Einführung in EMC XtremSF

Transcrição

White Paper
EINFÜHRUNG IN EMC XTREMSF
 XtremSF ist eine serverbasierte PCIe-Flashhardware.
 XtremSF kann als lokaler Speicher oder als Zwischenspeichergerät mit
EMC XtremSW Cache verwendet werden.
Zusammenfassung
Dieses White Paper bietet eine Einführung in EMC XtremSF.
Es enthält eine Beschreibung der PCIe-Flashhardware sowie
Details zu Implementierung, Nutzung, Performance und
Vorteilen.
Mai 2013
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2
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H11572.3
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung .................................................................................................. 4
Einführung .............................................................................................................. 5
Zielgruppe .......................................................................................................................... 5
Terminologie ...................................................................................................................... 5
Anwendungsbeispiele für die Flashtechnologie ........................................................ 6
Vorteile von XtremSF .......................................................................................................... 6
Architektur der Flashzellen ................................................................................................. 7
XtremSF-Designkonzepte ....................................................................................... 10
Geschäftliche Vorteile ...................................................................................................... 12
Implementierungsdetails ....................................................................................... 13
XtremSF als Direct Attached Storage ................................................................................. 13
Datenschutz mit Direct Attached Storage .......................................................................... 14
XtremSF mit XtremSW Cache ............................................................................................ 15
XtremSF mit XtremSW Cache bei aufgeteilter Karte ........................................................... 15
Überlegungen zur Performance .............................................................................. 17
Workload-Merkmale ......................................................................................................... 17
Durchsatz und Latenz ....................................................................................................... 18
XtremSW Cache mit aufgeteilter Karte .............................................................................. 18
Weitere Engpässe in der Umgebung ................................................................................. 18
Nutzungsrichtlinien und -merkmale ....................................................................... 19
Technische Daten ............................................................................................................. 20
Einschränkungen.............................................................................................................. 20
Anwendungsbeispiele und Performance ................................................................ 21
Testergebnisse ................................................................................................................. 21
Fazit ...................................................................................................................... 23
Referenzen ............................................................................................................ 24
3
Zusammenfassung
Seit der ersten Bereitstellung der Flashtechnologie durch EMC in
Laufwerkmodulen (bekannt als Solid-State-Laufwerke oder SSDs) in
Unternehmensarrays hat EMC es sich zum Ziel gesetzt, die Verwendung dieser
Technologie auf die gesamte Speicherumgebung auszudehnen. Aufgrund
sinkender Kosten für die Flashtechnologie und Anforderungen für hohe
Anwendungsperformance ist die serverbasierte Flashhardware ein wesentlicher
Bestandteil dieser Erweiterung.
EMC XtremSF ist eine serverbasierte PCIe-Flashhardware, mit deren Hilfe die
Latenz gesenkt und der Durchsatz für eine deutlich bessere
Anwendungsperformance gesteigert wird. XtremSF kann als Direct-AttachedSpeichersystem oder als Zwischenspeichergerät zusammen mit der Server-FlashZwischenspeichersoftware EMC XtremSW Cache verwendet werden. Bei
Verwendung als Direct Attached Storage werden Datasets für schnelle Lese- und
Schreibvorgänge lokal gespeichert. Bei Verwendung zusammen mit XtremSW
Cache werden Lesevorgänge durch den intelligenten Cachealgorithmus
beschleunigt, während alle Schreibvorgänge für hohe Verfügbarkeit, Integrität und
Disaster Recovery auf dem Netzwerkspeicher verbleiben. Der Schwerpunkt dieses
White Paper liegt primär auf Anwendungsbeispielen von XtremSF als Direct
Attached Storage. Weitere Details zu Anwendungsbeispielen für die
Zwischenspeicherung finden Sie im White Paper Introduction to EMC XtremSW
Cache (Einführung in EMC XtremSW Cache) auf http://germany.emc.com.
Unabhängig davon, ob XtremSF als Direct Attached Storage oder als
Zwischenspeicherungsebene zusammen mit der XtremSW Cache-Software
verwendet wird, handelt es sich um eine hervorragende Lösung für Anwendungen
mit niedriger Latenz und hohen I/O-Anforderungen. XtremSF ist optimal für
Workloads mit hoher Transaktionszahl und/oder hoher Performance geeignet, die
oft mit Web-2.0-Anwendungen, virtuellen Desktopinfrastruktur-Umgebungen
(VDI), High-Performance Computing (HPC) und leistungsfähigen
Handelsanwendungen verbunden sind.
Vorteile von XtremSF:

Bei Verwendung als lokales Speichergerät bietet XtremSF
Performancebeschleunigung für lese- und schreibintensive Workloads.

Dank einer eMLC-Karte mit halber Höhe, halber Länge (HHHL) und 2,2 TB
bietet XtremSF die branchenweit höchste Kapazität bei kleinstem PCIeFormfaktor.

Mit XtremSF haben Sie die Wahl zwischen eMLC-Flash (Enterprise-Grade
Multi-Level Cell) oder SLC-Flash (Single-Level Cell) für optimierte Lösungen
hinsichtlich Performance, Kapazität und Preis.

XtremSF bietet hohe Gleichzeitigkeit für Anwendungen, bei denen diverse
I/Os parallel verarbeitet werden müssen.

