Performance Report. iscsi und iscsi Boot. Abstract

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1 Performance Report iscsi und iscsi Boot Ausgabe 1.1 November 2008 Seiten 18 Abstract Reduzierung der IT-Betriebskosten ist ein wichtiger Aspekt bei der Gestaltung von IT-Umgebungen. Eine der zentralen Maßnahmen in diesem Zusammenhang ist die Konsolidierung von Infrastrukturen zur effektiveren Nutzung und Administration. Diese technische Dokumentation richtet sich an Personen, die vor der Frage stehen, ob der Anschluss von Storage-Systemen an PRIMERGY Server über iscsi eine Möglichkeit für einen preisgünstigen Einstieg in die Storage Area Netzwerk-Technologie ist, ohne eine komplett neue Infrastruktur aufbauen zu müssen. Weiterhin stellt dieses Dokument eine Alternative zur herkömmlichen Art der Betriebssystem-Datenhaltung vor. Hierbei befinden sich die Betriebssystemdateien nicht lokal auf den Server-Festplatten (local Boot), sondern entfernt (remote) in einem zentralen Storage-System. Im Speziellen wird ein Überblick über das Thema iscsi Boot gegeben. Inhalt Einleitung... 2 iscsi-architektur... 3 iscsi-durchsatz... 5 iscsi Boot... 9 Messumgebung Fazit Literatur Kontakt... 18

2 Einleitung Server und Storage-Systeme werden im Rahmen von Konsolidierungen zur Senkung der IT-Betriebskosten zu effektiveren, besser ausnutzbaren und administrierbaren Einheiten zusammengefasst. In zunehmendem Maße wird an Stelle der alt bekannten, direkt angeschlossenen Storage-Systeme (»Direct Attached Storage«(DAS)) das so genannte»storage Area Network«(SAN) eingesetzt, um sowohl die physikalischen Restriktionen lokaler Storage-Systeme als auch die durch die Verkabelung fixe Zuordnung von Servern und Storage-Systemen zu durchbrechen. Neben Fibre-Channel (FC) mit seiner komplett eigenen Infrastruktur gewinnt»internet SCSI«(iSCSI), durch die»internet Engineering Task Force«(IETF) als RFC3270 beschrieben, immer mehr an Bedeutung. Hinter diesem Konzept steckt ebenfalls die Idee, das Storage- System vom Server loszulösen und als eigenständige Einheit in einem Netz einem oder mehreren Servern zur Verfügung zu stellen. Umgekehrt kann auch ein Server auf mehrere Storage-Einheiten zugreifen. Im Gegensatz zu den meisten»network Attached Storage«(NAS) Systemen, welche über ein LAN die aus der Microsoft Welt bekannten Protokolle SMB (»Server Message Block«) bzw. CIFS (»Common Internet File System«) oder das aus dem UNIX / Linux bekannte NFS (»Network File System«) zur Verfügung stellen, werden sowohl durch iscsi als auch durch Fibre-Channel im Server blockorientierte Geräte (Block Devices) zur Verfügung gestellt. Einige Anwendungen setzen für ihre Datenablage Block Device-Schnittstellen zwingend voraus, bei denen es für Anwendungen dann keinen Unterschied macht, ob sie auf ein direkt angeschlossenes Storage-System zugreifen oder ob sich die Daten»irgendwo«im Netzwerk befinden. Im Unterschied zu Fibre-Channel mit seiner speziellen Infrastruktur mit eigenen Controllern, eigener Verkabelung, eigenen Switches und auch eigenem Management, greift iscsi auf die von TCP/IP bekannte Infrastruktur zurück daher auch die Bezeichnung»IP-SAN«. Durch die Nutzung vorhandener Infrastrukturen sind die Einstiegskosten bei iscsi niedriger als im Fibre-Channel-Umfeld. Auch für die Überbrückung großer Entfernungen ist iscsi hervorragend geeignet. FC-SAN und IP-SAN sind aber nicht nur alternativ zu sehen, denn der Anschluss entfernter Betriebseinheiten, Abteilungen oder Zweigstellen an ein zentral vorhandenes FC-SAN kann kostengünstig über iscsi erfolgen. Auffallend ist, dass obgleich viele Kunden über leistungsfähige SAN-Systeme verfügen, diese im Allgemeinen nur für Daten der Anwendungen, nicht aber für das Server-Betriebssystem selbst und dessen temporäre Daten, genutzt werden. Unverändert existiert vielerorts das heute übliche Vorgehen, das Betriebssystem des Servers von den lokalen Server-Festplatten zu booten. Die Daten der Anwendungen liegen im SAN, und die der Betriebssysteme jeweils lokal auf den Servern. Dabei kann gerade eine vollständige Entkopplung von Servern und Festplatten einen bedeutenden Beitrag zur Reduzierung der IT- Kosten beitragen. Die Vorteile liegen auf der Hand. Die aufgrund ihrer beweglichen Teile fehlerträchtigen Festplatten werden in einer Infrastruktur vereint. Das reduziert die Komplexität, gegeben durch die Vielfalt an RAID-Controllern, Anschlusstechnologien, wie PATA, SATA, SCSI, SAS, und Festplattentypen. Zentrale Storage-Systeme bieten eine einheitliche Infrastruktur und somit eine bessere Ausnutzung der Ressourcen, eine einfachere Wartung und Vorhaltung von Spare Parts und somit eine höhere Verfügbarkeit. Der Grundgedanke einer Server- und Storage-System-Konsolidierung, das Zusammenfassen von Ressourcen, wird erst durch Realisierung von SAN Boot vollständig umgesetzt. Für diese Boot-Methode eignen sich besonders die Server-Installationen, die aufgrund des Bedarfs nach zentralisiertem Management und erweiterten Storage-Funktionalitäten, wie Datenreplikation und Snapshooting-Mechanismen, bereits über die notwendige Infrastruktur verfügen. Hier kann ohne zusätzliche Kosten eine»remote Boot«Lösung realisiert werden, denn die aktuellen PRIMERGY Server, die für den Einsatz im Enterprise-Umfeld vorgesehen sind, verfügen alle über die Fähigkeit via Netzwerk zu booten. Fujitsu Technology Solutions 2009 Seite 2 (18)

