In Servern oder Desktop-Systemen kommen zum Abspeichern von Daten preiswerte SATA-Festplatten zum Einsatz. Darüber hinaus setzen viele Anwender für einen schnellen Datenzugriff auf SSD-Speichertechnologie. Sind zuverlässige Speichersysteme für unternehmenskritische Daten gefragt, gehören SAS-Festplatten zur ersten Wahl.
Doch nicht nur Festplatten und SSDs garantieren eine schnelle Bereitstellung von Informationen, genauso wichtig sind die dazugehörigen Controller. In herkömmlichen Systemen kommen überwiegend die im Chipsatz integrierten Storage-Controller zum Einsatz. Diese sind im Server als RAID-Controller ausgelegt. Auch im Desktop-Umfeld wird diese Technologie immer häufiger eingesetzt.
Fehlt diese Option, übernimmt das Betriebssystem diese Funktionalität und stellt dem Storage-System RAID-Funktionalität in Software zur Verfügung. Mit Windows 8 und Server 2012 löst sich Microsoft von dieser traditionellen Technik und implementiert zusätzlich die Storage-Virtualisierung in Form von Pools und Storage Spaces in das Betriebssystem. Wir haben die neue Technologie in einem Test untersucht und die Performance zwischen den verschiedenen Storage-Spaces-Konfigurationen und dem entsprechenden Hardware-RAID verglichen.
Speicherpools und Speicherplätze
Ein Novum im aktuellen Microsoft Betriebssystem ist das Erstellen von Speicherpools in Verbindung mit dem Verwenden logischer virtueller Laufwerke, der sogenannten Speicherplätze (Storage Spaces). Speicherpools werden aus verschiedenen physikalischen Festplatten gebildet. Dabei ist es unerheblich, an welcher Schnittstelle - SATA, SAS oder USB - das Storage angeschlossen ist. Auch die Kapazität der einzelnen Speichermedien sowie die Speichertechnologie (HDD, Flash) spielen dabei keine Rolle.
Foto: Microsoft
Die Pools kann der Nutzer wahlfrei und flexibel aus allen genannten Speichertypen zusammenstellen. Darüber hinaus lassen sich die Pools auch beliebig im Betrieb erweitern beziehungsweise verändern. Die Funktion befindet sich in der Systemsteuerung unter Speicherplätze und ist nahezu intuitiv bedienbar.
Ist ein Pool aus physikalischen Speichern definiert, kommen beim Menüpunkt Speicherplatz erstellen die Storage Spaces ins Spiel. Hierbei werden Laufwerksname und -buchstabe festgelegt. Unter der Option Resilienz muss der Anwender die Art beziehungsweise Ausfallsicherheit (vergleichbar mit RAID) des Speichers definieren. Ist dies geschehen, quittiert man die Eingabe mit dem Button Speicherplatz erstellen. Damit ist die Konfiguration eines Pools inklusive Storage Spaces abgeschlossen. Zur Kontrolle kann man in der Systemsteuerung / Verwaltung / Computerverwaltung/ Datenträgerverwaltung das zur Verfügung stehende Laufwerk überprüfen.
Details zu Pools, Storage Spaces und Thin Provisioning
Ein Storage Pool kann der Anwender laut Microsoft-Spezifikation aus einer beliebigen Anzahl unterschiedlicher Festplatten zusammensetzen. Da die Technologie auch in Datencentern eingesetzt werden soll, hat der Hersteller keine Limitierungen vorgesehen, was die Anzahl von Pools betrifft. Innerhalb der Pools kommen jetzt die Storge Spaces zum Einsatz - virtuelle Laufwerke, die sich wie "normale" Laufwerke verhalten und auch so funktionieren, aber noch Zusatznutzen bringen. Dazu zählten zum Beispiel die Resilienz für die Datensicherheit und das Thin Provisioning.
Storage Spaces beziehungsweise Speicherplätze können größer sein als der in einem Storage-Pool verfügbare Speicherplatz. Das gilt sowohl für die Gesamtmenge des reservierten Speicherplatzes aller Spaces als auch für jeden einzelnen Storage Space. Es ist also kein Problem, ein Storage Spaces mit 5 TByte Speicherplatz einzurichten, auch wenn nur eine Festplatte mit 3 TByte zur Verfügung steht.
