NVMe

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Schnellverbindung in die Parallelzukunft

© Pure Storage, Inc.

Von Markus Grau, Principal Systems Engineer, Pure Storage

Betreiber von Rechenzentren sehen sich heute mit vielfältigen Herausforderungen konfrontiert, was die Datenverfügbarkeit betrifft. Daten müssen immer schneller, flexibler und kostengünstiger verarbeitet, gespeichert und bereitgestellt werden. Leistung und Kapazität sollen skalierbar sein, um anspruchsvolle Anwendungen zu unterstützen und das Datenwachstum zu bewältigen. Die Datenverfügbarkeit muss zuverlässig sein, um die Geschäftskontinuität zu gewährleisten. Hinzu kommen immer strengere Anforderungen an die Datensicherheit und den Datenschutz. Diese müssen branchenspezifischen Compliance-Richtlinien sowie aktuellen Gesetzen und künftigen Vorschriften gerecht werden.

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Neue Workloads, neuer Speicher

Vor allem anspruchsvolle, rechen- und datenintensive neue Anwendungen bringen neue Herausforderungen hinsichtlich Speicherplatz, Performance, Kosteneffizienz und Datenhandhabung mit sich. Die Speicherumgebung muss immer häufiger umfangreiche Analysen in sich schnell ändernden Datensätzen unterstützen. Typische Workloads der neuen Generation sind virtuelle Desktop-Infrastrukturen (VDI), Servervirtualisierung und Echtzeit-Transaktionsverarbeitung. Zugleich erfordert die Umsetzung von TestDev- und DevOps-Szenarien eine schnellere Datenbereitstellung. Herkömmliche Speicherumgebungen treibt diese Entwicklung an ihre Grenzen, und in einer Vielzahl von Rechenzentren besteht daher deutlicher Modernisierungsbedarf. Das Vorbild sind große Rechenzentren im Webscale-Format, die auf Skalierbarkeit, Geschwindigkeit und Agilität getrimmt sind. Teilweise werden dabei auch Cloud-Dienste eingebunden, die genau diese Vorzüge liefern. Als attraktiver Mittelweg zwischen der kompletten Auslagerung in die Cloud und einem reinen Vor-Ort-Betrieb (on premises) kristallisiert sich das Hybrid-Modell heraus.

Das eigene Rechenzentrum wird – meist in Kombination mit der Cloud – weiterhin eine Rolle spielen, sei es, um geschäftskritische Ressourcen besser unter Kontrolle zu behalten oder sogar, um einen Teil der Outsourcing-Dienste wieder zurückzuholen – Stichwort: Insourcing. Dies zieht, gerade für anspruchsvolle Workloads, Investitionen in das eigene Rechenzentrum nach sich, um den aktuellen und zu erwartenden Anforderungen an Datenhandling und Datenverfügbarkeit gerecht zu werden. Effiziente und leistungsfähige Speicherlösungen sind hierfür die Grundvoraussetzung.

Bei den Speichermedien geht der Trend von der Festplatte (HDD) zu Flash-Speicher (SSD), teils auf Umwegen über Hybrid-Lösungen, aber immer mehr auch direkt zu reinen All-Flash-Systemen. Hersteller von Bandspeichersystemen wollen gleichzeitig das seit Jahrzehnten bewährte Speichermedium mittels höherer Kapazitäten in die Zukunft retten, vor allem als Speichermedium für Daten, die selten benötigt oder verändert werden. Ist jedoch ein möglichst schneller Zugriff Daten gefragt, die sich häufig ändern, spielt Flash seine Stärken aus.

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Schwarz auf weiß: Dieser Beitrag erschien zuerst in unserer Magazinreihe. Einen Überblick mit freien Download-Links zu sämtlichen Einzelheften bekommen Sie online im Pressezentrum des MittelstandsWiki.

Aufgebohrte NVMe-Datentransfers

Kontinuierliche Preissenkungen machen mittlerweile All-Flash-Arrays auch für Einsatzbereiche attraktiv, die über die bisher vorherrschende reine Pufferfunktion für Hochleistungsanwendungen hinausgehen. All-Flash kommt somit durchaus als neue Basisspeichertechnologie infrage, nicht zuletzt deshalb, weil die Systeme auch intelligente Funktionen zur Optimierung der Speicherumgebung mitbringen: Datenmanagementsoftware für Flash-Arrays ermöglicht Datenreduzierung, Inline-Deduplizierung und Komprimierung. Dies verringert die Menge an benötigtem Speicherplatz und schafft Kapazitätsreserven für weiteres Datenwachstum.