3 iscsi-architektur Das iscsi-protokoll ermöglicht die Übertragung von SCSI-Aufträgen und -Daten über Ethernet mit Hilfe des TCP/IP-Protokolls. Der Server, von dem die Kommunikation ausgeht, wird»initiator«genannt. Das angesprochene Storage-System wird als»target«bezeichnet, da es das»ziel«der Kommunikation ist. iscsi Initiator Aufgabe eines iscsi Initiators ist die Kommunikation mit einem oder mehreren iscsi Targets sowie die Darstellung der von den Targets repräsentierten iscsi Devices als Server-lokale SCSI Devices. Zur Kommunikation gehört auch das Versenden und Empfangen der in Netzwerkpaketen verpackten SCSI- Pakete. Ein iscsi Initiator kann entweder als Software-Lösung implementiert sein oder als dedizierte Hardware-Komponente. Software-Initiatoren sind für alle aktuellen Betriebssysteme verfügbar. Ein Vorteil beim Einsatz der Software- Initiatoren ist die Möglichkeit, die vorhandene Infrastruktur zu verwenden. Dies trifft allerdings nur dann zu, wenn im vorhandenen Netzwerk noch genügend Ressourcen, insbesondere Bandbreite, zur Verfügung stehen. Es macht natürlich wenig Sinn, ein vorhandenes Netz zu verwenden, wenn dessen komplette Bandbreite dann bereits für die iscsi-verbindung zum Storage-System benötigt wird. Abhilfe schafft hier ein separates Netz oder eine Aufrüstung des vorhandenen Netzes. Die Leistungsfähigkeit (also der Durchsatz) der iscsi-anbindung wächst mit der Leistungsfähigkeit der Netzwerkinfrastruktur, vorausgesetzt die angeschlossenen Storage-Systeme bieten ebenfalls die benötigte Leistungsfähigkeit. Nicht nur aus Performance-, sondern auch aus Sicherheitsgründen sollte ein separates Netzwerk für iscsi trotz der dann entstehenden Mehrkosten in Erwägung gezogen werden. Hardware-Initiatoren sind spezielle»iscsi Host Bus Adapter«(HBA). Diese Controller müssen zusätzlich eingebaut werden und benötigen neben eigenen IP-Adressen auch geeignete Anschlüsse an das Netzwerk. Daher unterscheiden sich die Investitionskosten für einen solchen iscsi Controller nicht sehr von den Kosten eines Fibre-Channel-Controllers. Dadurch wird ein Teil des Kostenvorteils von iscsi gegenüber Fibre-Channel zunichte gemacht. Außerdem können sie nicht zusätzlich noch für den Betrieb des allgemeinen Netzwerkverkehrs genutzt werden. Unabhängig von der Implementierungsform in Soft- oder Hardware werden iscsi Initiatoren vom Server- Betriebssystem als SCSI-Adapter wahrgenommen und dargestellt. Die aktuellen PRIMERGY Server erlauben das Booten über iscsi, sofern ein iscsi HBA oder ein SW- Initiator mit Boot-Unterstützung für einen aktuellen Ethernet-Controller installiert ist. Bei Verwendung eines SW-Initiators wird beim Boot-Vorgang die Rolle des Initiators vom Ethernet-Controller wahrgenommen. iscsi Target Storage-Systeme mit iscsi-funktionalität übernehmen die Rolle eines iscsi Targets. Dies ist zuständig für die Kommunikation mit einem oder mehreren iscsi Initiatoren und für die Repräsentation von sogenannten iscsi Devices, die in einem Storage-System als»logical Unit Numbers«(LUNs) oder Volumes, eventuell als virtuelle Harddisks (Images), abgebildet sind. Ebenso wie für den Initiator im Server gibt es auch für die iscsi Storage Systeme sowohl Software- als auch Hardwarelösungen für die Anbindung an das TCP/IP Netz. Die Hardware-Lösung beinhaltet ein Storage- System mit»nativer«iscsi-schnittstelle. Die Software-Lösung vermittelt mit Hilfe eines zweiten Servers, auf dem dann ein Betriebssystemdienst läuft, zwischen TCP/IP und einem an diesen Server angeschlossenes Storage-System. Software Targets sind für alle aktuellen Betriebssysteme verfügbar. Die Art der verwendeten Anbindung ist für den Initiator transparent und ohne Bedeutung. Im Storage-System selbst sind dann die verwendeten SCSI- oder Fibre-Channel-Platten über gängige RAID-Verfahren gesichert. Fujitsu Technology Solutions 2009 Seite 3 (18)

