Der Converged Network Adapter der Wahl für FCoE in virtualisierten Datenzentren

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1 Der Converged Network Adapter der Wahl für FCoE in virtualisierten Datenzentren Der QLogic Adapter QLE8152 übertrifft den Emulex UCNA Wichtigste Ergebnisse Der konvergenten Netzwerkadapter QLogic QLE8152 und Emulex OneConnect wurden in derselben Testumgebung mit der aktuellsten verfügbaren Software und Firmware getestet. Schwerpunkt des Tests lag auf der für praktische Anwendungen benötigten FCoE-Leistung und der nahtlosen Integration in bestehende Fibre-Channel-Infrastrukturen. Der Converged Network Adapter QLE8152 von QLogic liefert verglichen mit dem UCNA von Emulex überlegene E/As pro Sekunde und die CPU-Effizienz für die Arbeitslast- Skalierbarkeit, wie nachfolgend im Einzelnen ausgeführt: Die E/A-CPU-Effizienz des Converged Network Adapters QLE8152 von QLogic ist bei sequenziellem Lesen bis zu 127 Prozent höher als beim OneConnect Universal Converged Network Adapters (UCNA) von Emulex Die E/A-CPU-Effizienz des Converged Network Adapters QLE8152 von QLogic ist bei sequenziellem Lesen/Schreiben bis zu 148 Prozent höher als beim OneConnect UCNA von Emulex Die CPU-Belastung des Converged Network Adapter QLE8152 von QLogic liegt für typische Blockgrößen bei 11 Prozent. Der UCNA von Emulex dagegen verbraucht bei sequenziellem Lesen bei der kleinsten Blockgröße bis zu 86 Prozent der CPU-Kapazität Die Überprüfung des Quellcodes des Emulex-Treibers zeigte, dass Emulex einen Teil der FCoE-Funktionalität von der Firmware auf den Treiber verlagert hat, um auf Kosten der CPU-Effizienz bei der kleinsten Blockgröße höhere E/As zu erreichen

2 Kurzfassung Unternehmen, die ihre Firmendatenzentren konsolidieren möchten, um die Kapital- und Betriebskosten zu reduzieren, müssen für wichtige Anwendungen im Datenzentrum Hochleistungsprodukte einsetzen. Dabei gibt es drei wesentliche Punkte, die Einfluss auf die Strategien bei der Serverkonsolidierung haben: Zum Ersten erhöht der Einsatz der Virtualisierung die Dichte von Betriebssystemen und von Unternehmensanwendungen auf Servern, was die Anzahl physischer Server verringert. Zum Zweiten werden durch die Umsetzung von Fibre Channel over Ethernet (FCoE) E/A-Funktionen von Speicherung und Netzwerk auf einem einzigen Adapater vereint. FCoE lässt sich leicht in bestehende Fibre-Channel-Infrastrukturen integrieren und verringert die Verkabelungs-, Switch- und Verwaltungskosten. Und schließlich gilt: Je mehr CPU-Kapazität dem physischen Server zur Verfügung gestellt wird, desto besser, da dies den notwendigen Spielraum für die Ausführung einer wachsenden Zahl von Firmenanwendungen auf Multi-Core-Servern mit E/A-intensiven Tasks schafft. Daher müssen konvergente Netzwerkadapter in Firmenserver-Umgebungen eine ausgeglichene E/A-Leistung bieten und dem Datenzentrum ausreichend CPU-Kapazität zur Verfügung stellen, damit es die Vorteile von Konvergenz und Virtualisierung voll ausschöpfen kann. FCoE-Leistung und Skalierbarkeit Bei der Auswahl eines konvergenten Netzwerkadapters für FCoE in einem virtualisierten Datenzentrum ist ein wichtiges Kriterium, ob das Produkt eine optimale Balance zwischen Leistung und CPU-Effizienz bietet, die mit den Konsolidierungserfordernissen des Datenzentrums