Speichertechnologie
Intelligente RAID-Lösungen auf Basis der SSD-Technologie
Mit der ständig steigenden Datenflut und den Fortschritten auf der Prozessorseite können die klassischen Datenspeicher nicht mehr mithalten. Immer größere RAID-Arrays sind aus Kostengründen keine Lösung. Abhilfe schaffen intelligente RAID-Lösungen auf Basis der SSD-Technologie.
RAID (Redundant Array of Independent Disks) stellt heute das Ru?ckgrat der Speichertechnologie in modernen Rechenzentren dar. Bei der Menge an Cloud-Computing- Diensten, die Datenzentren basierend auf RAID-Technologie bieten, wird sich dies wohl auch auf absehbare Zeit nicht ändern. Die Menge an Daten, die Phänomene wie soziale Plattformen im Internet, Smart Clients, Internet-fähige Mobiltelefone, Big Data oder sich u?ber alle Plattformen hinweg ausbreitende Videos anhäufen, tut ihr Übriges.
Die Kluft zwischen dem Datenwachstum und den Investitionen in die IT-Infrastruktur hat sich in den letzten Jahren jedoch vergrößert. Dies fu?hrt zu Engpässen bei den Datenraten fu?r unternehmenskritische Applikationen.
Flash-Speicher scheint der nächste logische evolutionäre Schritt bei der RAID-Technologie zu sein. Fu?r viele Beobachter stehen heute Solid State Drives (SSD) oben auf der Liste, wenn es darum geht, die eklatante Lu?cke zwischen Prozessor- und Speicherleistung zu schließen.
Fu?r SSD sprechen im Vergleich zu traditionellen Festplatten vielfach schnellere Zugriffszeiten, höhere Datentransferraten, geringere Latenzzeiten und eine konstantere Leseleistung. Aus Kostenaspekten heraus ist der Austausch der gesamten Speicher-Architektur mit SSDs aber praktisch unmöglich. Also besteht eine ökonomisch sinnvollere Option darin, Wege zu finden, um die gu?nstige und Strom sparende Flash-Technologie in die Infrastruktur von Großunternehmen zu integrieren.
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Die Evolution der RAID-Systeme
Bevor man sich jedoch im Detail ansieht, wie neue Flash-Technologien RAID in Zeiten unkontrollierten Datenwachstums weiterentwickeln, lohnt sich ein Blick in die Vergangenheit, wo ähnliche Probleme schon einmal die Informationstechnologie bremsten. Lange bevor der erste bezahlbare Flash-Speicher auf den Markt kam, konnte sich RAID jahrzehntelang ungehindert entwickeln.
Norman Ken Ouchi von IBM reichte im Jahre 1978 ein Patent ein fu?r ein "System, um Daten in einer defekten Speichereinheit zu retten", welches im Wesentlichen dann RAID 5 werden sollte. Erst neun Jahre später kamen drei IT-Wissenschaftler an der University of Berkeley auf die Idee, mehrere Festplatten in einer einzelnen logischen Einheit zusammenzubringen.
Der veröffentlichte Artikel aus dem Jahre 1988 mit dem Titel "Argument fu?r die redundante Anordnung von gu?nstigen Festplatten" brachte deutlich zum Ausdruck, dass der Grundgedanke dieser Debatte Probleme mit I/O-Leistung lösen sollte. Das gleiche Problem also, vor dem IT-Ingenieure heute stehen. Interessanterweise wurde diese Technologie, die eigentlich fu?r mehr Leistung sorgen sollte, im Allgemeinen eingesetzt, um fu?r eine höhere Verlässlichkeit - sprich Redundanz - von Speicher zu sorgen.
Die RAID-Modelle im Überblick
Über die Jahre hinweg entwickelten sich zahlreiche RAID-Modelle, die heute als RAID-Levels bekannt sind:
- RAID 0 hat die Leistung verbessert und Speicher hinzugefu?gt, toleriert allerdings keine Fehlfunktionen.