4 Sicherheit bei iscsi Da iscsi, anders als Fibre-Channel, auch im gleichen Netzwerk betrieben werden kann wie die angeschlossenen Client-Arbeitsplätze, besteht wenigstens theoretisch die Gefahr des unberechtigten Zugriffs auf Speicherdaten. Um ein Ausspionieren der über das Netzwerk abgewickelten Speicherzugriffe zu unterbinden, können Sicherheitsmechanismen wie Host-Authentifizierung und Verschlüsselung der IP-Pakete mittels»internet Protocol Security«(IPSec) eingesetzt werden. Bei Verwendung eines Software-Initiators bzw. -Targets werden dabei die im Betriebssystem vorhandenen Mechanismen genutzt. Beim Einsatz eines Hardware-Initiators bzw. -Targets sollten die im HBA vorhandenen Mechanismen genutzt werden. Als Alternative zur Verschlüsselung des gesamten Netzwerkverkehrs gibt es noch weitere Möglichkeiten, um den unbefugten Zugriff auf die Daten zu verhindern: die Verwendung eines separaten Netzwerkes für die Zugriffe auf das Storage-System oder der Einsatz von virtuellen Netzwerken (VLANs). PRIMERGY Server und iscsi Fujitsu Technology Solutions bietet Netzwerk-Controller der Firmen Broadcom und Intel an, mit denen sich in Verbindung mit PRIMERGY Servern performante und zuverlässige LAN-Verbindungen, also auch iscsi- Verbindungen, realisieren lassen. LAN-Controller der Familien»Broadcom NetXtreme«und»Intel PRO/1000«unterstützen iscsi-verbindungen aufgrund eines integrierten BIOS bereits in der Boot-Phase. Standardmäßig sind alle mit diesen Netzwerk-Controllern ausgestattete PRIMERGY Systeme in der Lage, über iscsi zu booten. Fujitsu Technology Solutions bietet Storage-Systeme der FibreCAT Serie mit iscsi-konnektivität an. Durch ihre RAID-Funktionen bieten sie ein hohes Maß an Ausfallsicherheit und Performance. Snapshot-, Cloningund Datenreplikationstechniken der FibreCAT Serie erhöhen die Sicherheit, damit eignen sich diese Systeme sehr gut zur zentralen Ablage der Daten und auch der Betriebssystemdateien für die»remote Boot«Vorgänge. Fujitsu Technology Solutions 2009 Seite 4 (18)

5 iscsi-durchsatz In diesem Kapitel wird zuerst die generelle Leistungsfähigkeit des Storage-System-Anschlusses über iscsi betrachtet, um einen allgemeinen Eindruck von der iscsi-performance zu erhalten, bevor gezielt der Boot- Vorgang über iscsi analysiert wird. Dazu wird der Datendurchsatz von verschiedenen PRIMERGY Servern bei verschiedenen Storage-System-Anschlussarten dargestellt. Folgende PRIMERGY Server werden betrachtet: Blade Sever Rack Server Tower Server PRIMERGY BX620 S4 PRIMERGY RX300 S4 PRIMERGY TX200 S4 Auf allen Systemen ist Windows Server 2003 Enterprise Edition installiert. Die lokale (interne) Festplatte wird mit einem LSI MegaRAID 1068 oder 1078 SAS Controller betrieben. Alle Systeme besitzen»onboard«lan- Controller vom Typ»Broadcom NetXtreme GigE«mit 5708C oder 5715S Chip. Ein separates Netzwerk ist für den Anschluss des Storage-Systems vorgesehen und die Netzwerkpakete werden nicht verschlüsselt. Das Storage-System wird direkt über den SAS-Controller, über Fibre-Channel oder über iscsi angeschlossen. Für die Anbindung der Server an das iscsi Storage-System wurde die Boot-Version des Microsoft Software-Initiator eingesetzt. Folgende Storage-Systeme werden eingesetzt: FibreCAT SX40 als Direct Attached Storage-System (DAS, 3 Gb/s) FibreCAT SX80 als Fibre-Channel Storage-System (FC, 4 Gb/s) FibreCAT NX40 S4 als iscsi Storage-System (iscsi, 1 Gb/s) Die Storage-Systeme sind mit zwölf Festplatten ausreichend dimensioniert und als zwei für dieses Szenario übliche RAID 5 Festplattenverbände konfiguriert. Es werden der Datendurchsatz, die Antwortzeit und die CPU-Belastung des Servers bei unterschiedlichen Zugriffsmustern und Blockgrößen betrachtet. Datendurchsatz Das folgende Diagramm zeigt den Datendurchsatz der Storage-System-Anschlussvarianten DAS, FC und iscsi beim sequentiellen Lesen (»sequential read«), sequentiellen Schreiben (»sequential write«) und bei wahlfreien Zugriffen mit 2/3 Leseanteil (»random 67% read«), jeweils bei den von Anwendungen hauptsächlich genutzten Blockgrößen von 4, 8 und 64 kb. Es ist erkennbar, dass der Durchsatz bei sequentiellen Zugriffen bei DAS am höchsten und bei iscsi am niedrigsten ist. Die Unterschiede beim wahlfreien (random) Zugriff sind zu vernachlässigen. Das iscsi- Fujitsu Technology Solutions 2009 Seite 5 (18)