übereinstimmt. In diesem Whitepaper wird gezeigt, dass der Converged Network Adapter QLE8152 von QLogic diese richtige Balance zwischen E/As pro Sekunde und CPU-Effizienz bietet und damit die Konsolidierungsstrategien von Datenzentren (wie Virtualisierung und Konvergenz) zur Ausführung der meisten praktischen Firmenanwendungen am besten unterstützt. Die Tests demonstrieren ebenfalls die überlegene Skalierbarkeit des QLogic Adapters für steigende Arbeitslasten bei gleichzeitiger Einsparung von CPU-Kapazität. Konfiguration Es wurden Vergleichstests zur E/A-Leistung der konvergenten Netzwerkadapter von QLogic und Emulex durchgeführt. Mit IOmeter, einem Tool zur Messung und Charakterisierung von Einzelund Cluster-E/A-Subsystemen, wurde der Converged Network Adapter QLE8152 von QLogic mit dem Emulex OneConnect UCNA in einer Intel Nehalem Serverumgebung der Unternehmensklasse verglichen. Der IOmeter-Testaufbau (siehe Abbildung 1) bestand aus den konvergenten Netzwerkadaptern von QLogic und Emulex, die mit den aktuellsten kommerziell verfügbaren Treibern liefen und auf einem unter dem Betriebssystem Windows Server 2008 R2 (64-Bit) laufenden Intel Nehalem Quad-Core (dual Socket)-Server installiert waren. Zum Test sequenzieller Operationen war der Server über einen FCoE-Switch Nexus 5020 von Cisco an ein RamSan-400 von Texas Memory Systems angeschlossen. Im Rahmen der Skalierungstests wurde der Testkonfiguration ein RamSan-325 von Texas Memory Systems hinzugefügt. Zur Vermeidung der Latenzzeiten langsamerer Laufwerke, zur Emulation einer realistischen Umgebung und um Leistungskennwerte zu erhalten, die von Speicherarrays der nächsten Generation erwartet werden, wurde ein Festkörperlaufwerk verwendet. FCoE-Switch Testergebnisse Abbildung des Testaufbaus SSD-Festplattenspeicherung Server und Adapter Abbildung 1. IOmeter-Testaufbau für Microbenchmark In den folgenden Abschnitten werden die Ergebnisse der Leistungs- Benchmarktests ausführlich beschrieben. Bewertet wurden die Metriken der E/As pro Sekunde, der CPU-Belastung und der E/A-Skalierbarkeit. Während von Anbietern in Produkttests oftmals kleinere Blockgrößen (wie 512 Byte) verwendet werden, um höhere Spitzen-E/A-Leistungen veröffentlichen zu können, betragen die typischen Transfergrößen in wirklichen Anwendungen hingegen vielmehr 4 KB und 8 KB. Die Angaben für die auf die CPU-Belastung bezogenen E/As pro Sekunde liefern für den Host-Server aussagekräftiges Datenmaterial zu den von einem Gerät bei einem bestimmten prozentualen CPU-Bedarf in Abhängigkeit von der Arbeitslast ausgeführten E/As pro Sekunde. HSG-WP10002 SN Rev. A 6/10 2

3 Sequenzielles Lesen Wie Abbildung 2 zeigt, sind für Blockgrößen von 8 KB und darunter die auf den CPU-Bedarf bezogenen sequenziellen Lese-E/As pro Sekunde des Converged Network Adapters QLE8152 von QLogic bis zu 127 Prozent höher als beim Emulex UCNA. CPU-Effizienz (E/As pro Sekunde / CPU%) Blockgröße in KB Abbildung 2. E/As pro Sekunde / CPU bei sequenziellem Lesen Der Emulex UCNA lieferte bei einer Blockgröße von 512 Byte 900K E/As pro Sekunde, was den durch das Unternehmen zuvor veröffentlichten Werten entspricht. Bei dieser Blockgröße von 512 Byte wurde jedoch nahezu die gesamte CPU-Leistung des Intel Nehalem Quad-Core (dual Socket) verbraucht und keinerlei