- RAID 1 ermöglicht es demgegenu?ber, Daten auf zwei identischen Festplatten zu schreiben und damit zu spiegeln.
- RAID 2 und RAID 3 synchronisieren die Rotation der Plattenspindeln und speichern Bits und Bytes sequenziell auf einer Festplatte.
- Bei RAID 4 werden Dateien auf mehrere Platten verteilt, die voneinander unabhängig arbeiten, was I/O-Transaktionen parallel ablaufen lässt. Mit identischen Daten, gespeichert auf einer Platte, bedeutet dies jedoch, dass die Leistung des Systems leidet.
- RAID 5 speichert identische Daten parallel. Wenn ein Fehler auftritt, können folgende Lesevorgänge von der verteilten Parität berechnet werden.
- RAID 6 bietet komplette Fehlertoleranz, sogar beim Versagen von zwei Platten, was das Einsetzen größerer RAID-Gruppen fu?r hochverfu?gbare Systeme praktischer machte.
Seit dem Auftreten von SSDs kommt Flash-Speicher in Tiered Storage Arrays zum Einsatz. Das ist eine der Möglichkeiten, wie man Flash-Speicher effizient nutzen kann.
RAID auf Hard- und Software-Basis
Daten u?ber mehrere Festplatten innerhalb eines RAID-Systems zu verteilen kann grundsätzlich auf Software- oder Hardware-Ebene realisiert werden. Auf Software basierendes RAID wird gewöhnlich u?ber das Betriebssystem gewährleistet. Betriebssysteme fu?r Server, die logisches Volume-Management bieten, unterstu?tzen normalerweise auch RAID und viele Betriebssysteme bieten zumindest eine grundlegende RAID-Funktionalität.
Einige fortschrittliche Dateisysteme sind speziell dafu?r entwickelt, Daten direkt u?ber mehrere Speicher hinweg zu organisieren. ZFS zum Beispiel unterstu?tzt alle RAID-Levels und alle Kombinationen davon.
Flash-Speicher kann in einem von Software-RAID verwalteten System einfach mit SSDs als hierarchische Ebene realisiert werden. Manche Dateisysteme nutzen SSDs auch als Cache, um I/Os zu beschleunigen.
Erst auf der Hardware-Ebene wird es in Sachen Flash-Speicher allerdings richtig interessant, da RAID-Controller das Betriebssystem unterstu?tzen, indem das RAID-System als weiteres Laufwerk zusammengefasst wird. Außerdem ist auf RAID-Controllern der Read/Write-Cache angesiedelt, was sie dafu?r prädestiniert, die Leistung des Systems zu verbessern. Denn einzelne Vorgänge sind somit nicht mehr volatil und unerledigte Schreibvorgänge sind im Fall eines Ausfalls nicht verloren, solange der Cache mit einem Backup-Mechanismus gesichert ist.
Datenflut und Leistungslu?cke
Hardware-RAID bietet eine gleichbleibend hohe Leistung und fu?gt dem Host-Computer keinen zusätzlichen Overhead hinzu. Da RAID-Controller jedoch proprietäre Anordnungen der Daten nutzen, kann es unter Umständen unmöglich sein, Controller von verschiedenen Herstellern zu nutzen.
In der Vergangenheit hat die Evolution der RAID-Technologie es immer geschafft, mit den Anforderungen, die daran gestellt wurden, Schritt zu halten. Nun jedoch scheint RAID an seinen Grenzen angelangt zu sein: Gemäß einer Studie von Cisco wird sich der Datenverkehr wahrscheinlich jährlich bis 2015 um bis zu 32 Prozent erhöhen. IDC prognostiziert, dass sich die Speicherkapazität im gleichen Zeitraum um 50 Prozent erhöhen wird. Diese Entwicklungen sind umso bedenklicher, da Gartner fu?r den gleichen Zeitraum ein Wachstum der Ausgaben fu?r IT-Ausru?stung von nur fu?nf Prozent und fu?r Telekom-Ausru?stung von sieben Prozent vorhersagt.