6 Durchsatzmaximum wird bei exklusiver Verwendung einer 1-GbE-Verbindung auf etwa 117 MB/s beschränkt, wenn das Medium nur in einer Richtung, d.h. nur lesend oder nur schreibend, genutzt wird. Bei bidirektionaler Verarbeitung, wenn also sowohl lesend als auch schreibend zugegriffen wird, kann mit einer 1-GbE-Verbindung ein Durchsatzmaximum von etwa 170 MB/s erreicht werden. Werden zwei 1-GbE- Verbindungen parallel verwendet, so lässt sich der Durchsatz fast verdoppeln. Dies lässt sich skalieren, bis andere Ressourcen zum Engpass werden. Antwortzeit Neben dem absoluten Datendurchsatz ist die Latenz des Storage-Subsystems eine wichtige Messgröße, die sich in der Antwortzeit gegenüber der Anwendung ausdrückt. Positiv zu bemerken ist, dass die Antwortzeiten bei allen Anschlussarten und Zugriffsmustern weniger als sieben Millisekunden betragen. Hierbei muss aber beachtet werden, dass die Antwortzeit mitbestimmt wird durch die vom Messprogramm Iometer über»outstanding I/Os«auf drei eingestellte Warteschlangenlänge. Eine höhere Queue-Tiefe ermöglicht höhere Parallelität und Optimierungsmöglichkeiten durch den Controller. Dies führt in der Regel zu einer höheren Auslastung der Hardware und damit zu einem höheren Durchsatz. Die Antwortzeit erhöht sich dabei um die Verweildauer des I/O-Auftrages in der Warteschlange. Bei der Betrachtung der mittleren Antwortzeiten (»avg Resp Time«) ist erkennbar, dass beim sequentiellen Lesen oder Schreiben die kürzesten Antwortzeiten bei DAS und die längsten Antwortzeiten bei iscsi auftreten. Bedingt durch Positionierungsvorgänge dauern wahlfreie Zugriffe länger als sequentielle Zugriffe. Dies zeigt sich bei allen Anschlussarten deutlich, wobei mit FC die kürzesten und mit DAS bzw. iscsi die längsten Antwortzeiten auftreten. Die längeren Antwortzeiten bei iscsi sind auf die geringere Geschwindigkeit der genutzten Verbindung zurückzuführen. Während die SAS-Schnittstelle 3 Gb/s und die FC-Schnittstelle 4 Gb/s transportieren kann, ist die Ethernet-Verbindung auf 1 Gb/s beschränkt. Der Vergleich zeigt jedoch auch, dass die Anschlussart iscsi über eine 1-GbE-Verbindung hinsichtlich der Antwortzeit unproblematisch ist, da die meisten Anwendungen mit Zeiten kleiner 10 Millisekunden gut bedient sein dürften. Fujitsu Technology Solutions 2009 Seite 6 (18)

7 CPU-Belastung Neben Datendurchsatz und Latenzzeit ist es sinnvoll, die CPU-Belastung aufzuzeigen. Diese kann absolut betrachtet werden oder im Verhältnis zum erzielten Datendurchsatz, das die Effektivität der Anschlussart beschreibt. Die im Folgenden dargestellten Werte beziehen sich auf zwei Quad-Core CPUs mit 3.0 GHz Taktfrequenz. Wenn man sich die absolute CPU-Belastung bei den verschiedenen Zugriffsmustern ansieht, so benötigen alle Anschlussarten weniger als 10% der CPU-Ressourcen, und das bei der von Iometer erzeugten Höchstlast an Disk-I/O. Moderne Prozessoren sollten diese zusätzliche Last gut bewältigen können. Es ist ersichtlich, dass bei diesen Messungen iscsi das System weniger belastet als FC. Dies ist auf den geringeren Durchsatz bei iscsi zurückzuführen. Beim wahlfreien Zugriff wird durch DAS die geringste und durch FC die höchste CPU-Belastung erzeugt. Beim sequentiellen Schreiben wird bei DAS die höchste und bei iscsi die geringste CPU-Belastung festgestellt. Beim sequentiellen Lesen wird die niedrigste CPU-Belastung bei 4 kb und 64 kb Blöcken durch DAS verursacht und bei 8 kb Blöcken durch iscsi. Der Vergleich zeigt, dass die Anschlussart iscsi über eine 1-GbE-Verbindung hinsichtlich der CPU- Belastung unproblematisch ist. Fujitsu Technology Solutions 2009 Seite 7 (18)

8 Die folgende Grafik zeigt die CPU-Belastung per I/O-Operation. Die Werte bewegen sich im Bereich kleiner drei Promille. Relativ hoch ist allerdings die Belastung beim wahlfreien Zugriff mit FC. Beim sequentiellen Lesen wird bei DAS die niedrigste CPU-Belastung und bei iscsi die höchste CPU- Belastung erzeugt. Dies ist beim sequentiellen Schreiben und bei den wahlfreien Zugriffen anders, hier verursacht FC eine höhere CPU-Last als iscsi und DAS. Die nächste Grafik zeigt die CPU-Effektivität bei den verschiedenen Storage-System-Anschlussarten in anderer Form. Dazu werden die I/O-Operationen per %CPU-Last dargestellt. Auch hier ist die hohe CPU- Effektivität beim DAS klar erkennbar. Eine höhere CPU-Effektivität als beim FC-Anschluss zeigt sich beim iscsi-anschluss wenn sequentiell geschrieben oder wahlfrei zugegriffen wird. Lediglich beim sequentiellen Lesen ist FC gegenüber iscsi im Vorteil. Fujitsu Technology Solutions 2009 Seite 8 (18)