Bei Verwendung zusammen mit XtremSW Cache beschleunigt XtremSF die
Performance bei gleichzeitigem Schutz des Back-EndNetzwerkspeicherarrays.
4
Einführung
Dieses White Paper bietet eine Einführung in XtremSF. Folgende Themen werden
in diesem White Paper behandelt: Implementierung in physische Umgebungen,
Performanceüberlegungen, Best Practices, Nutzungsrichtlinien, Merkmale und
einige anwendungsspezifische Anwendungsbeispiele.
Zielgruppe
Dieses White Paper richtet sich an Unternehmen, die die Verwendung von XtremSF
in ihren Speicherumgebungen in Betracht ziehen. Grundkenntnisse der
Flashtechnologie und ihrer Vorteile werden vorausgesetzt.
Terminologie
Dataset:
Datenmenge, die von einer Anwendung gemanagt wird,
z. B. die Datenbankgröße
Working Set:
Daten, auf die innerhalb des Dataset aktiv zugegriffen
wird
Warteschlangentiefe:
Anzahl der ausstehenden I/O-Anforderungen der
Anwendung
5
Anwendungsbeispiele für die Flashtechnologie
Die Flashtechnologie kann auf unterschiedliche Weise in einer Umgebung
eingesetzt werden. Dies ist abhängig von Anwendungsbeispielen, Anwendungen
und Kundenanforderungen. Der Architekturansatz von EMC basiert auf dem
Konzept, die richtige Technologie zum richtigen Zeitpunkt am richtigen Ort
einzusetzen. Dazu gehört Flash:

als Direct Attached Storage

als Cache auf einem Server

als Cache in einem Array

als Speicherebene in einem Array

in einem reinen Flasharray
Es gibt verschiedene Flashtypen, die sich hinsichtlich der Kostenstruktur,
Lebensdauer und der Performancemerkmale voneinander unterscheiden. Für
jeden dieser Flashtypen gibt es ein passendes Anwendungsbeispiel. Einige dieser
Anwendungsbeispiele für Flash sind nachfolgend aufgeführt:

Lese- und schreibintensive Anwendungen mit Performanceanforderungen
(mit oder ohne Schutzanforderungen) eignen sich gut für PCIe-Flash als
Direct Attached Storage im Server – z. B. XtremSF.

Leseintensive Anwendungen mit hohen Performance- und
Schutzanforderungen eignen sich ideal für PCIe-Flash als Cache im Server –
z. B. XtremSF zusammen mit XtremSW Cache.

Lese- und schreibintensive Anwendungen mit Performance- und
Schutzanforderungen eignen sich gut für Flash als Cache im Array – z. B.
EMC FAST Cache auf einem EMC VNX-Speichersystem.

Anwendungen mit gemischten Workloads und unterschiedlich aktiven
Daten eignen sich perfekt für Flash als Teil einer Tiering-Strategie – z. B.
FAST VP (Fully Automated Storage Tiering for Virtual Pools) auf einem EMC
VMAX-Speichersystem.

Anwendungen, die eine hochkonsistente Performance erfordern, eignen
sich gut für ein reines Flasharray – z. B. EMC XtremIO.
Vorteile von XtremSF
Die Verwendung der XtremSF-Hardware zur Anwendungsbeschleunigung bietet
diverse Vorteile:

Die branchenführende Performance von XtremSF senkt die Latenz und
erhöht den Durchsatz für eine deutliche Verbesserung der Performance in
lese- und schreibintensiven Anwendungen.

Die hohen Kapazitäten, die im XtremSF-Portfolio angeboten werden, bieten
Benutzern die Möglichkeit, große Datasets oder mehrere Working Sets auf
einem einzigen PCIe-Flashgerät zu speichern.

Dank der vielfältigen Kapazitätsoptionen der XtremSF-Reihe können
exakte, zur Beschleunigung der Zielanwendungen erforderliche
Flashkapazitäten flexibel hinzugefügt werden.
6

Kunden haben die Wahl zwischen eMLC- und SLC-NAND-Flash und können
sich so genau für den Flashspeicher entscheiden, der ihren individuellen
Anforderungen entspricht. (Beschreibungen zu eMLC und SLC finden Sie
nachfolgend unter „Architektur der Flashzellen“.)

XtremSF stellt einfache Installations- und Managementfunktionen für eine
einfache und vom Kunden installierbare Lösung bereit.
Architektur der Flashzellen
Im Allgemeinen gibt es zwei wichtige NAND-basierte Flashzellentechnologien, die
in allen Flashlaufwerken verwendet werden:

Single-Level Cell (SLC)