Spielraum für Anwendungen gelassen (wie im nächsten Abschnitt näher erläutert wird). CPU-Belastung und Veränderungen des UCNA-Treibers Der Converged Network Adapter QLE8152 von QLogic zeigt auch bei steigender Arbeitslast gegenüber dem Emulex OneConnect über alle Blockgrößen hinweg durchweg niedrige CPU-Belastung und hohe Effizienz. Wie Abbildung 3 zeigt, nutzt der QLogic Adapter über alle Blockgrößen hinweg für FCoE-Lesevorgänge durchweg nur etwa 11 Prozent der CPU und lässt damit ausreichend Spielraum für Servervirtualisierung und Skalierung. Sequenzielle Leseleistung Sequenzielles Lesen/Schreiben Obwohl der Converged Network Adapter von QLogic denjenigen von Emulex beim Test zu sequenziellem Lesen/Schreiben wiederum in einem weiten Bereich von Blockgrößen übertrifft, soll in diesem Abschnitt nur auf den Vorsprung von QLogic bei 4 KB eingegangen werden. Wie Abbildung 4 zeigt, sind für diese von Oracle -Datenbankanwendungen typischerweise verwendeten Blockgrößen die auf die CPU-Belastung bezogenen sequenziellen Lese/Schreib-E/As des Converged Network Adapter QLE8152 von QLogic um bis zu 148 Prozent höher als diejenigen des Emulex UCNA. CPU-Effizienz (E/As pro Sekunde / CPU%) Abbildung 4. E/As pro Sekunde / CPU bei sequenziellem Lesen/Schreiben Arbeitslast-Effizienz Blockgröße in KB Die Arbeitslast-Skalierbarkeit wird mithilfe zunehmender anstehender E/As für ausgewählte Worker bestimmt. Ergibt sich hierbei eine hohe Effizienz bei steigender Arbeitslast, zeigt dies die Skalierfähigkeit eines Adapters, wenn beispielsweise dem physischen Server zusätzliche Hosts für Virtual Machines (VMs) hinzugefügt werden. Wie Abbildung 5 zeigt, liegen für Blockgrößen unter 8 KB und eine steigende Arbeitslast von bis zu 32 anstehenden E/As die sequenziellen Leseoperationen des Converged Network Adapters QLE8152 von QLogic um bis zu 145 Prozent höher als beim Emulex UCNA. Der QLogic Adapter QLE8152 übertraf den Emulex UCNA über alle Blockgrößen hinweg. Arbeitslasteffizienz bei 4 K Blockgröße CPU-Belastung % Blockgröße in KB E/As pro Sekunde / CPU-Belastung Abbildung 3. CPU-Belastung über verschiedene Blockgrößen Arbeitslast Zunehmende anstehende E/As Abbildung 5. Skalierbarkeit der E/As pro Sekunde / CPU HSG-WP10002 SN Rev. A 6/10 3

4 Um besser zu verstehen, warum der Emulex UCNA im Gegensatz zum 8Gb-Fibre-Channel-Adapter desselben Herstellers so viel CPU verbraucht, untersuchte QLogic den Emulex GPL-Treiber für die Linux-Community. Die Analyse ergab, dass im Gegensatz zu Emulex eigener Fibre-Channel- Implementierung ein Großteil der Arbeit für die Unterstützung der hohen E/A-Zahl im Treiber durchgeführt wurde, statt in der Firmware. Der Emulex UCNA führt kein Offload wichtiger Fibre-Channel-Funktionen auf den Adapter durch, was die CPU-Belastung für den Host nach oben treibt. Anwender werden in der Regel davon ausgehen, dass auf den konvergenten Netzwerkadaptern für FCoE der bewährte Fibre-Channel-Stack verwendet wird. Der Emulex UCNA scheint jedoch einen anderen Treiber-Stack zu verwenden, bei dem einige wichtige Funktionen auf dem Host laufen: Fibre Channel Frame-Header-Informationen, Scatter/Gather- und Exchange- Betrieb und -Erstellung sowie der Großteil der Fehlerbearbeitung. Änderungen am Fibre Channel/FCoE-Treiber-Stack, die alle Betriebsysteme