9 iscsi Boot Als Boot-Prozess bezeichnet man das Laden des Betriebssystems in den Arbeitsspeicher eines Computers. Als erster Schritt wird nach dem Einschalten des Rechners das BIOS (Basic Input Output System) initialisiert. Das BIOS besitzt nach entsprechender Konfiguration Informationen, welche die boot-fähigen Geräte definieren und deren Reihenfolge vorgeben. Dies können beispielsweise Festplatten, Disketten, optische Laufwerke, USB-Geräte oder I/O-Karten mit eigenem BIOS sein. Auch für diese Controllers kann ein Boot-Gerät definiert werden. Damit ist es möglich, den Boot-Prozess über ein Netzwerk zu starten. Mit SAN Boot wird der Bootvorgang des Servers über FC- oder iscsi-verbindungen bezeichnet. Local Boot Der mit»local Boot«bezeichnete Vorgang wird hier als der traditionelle Boot-Prozess verstanden, welcher das Betriebssystem von einem lokalen Datenträger lädt und startet. Es ist heute das am häufigsten angewandte Vorgehen. Merkmale von Local Boot sind: Kein zentrales Management der Boot-Devices möglich bei erhöhter Komplexität, gegeben durch die Vielfalt an RAID-Controllern, Anschlusstechnologien, wie PATA, SATA, SCSI, SAS, und Festplattentypen. Backup und Restore können nur über ein an jeden Server lokal angeschlossenes Bandlaufwerk oder über das Netzwerk abgewickelt werden. Die lokalen Festplatten in den Servern benötigen Strom, bedingen größere Netzteile und führen deshalb zu mehr Wärmeentwicklung in den Servern. Dies erfordert mehr oder größere Lüfter, was wiederum den Formfaktor bzw. die Größe des Servergehäuses negativ beeinflusst. Relativ einfacher Einrichtungsprozess. SAN Boot (Fibre-Channel und iscsi) Beim SAN Boot liegt das Boot-Device des Servers im SAN. Der Zugriff erfolgt über HBAs (Host Bus Adapter) welche auf Fibre-Channel- oder Netzwerk-Technik basieren. Die verwendeten Host-Bus-Adapter müssen über ein eigenes BIOS verfügen, welches während des Boot-Prozesses den Zugriff auf die im SAN befindlichen Geräte erlaubt. Merkmale von SAN Boot sind: Es werden keine lokalen Festplatten benötigt und somit wird der Einsatz von kleineren und sparsameren Servern ermöglicht. Durch Verringerung von Energieverbrauch und Wärmeentwicklung kann ein Rechenzentrum kostengünstiger implementiert werden. Ein zentrales Management der Boot-Devices inklusive einem zentralen Backup bei gleichzeitiger Vermeidung einer Vielfalt an RAID-Controllern und Anschlusstechnologien. Von den in einem SAN üblichen Maßnahmen zur Erhöhung der Ausfallsicherheit profitieren auch die Boot-Devices. Relativ komplexer Einrichtungsprozess. PXE Boot Diese Methode wird hier nicht weiter betrachtet, weil sie in der Regel nur zum Booten eines Thin Client oder zur Installation eines Betriebssystems auf einer Server-lokalen Festplatte mit Hilfe einer Netzwerkressource dient. Fujitsu Technology Solutions 2009 Seite 9 (18)

10 Boot-Zeiten In diesem Kapitel werden die Zeiten für»local Boot«und»remote Boot«verglichen. Dabei steht nicht die Vergleichbarkeit der Systeme im Fokus, sondern die Vergleichsmöglichkeit des lokalen Boots mit dem iscsi Boot je System. Weiterhin werden Broadcom und Intel LAN-Adapter verglichen sowie ein 32-bit- mit einem 64-bit-Betriebssystem. Es werden folgende PRIMERGY Server betrachtet: Blade Sever Rack Server Tower Server PRIMERGY BX620 S4 PRIMERGY RX300 S4 PRIMERGY TX200 S4 Auf allen Systemen ist Windows Server 2003 Enterprise Edition installiert. Die lokale (interne) Festplatte wird mit einem LSI MegaRAID 1068 oder 1078 SAS Controller betrieben. Für das durch das Betriebssystem verursachte Datenaufkommen ist eine SAS Disk mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 10 krpm oder eine SATA Disk mit 7200 rpm ausreichend. Alle Systeme besitzen»onboard«lan-controller vom Typ»Broadcom NetXtreme GigE«mit 5708C oder 5715S Chip. Für den Vergleich zwischen Broadcom und Intel wird zusätzlich ein»intel PRO/1000 PT Quad Port LP«Server Adapter verwendet. Bewertet wird die Boot-Dauer beginnend von dem über F12 erreichbaren Boot-Menü bis zum Erscheinen des Windows Login-Bildschirms. In der Boot-Zeit nicht enthalten ist also die Zeit vom Einschalten des Systems per Power-Taster bis zum Erscheinen des Boot-Menüs, da diese zwar bei unterschiedlichen Systemen und bei unterschiedlicher Hardware-Ausstattung variiert, die Abweichung aber bei dem gleichen System bei allen Anschlussarten identisch ist. Diese»pre boot«-zeit wird bestimmt durch Initialsierungsarbeiten des Board Management Controllers (BMC) und des BIOS und der eventuell vorhandenen Controller. Sie beträgt bei den untersuchten Systemen zwischen 60 und 80 Sekunden. Die Dauer des lokalen Boots wurde mit der Stoppuhr gemessen. Die Feststellung der iscsi Boot-Dauer erfolgte ebenfalls handgestoppt, wird aber ergänzt durch eine Performance-Monitor-Aufzeichnung des Disk- Durchsatzes der FibreCAT NX40 S4. Damit werden die zu transportierende Datenmenge und deren zeitliche Verteilung ermittelt. Fujitsu Technology Solutions 2009 Seite 10 (18)