Multi-Level Cell (MLC)
Eine Zelle ist die kleinste Einheit einer jeden Flashtechnologie und wird zur
Speicherung einer bestimmten Menge an elektronischer Ladung verwendet. Diese
Ladung wird zur Speicherung binärer Informationen verwendet.
NAND-Flashzellen verfügen über eine sehr kompakte Architektur; sie sind nur halb
so groß wie vergleichbare NOR-Flashzellen. Wird dieses Merkmal mit einem
einfacheren Produktionsprozess kombiniert, bietet die NAND-Flashzelle eine
höhere Dichte und mehr Speicher auf einem Halbleiterchip einer festgelegten
Größe. Dies führt zu niedrigeren Kosten pro Gigabyte.
Flashspeichergeräte speichern Informationen in Flashzellen, die aus FloatingGate-Transistoren erstellt wurden. SLC-Geräte speichern nur ein Bit an
Informationen in jeder Flashzelle (binär), MLC-Geräte hingegen speichern mehr als
ein Bit pro Flashzelle. Hierbei wird zwischen mehreren Leveln elektrischer Ladung
ausgewählt, die auf die Floating Gates in den Transistoren angewendet werden
(Siehe Abbildung 1).
7
Abbildung 1: Vergleich zwischen Datenspeicher in SLC- und MLC-Flashzellen1
Da jede Zelle eines MLC-Flashspeichers mehr Informationsbits enthält, bietet ein
auf MLC-Flash basierendes Speichergerät im Vergleich zu einem auf SLC-Flash
basierenden Speichergerät eine höhere Speicherdichte. MLC-Flashspeicher haben
jedoch aufgrund inhärenter Architekturkompromisse eine niedrigere Performance
und kürzere Lebensdauer. Die Verwendung von MLC-Flashspeichern wird durch
eine höhere Funktionalität zusätzlich erschwert, da erweiterte
Flashmanagementalgorithmen und -controller erforderlich sind. Heutzutage
werden zwei verschiedene MLC-Flashtypen hergestellt: auf Verbraucher
ausgerichtete Multi-Level Cells (cMLC), die in Speicherprodukten für Verbraucher,
z. B. USB-Sticks, verwendet werden, und qualitativ höherwertige, auf
Unternehmen ausgerichtete Multi-Level Cells (eMLC), die in den MLC-Versionen
von XtremSF zum Einsatz kommen.
SLC-Flash und MLC-Flash bieten Funktionen für zwei sehr unterschiedliche
Anwendungstypen: 1. Anwendungen, die eine hohe Performance zu einem
attraktiven Preis pro Bit erfordern (eMLC), und 2. weniger kostenintensive
Anwendungen, die im Laufe der Zeit jedoch eine noch höhere Performance und
Lebensdauer erfordern (SLC).
Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen I/O-Profile und Anforderungen von
Unternehmensanwendungen bietet EMC XtremSF Kunden die Wahl zwischen
eMLC- und SLC-Flasharchitekturen.
Tabelle 1 vergleicht die SLC- und MLC-Flashmerkmale (Standardwerte).
Merkmale
Bits pro Zelle
eMLC
2
SLC
1
Lebensdauer (Lösch-/Schreibzyklen) ca. 30.000
ca. 100.000
Seite lesen (Durchschnitt)
50 µs
35 µs
Seite schreiben (Durchschnitt)
1.600 µs
300 µs
Block löschen (Durchschnitt)
5.500 µs
700 µs
Tabelle 1: Vergleich zwischen SLC- und MLC-Flash
Obwohl SLC-Flash eine niedrigere Dichte bietet, bietet es gleichzeitig eine höhere
Performance dank schnellerer Lese- und Schreibvorgänge. Da bei SLC-Flash nur
ein Bit pro Zelle gespeichert wird, müssen weniger Fehler korrigiert werden. Des
Weiteren ist die Lebensdauer für Schreib-/Löschzyklen bei SLC höher, sodass SLC
für Anwendungen, die eine höhere Lebensdauer und Nutzbarkeit in mehrjährigen
Produktlebenszyklen erfordern, besser geeignet ist.
1
Kaplan, Francois. „Flash Memory Moves From Niche To Mainstream.“ Chip Design Magazine. April/Mai 2006.
8
Detaillierte Informationen zu verschiedenen Flashzellenarchitekturen finden Sie
unter Considerations for Choosing SLC versus MLC Flash Technical Note
(Technischer Hinweis – Überlegungen zur Auswahl zwischen SLC- und MCL-Flash)
auf der EMC Supportwebsite (http://germany.emc.com/support).
9
XtremSF-Designkonzepte
In den letzten 10 Jahren hat sich die Verarbeitungstechnologie bei Servern entlang
der durch das Mooresche Gesetz beschriebenen Kurve weiterentwickelt. Speicher
und Verarbeitungsleistung haben sich alle 18 Monate verdoppelt, die
Laufwerkstechnologie jedoch nicht. Die Drehzahlen von Laufwerken mit
rotierenden Festplatten sind gleich geblieben. Dies hat zu einem Engpass im I/OStack geführt, denn Server und Anwendungen können mehr I/O-Vorgänge
verarbeiten, als von den Laufwerken bereitgestellt werden können. Dies wird als
I/O-Lücke bezeichnet, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2: I/O-Lücke zwischen Prozessor und Speichersubsystemen
Flashlaufwerke im Speichersystem haben dazu beigetragen, diese Lücke zu
schließen, da es sich bei Flash um eine Siliziumtechnologie und nicht um eine
mechanische Technologie handelt und die Flashentwicklung daher ebenfalls
gemäß dem Mooreschen Gesetz stattfindet. Abbildung 3 zeigt einen Vergleich
unterschiedlicher Speichertechnologien, welcher auf dem Angebot an I/Os pro
Sekunde (IOPS) pro Gigabyte (GB) Speicher basiert.
10
Abbildung 3: Vergleich der Speichertechnologien
Mechanisch drehende Laufwerke bieten ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis für
inaktive Datasets, jedoch keine optimale Performance. Der Einsatz von SSDs im
Array bietet eine Performance in völlig neuer Größenordnung. Der Einsatz von
PCIe-Flash im Server kann die Performance im Vergleich zu SSDs noch weiter
beschleunigen.
Durch Platzierung wichtiger Datasets auf PCIe-Flash im Server wird die mit lokalen
Laufwerken verbundene Latenz gesenkt, wodurch eine Performancesteigerung um
bis zu 40 Prozent bei Unternehmensanwendungen erreicht wird.
XtremSF speichert Daten Mikrosekunden entfernt auf dem PCIe-Bus des Servers,
sodass jederzeit darauf zugegriffen werden kann. Abbildung 4 zeigt eine XtremSFBereitstellung in einer typischen Direct-Attached-Storage-Umgebung.
Abbildung 4: Typische XtremSF-Bereitstellung
11
XtremSF bietet:

