) Kostenaspekte (OPEX)* *Einkaufsführer DeDup - N.Deuschle - /Downloads

33 Trend: DeDuplikation & Virtual Tape - Kaum Geräteengpässe, ä stabile Planung möglich - Deutlich kürzere Sicherungszeiten mit virtualisierten Bändern - Einheitliches Mgmt. der logischen Volumes und weniger Ausfälle - Für Systemadministration ein vorhersehbarer Prozess - Entlastung der Backup-Server und des Speichernetzwerks - Unabhängigkeit von Bandtechnologien - Flexibilität und Leistung beim Restore - Betriebskosten können gesenkt werden - Backupkosten 10%-30% geringer - Backup-Prozesse fehlertoleranter.

34 Data De-DuplicationDuplication und Datenintegrität Data pattern Compression: (4-fache Kompression von 16 digits) De-Duplication: Data pattern (16 digits) ===> 1234 (4 digits) Datenintegrität t ität (BER) von Hash-basierenden DeDup D - Verfahren Bei 95EB an Daten existiert eine statistische BER von: %, % einen Datenblock durch Hash-Collision zu verlieren Undetected t d Bit Error Rate: Jeder Schreibvorgang auf ein LTO tape drive bedeutet statistisch eine BER von % = 1 in 10^(27) HASH COLLISION ist mit SHA-1 (noch) nicht praxisrelevant

35 Trend 3: Virtualisierung im RZ, Storage und Energieeffizienz Server Virtualisierung als Katalysator für SANs und Speichervirtualisierung Parameter: Skalierbarkeit, I/O... Bildquelle: ESG, 10/07

36 Entwicklung Virtualisierung im RZ V1 ( ) Konsolidierung, SW-Entwicklung-/Tests (ca. 80%) Verfügbarkeit (ca. 15%) Virt. Clients (ca. 3%) Ressourcen-Sharing, heterogene Plattformen V2 ( ) Konsolidierung, SW-Entwicklung-/Tests (ca. 30%) Verfügbarkeitsaspekte (ca. 50%) Virt. Clients (15%), SOA Ressource-sharing + Migration + Workload Management Unplanned Downtime, Energieeffizienz, Performance V3 (2012+) Policy-based Automation, SOA V2 Europa 2007: 8%-10% aller Server virtualisiert ca. 50% planen Beschaffung für 2008

37 Energiekosten und virtuelle Ressourcen im Data Center SANs und Storage Virtualisierung nach Servervirtualisierung sinnvoll, jedoch: Konsolidierung impliziert nicht nur Energieeinsparung : typ. Rack im RZ = 2.0kW bis 3.0kW Wärmeabgabe ca. 25% der Energiekosten 2009: 20.0kW Wärmeabgabe 5-10 KW (bis 50% Kosten Wärmeabfuhr) Kühlung: 0,5 bis 0,7 Watt pro 1 Watt Server - Power* Kühlung 60% des Energieverbrauchs im RZ High-Density Architekturen 5-10 x Energieverbrauchs von konventionellen Systemen Konventionell: bis zu 30kW pro Storage Rack : Energiekosten zweitgrößter Kostenblock im RZ *Quellen: Flometrics, IBM, Gartner Group, Forrester Research, 2007 Typisches RZ: kwh p.a. = kg CO2*

38 Storage Virtualisierung- Energieeffizienz KWh/Jahr Beispiel: Energiebedarf für 50TB (Stromverbrauch + Kühlung) nach hdisktyp (Energieverbrauch variiert tje nach hhersteller und Disk-Arraymodell; Angaben sind als Anhaltspunkt zu sehen). Storage Virtualisierung FC FC, SAS, SATA SATA TAPE, MAID HSM, Disk-Tape Quellen: Seagate, Bull, 2007

39 Fazit - Kapazitätsoptimierung - Virtualisierung -Energieeffizienz & Performance Anforderungen an Infrastruktur- Elemente steigen!

40 Zusammenfassung- Fazit FCoE iscsi Flash SSD

41 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

42 Literaturempfehlung:

43 Literaturempfehlung: Quelle: FCIA, fibre channel industry association, 2008

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