11 Local Boot und iscsi Boot im Vergleich Die in der folgenden Grafik dargestellten Boot-Zeiten bestätigen die Erwartung, dass ein Boot über eine iscsi-verbindung mehr Zeit braucht als ein Boot von der lokalen Festplatte. Der iscsi Boot benötigt zwischen Faktor 1.3 und 1.9 mehr Zeit als der lokale Boot. Die längste gemessene Boot-Zeit lag bei 80 Sekunden. Das scheint tolerierbar zu sein, zumal Boot-Vorgänge für einen Server nicht zur Regelanwendung gehören. Die schon beim lokalen Boot unterschiedlichen Boot-Zeiten der verschiedenen PRIMERGY Systeme sind in der unterschiedlichen Hardware, deren Erkennung und dem damit einhergehenden unterschiedlich hohen Datenaufkommen begründet. Der lokale Boot der PRIMERGY BX620 S4 von einer 10 krpm SAS-Disk benötigt ca. 34 Sekunden, gemessen vom Verlassen des Boot-Menüs bis zum Erscheinen der Login-Aufforderung. Für die gleiche Strecke braucht der iscsi Boot der PRIMERGY BX620 S4 von einer FibreCAT NX40 S4 ca. 51 Sekunden. Wie die folgende Grafik zeigt, werden dazu ca. 90 MB Daten transportiert, verteilt über 17 Sekunden Disk- Aktivitäten, wobei 97% der Zugriffe Leseaufträge sind. Die Blockgrößen bewegen sich zwischen 4 und 16 kb. Die Datenmenge und -verteilung ist absolut unkritisch bei Verwendung einer 1-GbE-Verbindung, die unidirektional ca. 117 MB in der Sekunde bewältigen kann. Theoretisch könnten in den 50 Sekunden ca. 50 Boot-Vorgänge parallel ablaufen. Fujitsu Technology Solutions 2009 Seite 11 (18)

12 Der lokale Boot der PRIMERGY RX300 S4 von einer 10 krpm SAS-Disk braucht ca. 47 Sekunden. Der iscsi Boot der PRIMERGY RX300 S4 von einer FibreCAT NX40 S4 benötigt ca. 62 Sekunden. Wie obige Grafik zeigt, muss die FibreCAT NX40 S4 dazu ca. 105 MB Daten liefern, verteilt über 18 Sekunden Disk- Aktivitäten. Der lokale Boot der PRIMERGY TX200 S4 von einer 7200 rpm SATA-Festplatte dauert ca. 42 Sekunden, während der iscsi Boot von einer FibreCAT NX40 S4 ca. 81 Sekunden braucht. Wie obige Grafik zeigt, muss die FibreCAT NX40 S4 dazu ca. 80 MB Daten liefern, verteilt über 20 Sekunden Disk-Aktivitäten. Auffällig bei diesem PRIMERGY System ist die im Vergleich zu den anderen Systemen lange»denkzeit«nach der ersten Disk-Aktivität. Die Datenmengen und deren zeitliche Verteilung sind absolut unkritisch bei Verwendung einer 1-GbE- Verbindung. Theoretisch könnten in den 50 Sekunden ca. 50 Boot-Vorgänge parallel ablaufen. Fujitsu Technology Solutions 2009 Seite 12 (18)

13 32-bit/64-bit Windows Server 2003 im Vergleich Der Vergleich der Boot-Dauer einer 32-bit gegenüber einer 64-bit Windows Server 2003 Installation zeigt, dass sowohl der lokale als auch der iscsi Boot einer 64-bit Installation etwas länger dauert. Dies ist in der größeren Datenmenge und in der Hardware-Erkennung des 64-bit Boot Loaders begründet. Der lokale Boot der 32-bit-Installation braucht ca. 34 Sekunden. Der iscsi Boot der 32-bit-Installation dauert ca. 51 Sekunden. Wie die folgende Grafik zeigt, muss die FibreCAT NX40 S4 dazu ca. 90 MB Daten liefern, verteilt über 17 Sekunden Disk-Aktivitäten. Der lokale Boot der 64-bit-Installation braucht ca. 49 Sekunden. Der iscsi Boot der 64-bit-Installation dauert ca. 66 Sekunden. Wie die obige Grafik zeigt, muss die FibreCAT NX40 S4 dazu ca. 133 MB Daten liefern, verteilt über 30 Sekunden Disk-Aktivitäten. Die beobachteten Datenmengen und deren zeitliche Verteilung sind absolut unkritisch bei Verwendung einer 1-GbE-Verbindung. Fujitsu Technology Solutions 2009 Seite 13 (18)