Das Thin Provisioning sorgt dafür, dass bei der Einrichtung ausreichend Speicherplatz für einen Storage Space reserviert werden kann, dieser aber erst dann physisch zur Verfügung gestellt werden muss, wenn er auch benötigt wird. So können die physische Kapazität mit der Zeit ergänzt und die zur Verfügung stehenden Festplatten durch mehrere Spaces optimal genutzt werden. Allerdings lässt sich der Speicherplatz nicht mehr manuell verringern. Läuft der Storage Pool langsam voll, erhält der Anwender umgehend eine entsprechende Meldung und kann den Speicher Pool durch das Hinzufügen neuer Storage Spaces erweitern. Beim Vergrößern eines Storage Pools ist das Betriebssystem in der Lage, die lokalen Daten neu auf die vorhandenen Festplatten zu verteilen.
Mehr Datensicherheit durch Speicherplätze
Für jede virtuelle Festplatte innerhalb eines Speicherplatzes beziehungsweise Storage Spaces lässt sich im Konfigurationsmenü der Resilienztyp festlegen. Dieser besagt, wie das Laufwerk gegen einen möglichen Ausfall abgesichert werden soll. Dabei stehen dem Anwender vier verschiedene Optionen zur Verfügung:
Mit der Option Einfach (keine Resilienz) wird nur ein einfacher Datensatz auf einer Festplatte erstellt. Bei einem Laufwerksausfall sind diese Daten unwiederbringlich verloren. Dagegen verteilt die Option Zwei-Wege-Spiegelung die Informationen auf mindestens zwei physische Platten und ist vergleichbar mit einem RAID 1. Fällt ein Laufwerk aus, stehen dem Anwender die Daten auf dem gespiegelten Datenträger zur Verfügung.
Auch eine Drei-Wege-Spiegelung bietet Windows 8 Server 2012 an. Voraussetzung für die Funktion sind mindestens fünf Laufwerke. Bei dieser höchsten Ausfallsicherheitsstufe werden die Daten so auf die einzelnen Laufwerke verteilt, dass bis zu zwei Laufwerke ausfallen können, ohne dass es zu einem Datenverlust kommt.
Darüber hinaus bietet das Betriebssystem die Option Parität. Vergleichbar mit RAID 5 werden dabei alle Daten inklusive der Paritätsinformationen über alle physischen Laufwerke geschrieben. Die Paritätfunktion benötigt mindestens drei Laufwerke und verkraftete ohne Datenverluste den Ausfall eines Datenträgers. Diese Option bietet einen guten Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Ausfallsicherheit und kommt daher bei entsprechenden Anwendungen wie Datenbanken häufig zum Einsatz.
Laut Microsoft sollen Anwender durch Storage Pools und Storage Spaces eine wesentlich größere Flexibilität bei der Konfiguration von Storage-Systemen haben. Zwar ähnelt das Konzept sehr dem traditionellen Hardware-RAID, ist aber in puncto Bedienung und Einstellmöglichkeiten verschieden. Wie sich die neue Technologie in Bezug auf die Performance zu einem traditionellen RAID verhält, zeigt unser nachfolgende Test.
Performance: Speicherpools und Storage Spaces gegen Hardware-RAID
Als Testplattform haben wir einen Desktop-PC mit Windows-8-Betriebssystem gewählt. Die Hardware des Computers setzt sich aus dem Asus-Mainboard P8Z77-V mit Intel-Z77-Express-Chipsatz, dem Prozessor Intel Core i5-3470 (3,20 GHz) und 4 GByte DDR3-SDRAM zusammen. Als Storage-Subsystem verwenden wir eine Intel-SSD vom Typ SSDSC2CW240A für das Betriebssystem, und als Datenlaufwerke kommen drei 2 GByte große SATA-Festplatten WD20EFRX-68AX9N0 von Western Digital zum Einsatz.
Das System arbeitet mit einem Chipsatz, der einen Onboard-RAID-Controller beinhaltet und RAID 0, RAID 1 und RAID 5 in Hardware unterstützt. Diesen nutzen wir, um mit den drei Datenfestplatten die entsprechende RAID-Konfiguration nachzubilden.
Für die Performance-Tests setzen wir die Benchmarks CristalDiskMark, Atto und IOmeter ein. Mit dem erstgenannten Tool messen wir die maximale sequenzielle Lese- und Schreibrate der entsprechenden Konfiguration. Das Programm Atto ermittelt die maximale Streaming-Leistung der Storage-Installation. Mit dem Benchmark-Tool IOmeter erfassen wir die I/O-Transfers pro Sekunde und die Transferrate in MByte/s. Wir verwenden vordefinierte Workloads zur Simulation von Random Read und Random Write. Bei allen Tests ist eine Queue Depth von 32 eingestellt; somit werden multiple Zugriffe abgearbeitet.