Performance: Reduziert die Latenz und erhöht den Durchsatz zur
deutlichen Verbesserung der Anwendungsperformance

Kapazität: ermöglicht Benutzern, genau die für ihre spezifischen
Anwendungsanforderungen erforderliche PCIe-Flashkapazität zu
installieren

Flexibilität: stellt eMLC- und SLC-Flashtechnologieoptionen bereit, um
besondere Lebensdauer- und Performanceanforderungen zu erfüllen
Geschäftliche Vorteile
XtremSF bietet die folgenden geschäftlichen Vorteile:

XtremSF erhöht die Performance und verringert die Reaktionszeit von
Anwendungen. Für die meisten Unternehmen bedeutet dies, mehr
Transaktionen schneller durchführen zu können.
o Ein Unternehmen, das eine Oracle- oder SQL-Server-OLTPDatenbank verwendet, kann beispielsweise aufgrund der vom
lokalen Laufwerk bereitgestellten Anzahl an IOPS nur eine begrenzte
Anzahl an Transaktionen verarbeiten. XtremSF erhöht den
Durchsatz, wodurch mehr Transaktionen möglich werden und sich
der Umsatz des Unternehmens entsprechend erhöht.

Bei gleichzeitiger Verwendung von XtremSW Cache profitieren Kunden von
den folgenden zusätzlichen Vorteilen:
o In typischen Kundenumgebungen greifen möglicherweise zahlreiche
Anwendungen auf das gleiche Speichersystem am Back-End zu.
Einige dieser Anwendungen sind wichtiger als andere. Benutzer
möchten für diese Anwendungen eine optimale Performance
erreichen und gleichzeitig dafür sorgen, dass andere, nichtkritische
Anwendungen weiterhin eine ausreichende Performance erzielen.
o XtremSF bietet Flexibilität, da es auf dem Server und nicht im
Speichernetzwerk installiert ist. Wenn mehrere Anwendungen auf
den gleichen Speicher zugreifen, optimiert XtremSF die Performance
der Anwendung auf dem Server, auf dem es installiert ist. Andere
Anwendungen auf anderen Servern erhalten vom Speichersystem
weiterhin eine gute Performance. Tatsächlich kann sich sogar ein
kleiner Performanceschub ergeben, da ein Teil der Workload des
Back-End-Speichersystems zu XtremSF verschoben wird und das
Speichersystem so mehr Verarbeitungsleistung für diese
Anwendungen zur Verfügung hat.

XtremSF ist infrastrukturunabhängig. Es kann jede beliebige Anwendung
auf einer Vielzahl an Betriebssystemen beschleunigen.

Ein Modus zur Kartenaufteilung ermöglicht es, einen Teil des Serverflash
als Cache (mit EMC XtremSW Cache) und den anderen Teil als Direct
Attached Storage zu verwenden.
12
Implementierungsdetails
Dieser Abschnitt des White Paper enthält Details darüber, wie I/O-Vorgänge
verarbeitet werden, wenn XtremSF auf dem Server installiert wird. In einer
typischen XtremSF-Implementierung als Direct Attached Storage müssen die
folgenden Komponenten in der Umgebung installiert werden:

physisches XtremSF-Gerät

XtremSF-Gerätetreiber
Weitere Informationen zur Installation dieser Komponenten erhalten Sie im EMC
XtremSF-Installations- und Administrationshandbuch.
Wenn XtremSF auch für die Datenzwischenspeicherung mit einem Back-EndSpeicherarray verwendet werden soll, muss Folgendes ebenfalls in der Umgebung
installiert werden:

XtremSW Cache-Software
Weitere Informationen zur Installation dieser Komponenten erhalten Sie im EMC
XtremSW Cache-Installations- und Administrationshandbuch.
Abbildung 6 zeigt eine vereinfachte Form einer XtremSF-Direct-Attached-StorageArchitektur. Der Server besteht aus zwei Komponenten – der Anwendungsebene
und dem XtremSF-Gerät im Server.
Die XtremSF-Hardware wird in einen PCIe-x8-Steckplatz der 2. Generation im
Server eingesetzt und der Treiber auf Betriebssystemebene installiert. Nach der
Installation wird die XtremSF-Karte mit einem Dateisystem konfiguriert und
mithilfe von Logical Volume Manager des Betriebssystems partitioniert.
Anschließend wird die Zielanwendung so konfiguriert, dass von einem
bestimmten Volume auf XtremSF gelesen und auf dieses Volume geschrieben
wird. Bei Bedarf kann die gesamte XtremSF-Karte als ein einziges Volume
konfiguriert werden.
In den folgenden Beispielen wird XtremSF für die lokale Datenspeicherung als
Direct Attached Storage und in Kombination mit XtremSW Cache als Cache
konfiguriert. Je nach Lösungsanforderungen kann die am besten geeignete
Konfiguration verwendet werden, um den gewünschten Performancevorteil zu
erzielen.
XtremSF als Direct Attached Storage
In diesem Beispiel wird die XtremSF-Karte als lokaler Datenspeicher verwendet. In
einem Anwendungsbeispiel für XtremSF als Direct Attached Storage sind auf
eMLC-Flash basierende PCIe-Karten im Hinblick auf Performance- und
Lebensdaueranforderungen eine gute Wahl. Abbildung 5 zeigt nachfolgend die
Details eines Anwendungsbeispiels für XtremSF als Direct Attached Storage.
1. Die Anwendung schreibt Daten auf die XtremSF-Karte.
2. Bei Bedarf liest die Anwendung die Daten von XtremSF.
Dieses Anwendungsbeispiel bietet erhebliche Durchsatz- und Latenzvorteile für
die Anwendung.
13
Abbildung 5: XtremSF als temporärer Datenspeicher
Datenschutz mit Direct Attached Storage
XtremSF als Direct Attached Storage bietet Vorteile für temporäre und
geschäftskritische Daten. Da PCIe-Flash jedoch nicht die gleichen
Datenschutzvorteile wie Back-End-Speicherarrays bietet, müssen
geschäftskritische Daten auf andere Weise geschützt werden. Dies geschieht am
besten, indem die Datenschutzfunktionen auf Betriebssystem- oder
Anwendungsebene eingesetzt werden.
Native Betriebssystemtools wie Logical Volume Manager (LVMs) können mehrere
Speichergeräte (wie vom Betriebssystem wahrgenommen) in RAID-Gruppen
zusammenfassen, um Performance (RAID 0) oder Schutz (RAID 1) für
Anwendungsdaten bereitzustellen. Wenn mehrere XtremSF-Geräte auf einem
einzigen Server installiert sind, können LVMs für die Erstellung von RAID-Gruppen
verwendet werden und optional Performance und/oder Schutz bereitstellen.
Replikationsservices auf Anwendungsebene werden von diversen Datenbank- und
Unternehmensanwendungen bereitgestellt. Die erforderliche hohe Verfügbarkeit
und der benötigte Datenreplikationsschutz können von Services wie Oracle Data
Guard, Oracle Real Application Clusters (RAC), Oracle Automatic Storage
Management (ASM) und Microsoft SQL Server AlwaysOn bereitgestellt werden.
Dies sind nur einige Beispiele, wie Datenschutz auf XtremSF angewendet werden
kann. Für jede Installation gibt es eine bestimmte Lösung, die für die verwendeten
Anwendungen und Betriebssysteme am besten geeignet ist.
Hostbasierte Replikationstools können Replikationsfunktionen für lokal
gespeicherte Daten bereitstellen. Es gibt beispielsweise
Replikationssoftwaretools auf Blockebene, die kontinuierliche Replikation in
Echtzeit für alle Daten von einem Server auf einen anderen innerhalb eines LAN
oder WAN bereitstellen. Diese werden häufig als Filtertreiber des Betriebssystems
implementiert, der sich im Dateisystem im I/O-Stack befindet. Einige dieser Tools
können sowohl synchrone als auch asynchrone Replikation bereitstellen.
14
XtremSF mit XtremSW Cache
XtremSF-Hardware kann auch zusammen mit der XtremSW Cache-Software
verwendet werden, um eine Zwischenspeicherlösung für bessere
Anwendungsperformance bei gleichzeitigem Datenschutz auf einem Back-EndSpeicherarray zu erstellen. Abbildung 6 zeigt die Basiskonfiguration einer
Installation von XtremSF mit XtremSW Cache.
Abbildung 6: XtremSF mit XtremSW Cache
In dieser Konfiguration wird eine Kopie der aktivsten Anwendungsdaten zwecks
Beschleunigung der Lesevorgänge auf der lokalen PCIe-Karte gespeichert,
während die Schreibvorgänge auf dem Speicherarray verbleiben. Eine detaillierte
Beschreibung einer XtremSW Cache-Bereitstellung mit XtremSF finden Sie im
White Paper Introduction to EMC XtremSW Cache (Einführung in EMC XtremSW
Cache).
XtremSF mit XtremSW Cache bei aufgeteilter Karte
Die EMC XtremSW Cache-Software verfügt über eine einzigartige Funktion zur
Kartenaufteilung, sodass Benutzer einen Teil des Serverflash als
Zwischenspeichergerät mit XtremSW Cache und den Rest als Direct Attached
Storage verwenden können. Mit dieser Funktion können die beiden zuvor
beschriebenen Anwendungsbeispiele miteinander kombiniert werden.
Abbildung 7 zeigt eine XtremSF-Karte mit aufgeteilter Karte.
15
Abbildung 7: XtremSF mit aufgeteilter Karte
In einem Anwendungsbeispiel mit 100-prozentigem Direct Attached Storage
werden die Inhalte des Direct-Attached-Storage-Teils nicht auf einem
Speicherarray gespeichert. Daher wird Benutzern empfohlen, temporäre Daten
auf dem Direct-Attached-Storage-Teil zu speichern oder ein Datenschutztool auf
Anwendungs- oder Betriebssystemebene zu verwenden.
16
Überlegungen zur Performance
XtremSF als Direct Attached Storage ist eine fortgeschrittene Flashspeicherlösung;
bei der Evaluierung der XtremSF-Performance sind daher folgende Punkte zu
berücksichtigen.
Workload-Merkmale
Der endgültige Performancevorteil durch XtremSF hängt von den Merkmalen der
Anwendungs-Workload ab. EMC empfiehlt, XtremSF nicht als lokalen Speicher für
Anwendungen zu verwenden, die kein geeignetes Workload-Profil haben. Beispiel:

Größe des Dataset: Sie sollten eine ungefähre Vorstellung von der Größe
des Dataset der Anwendung in Bezug auf die Kapazität der XtremSF-Karte
haben. Für einen maximalen Performancevorteil kann das gesamte Dataset
auf der XtremSF-Karte platziert werden.