Gleichzeitig wächst die Menge an Daten, die gespeichert und genutzt wird, weltweit gewaltig. Es zeigt sich eine Leistungslu?cke, während RAID damit ringt, mit der Leistungssteigerung auf der Prozessorseite mitzuhalten. Fu?r CPUs ist eine Schreibgeschwindigkeit auf L1-Cache von einer Nanosekunde normal, zehn Nanosekunden auf L2- Cache und 100 Nanosekunden zum Hauptspeicher.
Das ist signifikant schneller als die zehn Millisekunden Schreibgeschwindigkeit zu Tier-1-Speicher oder die 20 Millisekunden zu Tier-2-Speicher und zu Nearline-Speicher. Dies entspricht einer 100000-fachen Latenzreduktion, da die Daten die Speicherhierarchie verlassen.
Die Kombination dieser Leistungslu?cke mit der Explosion von Datenmenge und Datenstrom im Netzwerk bringt die traditionelle RAID-Storage-Infrastruktur an ihre Grenzen, schafft Flaschenhälse, bremst die Geschwindigkeit von Applikationen und bereitet Organisationen Probleme, ihre wertvollen Daten sinnvoll zu nutzen.
Auf Flash basierender Speicher in Verbindung mit existierendem Speicher kann die Kosten signifikant senken, da Tiered-Storage-Anordnungen mit Flash auf dem RAID-Controller - kombiniert mit intelligenter Software - viele HDDs einsparen kann. Diese wären sonst nötig, um hohe I/O-Raten auf traditionellen Systemen zu gewährleisten.
Der integrierte Ansatz ermöglicht es Organisationen, ihre bestehenden Speicher basierend auf Festplatten intelligent mit Flash-Speicher zu kombinieren. Und dies in einer Weise, die ihnen das optimale Verhältnis von Preis und Leistung in einem Tiered-Storage-Umfeld bietet.
Balance zwischen Kosten und Nutzen
Diesen Weg schlägt beispielsweise der Controller-Hersteller LSI ein: Er kombiniert in dem ku?rzlich vorgestellten Nytro-Portfolio die PCIe-Flash-Technologie mit intelligenter Caching- und Management- Software. Diese Kombination erhöht die Leistung von HDDs um ein Vielfaches. Es ist nicht unu?blich, dass die Leistung von Applikationen sich um das Fu?nf- oder Sechsfache verbessert, in einigen Fällen wurde sogar eine dreißigfache Steigerung gemeldet.
Solche neuen Lösungen eignen sich fu?r zahlreiche unterschiedliche Anforderungen. PCI-Express-Flash-Lösungen mit hoher Kapazität kommen am besten bei Primärspeicher zum Einsatz, sind aber nicht gerade preiswert. Lösungen mit mittlerer Kapazität mit nahtloser Caching- und Beschleunigungs-Software bieten eine gute Balance zwischen Kosten und Nutzwert und kommen am besten in hochwertigen Storage-Area- Network- und komplexen Direct-Attached- Storage-Umgebungen (SAN bzw. DAS) zur Geltung.
Kleinere Flash-Lösungen inklusive Software fu?r Caching und Datenbeschleunigung können zur Beschleunigung von DAS genutzt werden und versorgen damit eine breitere Anwendergruppe mit den Vorteilen von Flash.
Fazit
Die Flash-Technologie kann in einem RAID-Umfeld gewinnbringend eingesetzt werden, um die Herausforderungen zu meistern, die von der Datenflut und der darauf folgenden Leistungslu?cke verursacht wurden. Eine interessante Entwicklung, wenn man bedenkt, dass die Autoren des Artikels "System, um Daten in einer defekten Speichereinheit zu retten" seinerzeit vornehmlich auf die Leistungssteigerung abzielten und die Flash-Technologie heute eingesetzt wird, um RAID dabei zu helfen, die I/O-Performance-Probleme zu lösen.