NVMe arbeitet parallel: mit bis zu 64.000 Queues und 64.000 Befehlen pro Queue. (Bild: Pure Storage)

Beflügelt wird der Einzug von Flash im Rechenzentrum durch neue Hardware wie Flash-Arrays mit mehr Bandbreite, aber auch durch Innovationen auf Schnittstellen- und Protokollebene, wie im Fall von NVMe (NVM Express). Die zukunftsweisende Speicherschnittstelle ermöglicht es, das Leistungspotenzial von Flash voll auszuschöpfen und liefert die erforderliche Parallelität für die immer kapazitätsstärkere Flash-Hardware. Mit neuen Flash-Arrays im Petabyte-Maßstab können künftig noch schnellere und dichtere Speichersysteme im Rechenzentrum bereitgestellt werden. NVMe dient dabei als besonders leistungsfähiges Speicherklassenprotokoll für die Kommunikation zwischen CPU und Flash. Das Akronym NVM (Non-volatile Memory) steht für eine erstmals im Jahr 2011 eingeführte Schnittstelle zum schnelleren Zugriff auf Solid-State-Speicher, also nichtflüchtigen Massenspeicher, über PCI Express (PCIe).

Zum Hintergrund: Aktuelle Speichersysteme verwenden immer noch SAS-Verbindungen für die Kommunikation zwischen ihren Controller-Prozessoren und Flash. SAS (Serial Attached SCSI) basiert auf dem Legacy-Protokoll SCSI, das für die Festplatte entworfen wurde. Diese serielle Verbindung verursacht jedoch einen Flaschenhals bei der Kommunikation zu Flash. Jede Verbindung vom CPU-Kern zu Flash wird durch den SAS-Host-Bus-Adapter (HBA) und synchronisiertes Locking begrenzt. Dieser serielle Engpass erzeugt Leistungsengpässe innerhalb des Backends von All-Flash-Arrays. Das NVMe-Protokoll verspricht, diesen Engpass zu beseitigen.

NVMe ist vor allem schneller als das herkömmliche Storage-Protokoll SAS. Und es arbeitet parallel, mit bis zu 64.000 Queues (Warteschlangen), 64.000 Befehlen pro Queue sowie Locking-freien Verbindungen, um jeden CPU-Kern dedizierten Warteschlangenzugriff auf jedem Flash-Medium zu ermöglichen. Diese hohe Parallelität beseitigt die durch serielle Verbindungen bedingten Engpässe und ermöglicht direkte Übertragungswege zu den Flash-Speichern. Daraus resultiert eine erheblich höhere Performance für zukünftige gewaltige Multicore-CPUs, SSDs mit enormer Dichte, neue Speichertechnologien und Hochgeschwindigkeitsverbindungen.

NVMe bringt zahlreiche Vorteile für Speicherumgebungen in Rechenzentren und die Umsetzung anspruchsvoller Datenanwendungen. Deutlich ist zuerst die bessere Performance: Ein Flash-Speicher-Array mit NVMe ermöglicht höhere Bandbreiten und konstant geringe Latenzzeiten. Zweitens ist auch eine höhere Array-Dichte möglich: Flash-Speicher-Arrays wurden in den letzten Jahren bereits „verdichtet“, sodass beispielsweise ein Petabyte Kapazität statt in Racks mit sechs Höheneinheiten heute in fünf Höheneinheiten untergebracht werden kann. Mit NVMe können die Speicher-Arrays noch weiter verdichtet werden. Der dritte Vorteil betrifft die ebenfalls höhere Performance-Dichte: Überzeugende Performance kann mittels NVMe bereits mit sehr kleinen Arrays erzielt werden. (Heute benötigen All-Flash-Arrays häufig 20 und mehr SSDs, um ihre maximal erzielbare Performance zu erreichen). Viertens lassen sich mit NVMe größere Flash-Module/SSDs (16 TByte, 32 TByte etc.) ohne Performance-Einbußen nutzen. (Aktuell liefern All-Flash-Arrays eine bessere Performance, wenn sie mit einer größeren Anzahl von kleinen SSDs konfiguriert sind statt einer kleineren Anzahl von großen SSDs.) Schließlich ist NVMe auch ein Schlüssel zur stärkeren Konsolidierung: In Kombination mit hochverfügbaren Systemen, die einen unterbrechungsfreien Betrieb erlauben, können Unternehmen die Konsolidierung im Rechenzentrum vorantreiben und die Kosten für Workloads senken.