Zufällige und sequenzielle Workloads: Ein EMC Speicherarray ist sehr
effizient bei der Verarbeitung sequenzieller Workloads Ihrer Anwendungen.
Hierbei werden der Cache des Speicherarrays und weitere Mechanismen,
z. B. Vorabrufen, verwendet. Wenn das Workload-Muster jedoch auch
zufällige Workloads enthält, ist die Performance aufgrund der Suchzeiten
beim Zugriff auf Daten auf mechanischen Laufwerken niedriger. In diesem
Fall ist auch der Cache des Speicherarrays nur von begrenztem Nutzen, da
die verschiedenen Anwendungen, die das Speicherarray verwenden, um
dieselbe Cacheressource miteinander konkurrieren. Bei der
Flashtechnologie tritt im Zusammenhang mit Suchzeiten während des
Datenzugriffs keine Latenz auf. Daher verbessert XtremSF auch die
Performance hochgradig zufälliger Anwendungs-Workloads optimal.

Gleichzeitigkeit: Mechanische Laufwerke im Speicherarray haben nur
einen oder zwei Lese-/Schreibköpfe, sodass nur eine begrenzte Anzahl
I/Os zu einem bestimmten Point-in-Time von einem Laufwerk verarbeitet
werden kann. Wenn also mehrere Threads in der Anwendung versuchen,
auf Daten im Speicherarray zuzugreifen, werden die Reaktionszeiten im
Normalfall länger, da die I/Os in der Warteschlange warten müssen, bevor
sie verarbeitet werden. Speicher- und Zwischenspeichergeräte mit
Flashtechnologie verfügen in der Regel über mehrere interne Kanäle,
sodass mehrere I/Os gleichzeitig verarbeitet werden können. Daher
verbessert XtremSF auch die Performance hochgradig gleichzeitiger
Anwendungs-Workloads optimal. Es sollten mehrere I/Os gleichzeitig von
der Anwendung angefordert werden.

I/O-Größe: Große I/O-Größen sind oftmals bandbreitengesteuert und
verkleinern die Performancelücke zwischen Flashtechnologien und NichtFlashtechnologien. XtremSF verbessert die Performance einer Vielzahl von
I/O-Größen; bei Anwendungen mit kleineren I/O-Größen (z. B. 4 KB oder
8 KB) ist der Performancevorteil jedoch am größten.
17
Durchsatz und Latenz
Für einige Anwendungen müssen so viele IOPS bereitgestellt werden, dass die
Speicherumgebung an ihre Grenzen stoßen kann. Die Verwendung von XtremSF in
solchen Anwendungsumgebungen führt zu sehr hohen IOPS mit sehr schnelle
Reaktionszeiten. Es gibt allerdings auch Anwendungen, die keine sehr hohen
IOPS benötigen, dafür aber sehr schnelle Reaktionszeiten. Auch in diesen
Anwendungsumgebungen ist die Verwendung von XtremSF von Vorteil. Auch
wenn die Anwendung relativ wenig I/Os ausgibt, müssen diese wenigen I/Os sehr
schnell verarbeitet werden. Beispiel: Eine Webanwendung ist im Allgemeinen
nicht sehr aktiv, aber wenn ein Benutzer eine Anfrage sendet, muss diese sehr
schnell bearbeitet werden.
XtremSW Cache mit aufgeteilter Karte
Wenn diese Funktion verwendet wird, werden die Flashressourcen von Cache und
Direct Attached Storage geteilt. Daher kann die Cacheperformance im Vergleich
zur Verwendung der PCIe-Karte als ausschließliches Zwischenspeichergerät
niedriger sein.
Weitere Engpässe in der Umgebung
XtremSF verbessert den Durchsatz und senkt die Latenz, indem der Datenzugriff
einer Anwendung noch weiter verbessert wird. Eine erhebliche Verbesserung des
Durchsatzes kann jedoch zu neuen zugrunde liegenden Performanceengpässen
und/oder Anomalien im Hardware- oder Software-Stack führen.
18
Nutzungsrichtlinien und -merkmale
Dieser Abschnitt enthält einige der Nutzungsrichtlinien und wichtigsten
Funktionen von XtremSF.

XtremSF ist für hochgradig gleichzeitige Workloads optimiert und bietet
eine verbesserte Performance bei einer hohen Anzahl an Threads. Hierbei
wird die Fähigkeit von Flashmedien zur Unterstützung hoher
Bandbreitenraten genutzt. Da für jedes I/O auf weniger Flashchips
zugegriffen werden muss, werden Engpässe auf Chipebene, die bei vielen
Threads normalerweise auftreten, vermieden. Aus diesem Grund erreichen
Anwendungen, die mehrere Threads verwenden können, den größten
Performancevorteil.