14 LAN-Adapter von Broadcom und Intel im Vergleich Der Vergleich der Boot-Dauer zwischen den LAN-Adaptern von Broadcom und Intel zeigt nur minimale Differenzen, sie ist praktisch gleich. Der iscsi Boot mit dem Broadcom LAN-Adapter dauert ca. 81 Sekunden. Wie die folgende Grafik zeigt, muss die FibreCAT NX40 S4 dazu ca. 80 MB Daten liefern, verteilt über 20 Sekunden Disk-Aktivitäten. Der iscsi Boot mit dem Intel LAN-Adapter dauert ca. 79 Sekunden. Wie obige Grafik zeigt, muss die FibreCAT NX40 S4 dazu ca. 96 MB Daten liefern, verteilt über 40 Sekunden Disk-Aktivitäten. Auffällig ist hier der geringe Durchsatz bei den anfänglichen Disk-Aktivitäten. Dafür ist die anschließende»denkzeit«geringer. Die Unterschiede zwischen den Adaptern bezüglich der Datenmenge und der verbrauchten Zeit sind dadurch zu erklären, dass die Controller zu Beginn der Boot-Phase die Rolle des iscsi Initiators besitzen. Diese Rolle geben sie im Verlauf des Boot-Vorganges an den Software iscsi Initiator des geladenen Betriebssystems ab. Wann dies genau geschieht, ist von außen nicht erkennbar. Außerdem müssen sie für den»normalen«betrieb nach dem Boot-Vorgang mit Treiber-Software versorgt und initialisiert werden. Die Datenmengen und deren zeitliche Verteilung sind absolut unkritisch bei Verwendung einer 1-GbE-Verbindung. Fujitsu Technology Solutions 2009 Seite 14 (18)

15 Messumgebung Die in diesem Dokument vorgestellten Messergebnisse wurden mit folgenden Hardware- und Software- Komponenten ermittelt: PRIMERGY BX620 S4 2 Quad-Core 2.83 GHz, 1 SAS Disk 36 GB 10 krpm PRIMERGY RX300 S4 2 Quad-Core 3 GHz, 1 SAS Disk 36 GB 10 krpm PRIMERGY TX200 S4 2 Dual-Core 3 GHz, 1 SATA Disk 150 GB 7.2 krpm FibreCAT SX40 FibreCAT SX80 FibreCAT NX40 S4 als Direct Attached Storage-System (DAS, 3 Gb/s) als Fibre-Channel Storage-System (FC, 4 Gb/s) als iscsi Storage-System (iscsi, 1 Gb/s) Das Storage-System wurde für die Messungen entweder direkt über den SAS-Controller oder über Fibre- Channel oder über iscsi angeschlossen. Für die Anbindung der Server an das iscsi Storage-System wurde die Boot-Version des Microsoft Software-Initiator eingesetzt. Damit das Storage-System nicht zum Leistungsengpass wird, wurde es mit zwölf Festplatten für die durchgeführten Messungen ausreichend dimensioniert und als zwei für dieses Szenario übliche RAID 5 Festplattenverbände konfiguriert. Es wurden der Datendurchsatz, die Antwortzeit und die CPU-Belastung des Servers bei unterschiedlichen Zugriffsmustern und Blockgrößen ermittelt. Als Messinstrument für die Ermittlung der Festplattendurchsätze wurde Iometer eingesetzt. Iometer ist ein Projekt bei und wird von einer Gruppe internationaler Entwickler weiterentwickelt und auf verschiedene Plattformen portiert. Das Programmpaket besteht aus einer grafischen Bedieneroberfläche für Windows Systeme und dem so genannten»dynamo«, der für verschiedene Plattformen verfügbar ist. Diese beiden Komponenten können unter»intel Open Source License«von oder herunter geladen werden. Mit Iometer hat man die Möglichkeit, das Verhalten realer Anwendungen bezüglich der Zugriffe auf Storage- Systeme nachzubilden. Dazu kann man unter anderem die zu verwendende Blockgröße, die Art des Zugriffs wie sequentielles Lesen oder Schreiben, wahlfreies Lesen oder Schreiben und auch Mischungen davon konfigurieren. Als Ergebnis liefert Iometer eine Textdatei mit durch Komma separierten Werten (.csv) wesentlicher Kenngrößen wie z.b.»durchsatz pro Sekunde«,»Transaktionen pro Sekunde«und»durchschnittliche Antwortzeit«für das jeweilige Zugriffsmuster. Auf diese Weise kann man die Leistungsfähigkeit verschiedener Storage-Systeme oder, wie für dieses Dokument beabsichtigt, die Leistungsfähigkeit der verschiedenen Anschlussarten an die Server ermitteln. Als weiteres Messinstrument wurde der zum Umfang eines Windows Betriebssystem gehörende Performance-Monitor eingesetzt. Damit wurden zusätzliche Leistungsdaten hinsichtlich des Verlaufs einer Messung gewonnen. Fujitsu Technology Solutions 2009 Seite 15 (18)