betreffen, machen den UCNA aller Wahrscheinlichkeit nach für den Einsatz in virtuellen Datenzentren, wo die Einsparung von CPU und Speicher vorherrschende Ziele sind, alles andere als geeignet. Zusammenfassung und Fazit Eine der Hauptstrategien bei der Serverkonsolidierung in Datenzentren bedingt den Einsatz von Multi-Core-Servern. Die CPU-Effizienz und die Arbeitslast-Skalierbarkeit beeinflussen die Dichte eines Datenzentrums. Damit Unternehmensanwendungen auf mehreren virtualisierten Hosts laufen können, muss CPU-Kapazität und eine angemessene Zahl von CPU-Cores zur Verfügung stehen. Der Converged Network Adapter QLE8152 von QLogic übertrifft hierbei den UCNA von Emulex, indem er optimale E/As pro Sekunde und CPU-Effizienz liefert. QLogic ist somit bei hochleistungsfähigen E/A-Lösungen für Datenzentren weiterhin Branchenführer. Die Converged Network Adapter der Serie 8100 von QLogic liefern klassenbeste Leistung für die Serverkonsolidierung und Arbeitslast-Skalierbarkeit in Firmendatenzentren. HSG-WP10002 SN Rev. A 6/10 4

5 Anhang Testkonfiguration Serverkonfiguration Prozessor Speicher Betriebssystem Benchmark-Tool 2,8GHz Intel Nehalem Dual Socket Quad Core Prozessor 24 GB RAM Windows 2008 R2 (64-Bit) IOmeter QLogic Emulex FCoE-Adapter QLE8152 OCe10102-F Version der Treiberkonfiguration QLE OneConnect UCNA Speicherkonfiguration Ziele SSD RAMSAN 400 SSD RAMSAN 325 LUNs Vier je Port Ports Vier Ports je Ziel Switch-Hardware FCoE-Switch Cisco Nexus 5020 HSG-WP10002 SN Rev. A 6/10 5

6 Haftungsausschluss Die Leistungstests wurden nach bestem Wissen und Gewissen durchgeführt, um die Überprüfbarkeit und die Genauigkeit der Tests zu gewährleisten. Die QLogic Corporation kann für keinen Fehler in dieser Whitepaper-Veröffentlichung oder für daraus resultierende Folgen haftbar gemacht werden. Zu abweichenden Ergebnissen kann es aufgrund von Änderungen in der Konfiguration oder der Umgebung kommen. QLogic weist hiermit ausdrücklich jegliche Garantieansprüche, explizit oder implizit, zurück, die sich auf die Testergebnisse und deren Genauigkeit, Analyse, Vollständigkeit oder Qualität beziehen. Firmenzentrale QLogic Corporation Aliso Viejo Parkway Aliso Viejo, CA (001) Internationale Niederlassungen Großbritannien Irland Deutschland Frankreich Indien Japan China Hongkong Singapur Taiwan 2011 QLogic Corporation. Die technischen Daten können sich ohne vorherige Ankündigung ändern. Alle Rechte weltweit vorbehalten. QLogic und das QLogic-Logo sind eingetragene Marken der QLogic Corporation. Emulex und OneConnect sind Marken oder eingetragene Marken der Emulex Corporation. Intel ist eine eingetragene Marke der Intel Corporation. Windows Server ist eine eingetragene Marke der Microsoft Corporation. Cisco ist eine eingetragene Marke von Cisco Systems, Inc. Oracle ist eine eingetragene Marke der Oracle Corporation. Alle anderen Marken oder Produktnamen sind Marken oder eingetragene Marken ihrer jeweiligen Inhaber. Die Angaben der QLogic Corporation sind nach bestem Wissen zutreffend und zuverlässig. QLogic Corporation übernimmt keinerlei Haftung für mögliche Fehler in diesem Dokument. QLogic Corporation behält sich das Recht vor, ohne vorherige Ankündigung Änderungen am Produktdesign beziehungsweise an den Spezifikationen vorzunehmen. HSG-WP10002 SN Rev. A 6/10 6