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Markus Grau ist Principal Systems Engineer bei Pure Storage. Mit Pure Storage können Unternehmen die Grenzen des Möglichen überschreiten. Die Kombination aus All-Flash-Technologie und Benutzerfreundlichkeit unterstützt die Business- und IT-Transformation mit Smart Storage und verspricht einen mühelosen, effizienten und nachhaltigen Einsatz. Pure Storage hat zwei Kernprodukte im Angebot: FlashArray//M, optimiert für strukturierte Workloads, und FlashBlade, ideal für unstrukturierte Daten.


Pure Storage, Inc., Konrad-Zuse-Platz 8, 81829 München, Tel.: 089-120895072, dach@purestorage.com, www.purestorage.com

Upgrade-Pfad in die Zukunft

Hinsichtlich Performance und Speicherdichte leitet NVMe zweifelsohne die nächste Stufe von Flash-Arrays ein und dürfte in den kommenden Jahren tief greifende Auswirkungen auf den Flash-Storage-Markt haben. Interessanterweise ist NVMe bereits in Consumer-Geräten wie Laptops und Desktop-Computern vorhanden, aber auch Hyperscaler-Clouds nutzen NVMe oder planen dies. Unternehmen, die in ihrem Rechenzentrum Flash-Speicher nutzen, werden bald folgen.

Das FlashArray//M von Pure Storage ist von Anfang an NVMe-ready konzipiert. (Bild: Pure Storage)

Spannend wird es nicht nur im Speichersystem selbst, sondern auch bei der Frage, wie sich NVMe/f (NVMe over Fabrics) zur Anbindung von Servern gestalten wird. NVMe/f verwendet RDMA (Remote Direct Memory Access) und ermöglicht so noch geringere Latenzzeiten beim Zugriff auf das Speichersystem. Der Datentransport erfolgt hierbei meist über RoCE (RDMA over Converged Ethernet), wobei auch das T11-Komitee mit FC-NVMe (NVMe over Fabrics using Fibre Channel) eine Alternative bietet. Welche dieser beiden Methoden sich an Ende durchsetzen wird, wird sich zeigen. Host-Betriebssysteme wie Linux, Windows und ESX enthalten bereits seit Längerem Treiber für den Zugriff über NVMe.

Etliche Branchenanalysten prognostizieren, dass NVMe bis 2019 zum führenden Schnittstellenprotokoll für Flash avancieren wird. Für Betreiber von Rechenzentren bedeutet dies bei aktuellen Neuinvestitionen in Flash-Arrays, dass ein Upgrade-Pfad entscheidend ist. Das heißt: Die Unternehmen müssen jetzt auf den Wechsel vorbereitet sein, um künftig – oder bereits ab 2017 – in vollem Umfang von diesen technologischen Verbesserungen profitieren zu können. Wer neue Storage-Hardware anschafft, sollte folglich darauf achten, dass diese NVMe-fähig ist – im Sinne von Investitionsschutz und Investitionssicherheit.

Erste Hersteller garantieren bereits, dass jedes neu gekaufte Flash-Array vollständig auf NVMe aktualisiert werden kann. Jeder Slot im Gehäuse ist somit für NVMe- und SAS-fähige Flash-Module geeignet. Die Controller können dann unterbrechungsfrei für den Umstieg von SAS auf NVMe in internen und externen Netzwerken aktualisiert werden. Folglich kann ein solches vorbereitetes Flash-Array später ohne ein Komplett-Upgrade und ohne zeit- und kostenaufwendige Migration mit NVMe-fähigen Controllern aktualisiert werden. Die frühzeitige Unterstützung zukünftiger technologischer Anforderungen wie NVMe sorgt für einen klaren, unterbrechungsfreien Upgrade-Pfad. Unternehmen, die auf Flash-Speicher setzen, können so noch mehr aus der Speichertechnologie der Zukunft herausholen.

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