16 Tabelle der verwendeten Komponenten: Blade Server PRIMERGY BX620 S4 BIOS Rev.3A , 2/1/2008 CPU Type 2 Quad-Core Intel Xeon E5440, 2.83 GHz Memory 4 2 GB DDR2-667 ECC DDR2 SDRAM FB-DIMM Disk Controller LSI Adapter, SAS 3000 series, 8-port with StorPort Disk Driver lsi_sas.sys, Hard Disk SAS, 2½", 10 krpm Seagate ST936701SS, 36 GB LAN Controller Broadcom NetXtreme BCM 5715S Betriebssystem Windows Server 2003 Enterprise Edition mit Service Pack 2 iscsi Initiator Microsoft iscsi Initiator Service Version Messwerkzeug Iometer Rack Server PRIMERGY RX300 S4 BIOS Phoenix 4.06 Rev , 2/5/2008 CPU Type 2 Quad-Core Intel Xeon X5365, 3 GHz Memory 4 1 GB DDR2-667 ECC DDR2 SDRAM FB-DIMM Disk Controller RAID 5/6 SAS based on LSI MegaRAID Disk Driver msas2k3.sys, Hard Disk SAS, 2½", 10 krpm Seagate ST936701SS, 36 GB LAN Controller Broadcom NetXtreme BCM 5708C Betriebssystem Windows Server 2003 Enterprise Edition mit Service Pack 2 iscsi Initiator Microsoft iscsi Initiator Service Version Messwerkzeug Iometer Tower Server PRIMERGY TX200 S4 BIOS Phoenix 4.06 Rev , 2/5/2008 CPU Type 2 Dual-Core Intel Xeon 5160, 3 GHz Memory MB DDR2-667 ECC DDR2 SDRAM FB-DIMM Disk Controller RAID 5/6 SAS based on LSI MegaRAID Disk Driver msas2k3.sys, Hard Disk SATA, 3½", 7.2 krpm Seagate ST AS, 160 GB LAN Controller Broadcom NetXtreme BCM 5708C Intel PRO/1000 PT Quad Port LP Server Adapter Betriebssystem Windows Server 2003 Enterprise Edition mit Service Pack 2 iscsi Initiator Microsoft iscsi Initiator Service Version Messwerkzeug Iometer Storage-System FibreCAT NX40 S4, 12 HD SAS, 3½", 15 krpm, 146 GB FibreCAT SX80, 12 HD SAS, 3½", 15 krpm, 146 GB FibreCAT SX40, 12 HD SAS, 3½", 15 krpm, 146 GB Fujitsu Technology Solutions 2009 Seite 16 (18)

17 Fazit Zusammenfassend kann gesagt werden, dass iscsi mit dem hier untersuchten Software-Initiator aus Performance-Sicht durchaus als Alternative zu anderen Anschlussarten eingesetzt werden kann, solange ein System nicht schon im oberen Belastungsbereich betrieben wird und die Begrenzung der Durchsatzmenge einer 1-GbE-Verbindungsrichtung von ca. 117 MB pro Sekunde akzeptabel ist. Beim Einsatz von 10-GbE-Verbindungen werden die jetzigen Durchsatzbegrenzungen sicherlich aufgehoben. Es muss natürlich, unabhängig von der Anschlussart, sichergestellt sein, dass das Storage- System für die durch die Anwendung benötigten I/O-Raten ausreichend dimensioniert ist. Der Vorteil eines SAN Boots, hier eines iscsi Boots, liegt in der Möglichkeit der zentralen Verwaltung der Boot-Medien. Die Dauer eines Boot-Vorganges sollte demgegenüber in den Hintergrund treten. Bei Servern, die annähernd 24 Stunden an 7 Tagen in der Woche verfügbar sind, spielt die Boot-Dauer dann eine untergeordnete Rolle, wenn sie für wartungsbedingte Boot-Vorgänge in einem akzeptablen Zeitrahmen liegt. Dabei wird die Boot-Dauer nur in zweiter Linie durch den Transport der zu ladenden Datenmenge bestimmt, in erster Linie sind die Denkzeiten des Boot Loaders (Erkennung der Hardware und ähnliches) prägend für den notwendigen Zeitaufwand und diese Denkzeiten treten selbstverständlich auch beim»local Boot«auf. Die beobachteten Datenmengen und deren zeitliche Verteilung sind absolut unkritisch bei Verwendung einer 1-GbE-Verbindung. Theoretisch könnten in einer beobachteten Boot-Dauer von 50 Sekunden ca. 50 Boot- Vorgänge parallel ablaufen. Unter Windows Server 2003 mit dem Microsoft iscsi Software-Initiator wird der Anschluss einer lokalen Festplatte für die temporären Betriebssystemdaten (Pagefile) empfohlen. Die Zugriffe des Betriebssystems auf seine»remote«liegenden Systemdateien sind im Verhältnis zu den gemessenen maximalen Datendurchsätzen unerheblich. Fujitsu Technology Solutions 2009 Seite 17 (18)

18 Literatur Allgemeine Informationen zu Produkten von Fujitsu Technology Solutions Allgemeine Informationen zur PRIMERGY Produktfamilie PRIMERGY Benchmark - Performance Reports und Sizing Guides Informationen von Microsoft zu iscsi Internet Engineering Task Force Informationen über Iometer Kontakt PRIMERGY Performance und Benchmarks PRIMERGY Produkt Marketing Lieferung vorbehaltlich Verfügbarkeit, technische Änderungen ohne Vorankündigung möglich, Korrektur von Irrtümern und Auslassungen vorbehalten. Alle angegebenen Konditionen (TCs) sind empfohlene Einstandspreise in Euro ohne MwSt. (sofern im Text nicht anderweitig angegeben). Sämtliche verwendete Hardware- und Software- Namen sind Handelsnamen und/oder Warenzeichen ihrer jeweiligen Hersteller. Copyright Fujitsu Technology Solutions GmbH 2009 Herausgegeben durch: Enterprise Products PRIMERGY Server PRIMERGY Performance Lab Internet: Extranet: ers/primergy

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