Einführung in EMC XtremSF
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Einführung in EMC XtremSF
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 Copyright © 2013 EMC Corporation. Alle Rechte vorbehalten. EMC ist der Ansicht, dass die Informationen in dieser Veröffentlichung zum Zeitpunkt der Veröffentlichung korrekt sind. Die Informationen können jederzeit ohne vorherige Ankündigung geändert werden. Die Informationen in dieser Veröffentlichung werden ohne Gewähr zur Verfügung gestellt. Die EMC Corporation macht keine Zusicherungen und übernimmt keine Haftung jedweder Art im Hinblick auf die in diesem Dokument enthaltenen Informationen und schließt insbesondere jedwede implizite Haftung für die Handelsüblichkeit und die Eignung für einen bestimmten Zweck aus. Einführung in EMC XtremSF 2 Für die Nutzung, das Kopieren und die Verteilung der in dieser Veröffentlichung beschriebenen EMC Software ist eine entsprechende Softwarelizenz erforderlich. Eine aktuelle Liste der Produkte von EMC finden Sie unter EMC Corporation Trademarks auf http://germany.emc.com. 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 Einführung in EMC XtremSF 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. Einführung in EMC XtremSF 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 Einführung in EMC XtremSF 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. Einführung in EMC XtremSF 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). Einführung in EMC XtremSF 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. Einführung in EMC XtremSF 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). Einführung in EMC XtremSF 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. Einführung in EMC XtremSF 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 Einführung in EMC XtremSF 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. Einführung in EMC XtremSF 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. Einführung in EMC XtremSF 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. Einführung in EMC XtremSF 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. Einführung in EMC XtremSF 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. Einführung in EMC XtremSF 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. Einführung in EMC XtremSF 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. Einführung in EMC XtremSF 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. Einführung in EMC XtremSF 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. Einführung in EMC XtremSF 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 Einführung in EMC XtremSF 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. Einführung in EMC XtremSF 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. Einführung in EMC XtremSF 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) White Paper: EMC XtremSF – Delivering Next Generation Performance for SQL Server Databases (EMC XtremSF – Performance der nächsten Generation für SQL Server-Datenbanken) White Paper: EMC XtremSF – Delivering Next Generation Performance for 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) Einführung in EMC XtremSF 24