XtremSF verfügt über feste Zuordnungseinheiten, die für die Anpassung
größerer I/O-Größen (4 K oder 8 K, die Größenordnung gängiger
Unternehmensanwendungen) optimiert sind.

Bei den meisten XtremSF-Modellen erfolgt das Flashmanagement auf der
Karte, sodass diese Aufgaben vom Hostserver ausgelagert werden. Auf
diese Weise werden die CPU-Auslastung und der erforderliche DRAM im
Host gesenkt.

Datenintegrität ist ein wichtiger Aspekt. Es ist von großer Bedeutung, dass
durch einen Lesevorgang zurückgegebene Daten dem entsprechen, was
zuletzt auf das Gerät geschrieben wurde. Die Verwendung einer End-toEnd-Prüfsumme sorgt für Datenintegrität auf XtremSF. Mithilfe dieser
Prüfsumme wird überprüft, ob die gelesenen Daten exakt mit den zuvor auf
den Block geschriebenen Daten übereinstimmen.

Um den Flashchip vor einem Ausfall zu schützen, wird für XtremSF-Karten
ein RAID-Paritätsschema verwendet, bei dem jedes Element in der RAIDGruppe von einem anderen Flashkanal verarbeitet wird.

Wenn ein Flashchip auf der PCIe-Karte ausfällt, erkennt XtremSF dies
automatisch und stellt die Daten schnell wieder her.

Die Sammlung veralteter Daten und Wear Leveling haben nur eine geringe
Auswirkung auf die Performance. Diese Aktivitäten werden auf der
Flashchipebene durchgeführt und nutzen die XtremSF-Funktion der hohen
Gleichzeitigkeit, um Auswirkungen auf die Anwendung zu verringern.

Wenn XtremSF als Zwischenspeichergerät zusammen mit XtremSW Cache
verwendet wird, werden Schreibvorgänge mit dem Array synchronisiert. Die
Verarbeitung der von der Anwendung ausgegebenen Schreibvorgänge
hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der das Back-End-Array diese
verarbeiten kann. Bei aufgeteilter Karte ist nur der Cacheteil der Karte
hiervon betroffen; die Arrayperformance hat keine Auswirkungen auf den
Direct-Attached-Storage-Teil.

Wenn XtremSF als Speichergerät verwendet wird, werden sowohl Lese- als
auch Schreibvorgänge beschleunigt. Wenn geschäftskritische Daten auf
der Karte gespeichert werden, sollten zu deren Schutz
Datenschutzfunktionen auf Anwendungs- oder Betriebssystemebene
verwendet werden.
19
Technische Daten

XtremSF ist für I/O-Workloads mit 4 K und 8 K optimiert, bietet jedoch auch
Vorteile für Anwendungen, bei denen andere I/O-Größen überwiegen, und
arbeitet nahtlos mit diesen zusammen.

XtremSF wird in einem PCIe-x8-Steckplatz der 2. Generation in einem
Rackmount-Server installiert. XtremSF kann auch in einem PCIe-x16Steckplatz installiert werden, es werden jedoch nur 8 Kanäle verwendet.
Bei Installation in einem PCIe-x4-Steckplatz des Servers arbeitet XtremSF
nicht optimal.

XtremSF ist auf einen Stromverbrauch unter 25 W gemäß der PCIe-2.0Spezifikation ausgelegt.

XtremSF-Karten sind in folgenden Kapazitäten verfügbar:
o Single-Level Cell (SLC)

350 GB und 700 GB
o Multi-Level Cell (MLC)

550 GB, 700 GB, 1,4 TB und 2,2 TB

Pro Server können mehrere XtremSF-Karten verwendet werden. Ein
einziges logisches Quell-Volume kann mithilfe eines LVM des
Betriebssystems über mehrere Karten hinweg erstellt werden.

Mehrere Quell-Volumes können mithilfe eines LVM des Betriebssystems
auf einer Karte erstellt werden.

XtremSF ist vorgabenkonform mit dem Trade Agreements Act (TAA, USamerikanisches Gesetz zu Handelsabkommen). Die folgenden
Hauptanforderungen wurden geprüft und treffen nicht auf XtremSF zu:
o FIPS 140-2
o Allgemeine Kriterien
o Internetprotokollversion 6
Einschränkungen

XtremSF stellt Datenintegritätsschutz auf Flashebene mithilfe eines RAIDParitätsschemas bereit. XtremSF bietet jedoch keine Datenschutzservices
für geschäftskritische Daten. Wenn Datenschutz erforderlich ist, sollten
XtremSW Cache oder andere Softwaretools verwendet werden.

Für Blade-Server ist eine kundenspezifische Version der Karte erforderlich,
sodass XtremSF auf diesen Servern nicht unterstützt wird. Bei Servern, an
deren Gehäuse eine PCIe-Erweiterungskarte angeschlossen werden kann,
können XtremSF-Karten jedoch verwendet werden. Eine aktuelle Liste der
unterstützten Betriebssysteme und Server finden Sie im E-Lab
Interoperability Navigator.
20
Anwendungsbeispiele und Performance
XtremSF ist optimal für Workloads mit hoher Transaktionszahl und/oder hoher
Performance geeignet, die oft mit Web-2.0-Anwendungen, virtuellen
Desktopinfrastruktur-Umgebungen (VDI), High-Performance Computing (HPC) und
leistungsfähigen Handelsanwendungen verbunden sind. XtremSF kann auch zur
Beschleunigung von Analysen, Reporting, Datenmodellierung, Indexen,
Datenbankauszügen, Batch-Verarbeitung, Hintergrundaufgaben und anderen
temporären Workloads verwendet werden.
Bei der Verwendung von XtremSF als Direct Attached Storage profitieren lese- und
schreibintensive Anwendungen mit niedrigen Latenzanforderungen am meisten.
Wenn XtremSF zur Zwischenspeicherung mit XtremSW Cache kombiniert wird,
werden die besten Ergebnisse bei Anwendungen mit vielen Lesevorgängen und
Anwendungen mit besonders ungleichmäßiger Datenverteilung erzielt.
Testergebnisse
EMC hat anwendungsspezifische Tests mit XtremSF durchgeführt, um potenzielle
Performancevorteile bei der Verwendung dieses Produkts zu ermitteln. Im
Folgenden finden Sie eine Zusammenfassung der XtremSF-Vorteile mit einigen
gängigen Anwendungen:
SQL Server
Mit einer TPC-E-ähnlichen Workload in einer Microsoft SQL Server 2012Datenbankumgebung mit 800 GB auf einem Cisco UCS-Server stellte XtremSF 30mal mehr IOPS bereit als eine auf mehreren lokalen Laufwerken ausgeführte,
identische Workload. Abbildung 8 zeigt diese Performanceverbesserung.
SQL Server-Datenbank-Performance
Abbildung 8: XtremSF-Performance im Vergleich zu einem lokalen Laufwerk mit
SQL Server-Datenbank
21
Oracle
Mit einer TPC-E-ähnlichen OLTP-Workload in einer physischen Oracle 11g R2Umgebung mit 1,2 TB verzeichnete XtremSF eine 40-mal höhere Performance im
Vergleich zu einer auf mehreren lokalen Laufwerken ausgeführten, identischen
Workload. Abbildung 9 zeigt diese Performanceverbesserung.
Oracle-Datenbank-Performance
Abbildung 9: XtremSF-Performance im Vergleich zu einem lokalen Laufwerk für
eine Oracle-Datenbank
Weitere Informationen zu anwendungsspezifischen Richtlinien und
Testergebnissen finden Sie in den im Abschnitt Referenzen aufgelisteten White
Papers.
22
Fazit
Die Flashtechnologie kann auf vielfältige Weise in einer Umgebung verwendet
werden: im Server, auf dem Speicherarray, als Cache oder Speicherebene. Wichtig
ist hierbei jedoch, die Hardware- und Softwaretechnologie auf die Anwendung
abzustimmen, um einen maximalen Performancevorteil zu erzielen.
Dank branchenführender Performance beschleunigt XtremSF die Performance
sowohl lese- als auch schreibintensiver Anwendungen deutlich. XtremSF ist eine
flexible Hardwareplattform, die diverse Kapazitätsbereiche für kleine bis große
Datasets bereitstellt. Die Karten sind sowohl als SLC-Flash als auch als eMLC-Flash
erhältlich und bieten mehr Flexibilität bei der Erfüllung spezifischer Performanceund Lebensdaueranforderungen. XtremSF stellt mit der 2,2-TB-HHHL-Karte den
kompaktesten Flashserverspeicher im kleinsten PCIe-Formfaktor bereit. XtremSF
kann allein als Direct Attached Storage oder zusammen mit XtremSW Cache als
Cache verwendet werden.
23
Referenzen
Die folgenden Dokumente stehen unter http://germany.emc.com/support zur
Verfügung:

Analysten-White Paper: Demartek – EMC XtremSW Cache Flash Caching
Solution Evaluation (Demartek – Evaluierung der
Flashzwischenspeicherlösung EMC XtremSW Cache)

Analysten-White Paper: ESG – EMC’s Flash Strategy (ESG – EMC
Flashstrategie)

Datenblatt: EMC XtremSF

Datenblatt: EMC XtremSW Cache

Installations- und Administrationshandbuch: XtremSF für Windows und
Linux

Installations- und Administrationshandbuch: XtremSW Cache für VMware

Installations- und Administrationshandbuch: XtremSW Cache für Windows
und Linux

Installations- und Administrationshandbuch: XtremSW Cache VMwarePlug-in

Versionshinweise: XtremSF für Windows und Linux

Versionshinweise: XtremSW Cache für VMware

Versionshinweise: XtremSW Cache für Windows und Linux

Technischer Hinweis: Considerations for Choosing SLC versus MLC Flash
(Technischer Hinweis – Überlegungen zur Auswahl zwischen SLC- und MCLFlash)

White Paper: EMC XtremSF – Delivering Next Generation Performance for
Oracle Databases (EMC XtremSF – Performance der nächsten Generation
für Oracle-Datenbanken)

SQL Server Databases (EMC XtremSF – Performance der nächsten
Generation für SQL Server-Datenbanken)

MySQL Databases (EMC XtremSF – Performance der nächsten Generation
für MySQL-Datenbanken)

White Paper: EMC XtremSF – Next Generation Performance for Microsoft
Exchange 2010 (EMC XtremSF – Performance der nächsten Generation für
Microsoft Exchange 2010)

White Paper: Introduction to EMC XtremSW Cache (Einführung in EMC
XtremSW Cache)
24

Einführung in EMC XtremSF

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