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Übertragungstrecke |
Storage Spaces |
Hardware RAID |
|---|---|---|
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Einfach / RAID 0 (lesen) |
156,8 MByte/s |
422,4 MByte/s |
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Einfach / RAID 0 (schreiben) |
152,0 MByte/s |
413,3 MByte/s |
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Zwei-Wege-Spiegelung / RAID 1 (lesen) |
161,6 MByte/s |
146,4 MByte/s |
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Zwei-Wege-Spiegelung / RAID 1 (schreiben) |
146,8 MByte/s |
148,3 MByte/s |
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Parität / RAID 5 (lesen) |
293,1 MByte/s |
120,6 MByte/s |
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Parität / RAID 5 (schreiben) |
39,44 MByte/s |
59,9 MByte/s |
Beim sequentiellen Lesen und Schreiben ist die Hardware-RAID-0-Konfiguration der Einfach-RAID-Konfiguration des Storage Pools deutlich überlegen. Die Hardware kann die Operationen parallel mit einer Geschwindigkeit von 422 / 413 MByte/s ausführen, dagegen scheint die Softwarelösung seriell mit einer Datenrate von 156 / 152 MByte/s abzuarbeiten. Bei der Zwei-Wege-Spiegelung beziehungsweise RAID-1-Installation sind die zwei Lösungen nahezu ebenbürtig - mit leichten Vorteilen (161 MByte gegen 146 MByte) beim Lesen für die Zwei-Wege-Spiegelung von Storage Pools. Bei RAID 5 beziehungsweise Parität überzeugt die Softwarelösung beim Schreiben, bei den Schreiboperationen dagegen punktet die Hardware.
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Übertragungstrecke |
Storage Spaces |
Hardware-RAID |
|---|---|---|
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Einfach / RAID 0 (lesen) |
166,0 MByte/s |
464,8 MByte/s |
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Einfach / RAID 0 (schreiben) |
155,0 MByte/s |
429,9 MByte/s |
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Zwei-Wege-Spiegelung / RAID 1 (lesen) |
166,4 MByte/s |
110,1 MByte/s |
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Zwei-Wege-Spiegelung / RAID 1 (schreiben) |
148,9 MByte/s |
130,9 MByte/s |
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Parität / RAID 5 (lesen) |
338,4 MByte/s |
123,4 MByte/s |
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Parität / RAID 5 (schreiben) |
56,2 MByte/s |
65,9 MByte/s |
Ähnlich unterschiedlich wie beim CristalDiskMark zeigen sich die Ergebnisse beim Atto-Benchmark. Allerdings liegt der Speicherpool inklusive den Storage Spaces bei der Zwei-Wege-Spiegelung jetzt mit 166 MByte und 149 MByte gegenüber 110 MByte und 130 MByte deutlich weiter vorne.
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Übertragungstrecke |
Storage Spaces |
Hardware RAID |
|---|---|---|
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Einfach / RAID 0 (lesen) |
2,54 MByte/s |
2,34 MByte/s |
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Einfach / RAID 0 (schreiben) |
3,77 MByte/s |
0,81 MByte/s |
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Zwei-Wege-Spiegelung / RAID 1 (lesen) |
1,54 MByte/s |
1,46 MByte/s |
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Zwei-Wege-Spiegelung / RAID 1 (schreiben) |
1,02 MByte/s |
0,26 MByte |
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Parität / RAID 5 (lesen) |
2,32 MByte/s |
2,16 MByte/s |
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Parität / RAID 5 (schreiben) |
0,31 MByte/s |
0,33 MByte/s |
Der IOmeter simuliert praxisrelevante Szenarien. Dabei wird deutlich, dass Storage Pools beim Random-Zugriff mit 4-KByte-Blöcken gegenüber dem Hardware-RAID Boden gutmacht. Außer bei einem geringen Vorsprung von 0,02 MByte/s beim Schreiben unter RAID 0 verliert die Hardwarekonfiguration in den übrigen Disziplinen.
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Übertragungstrecke |
Storage Spaces |
Hardware RAID |
|---|---|---|
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Einfach / RAID 0 (lesen) |
651 IOPS |
599 IOPS |
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Einfach / RAID 0 (schreiben) |
966 IOPS |
209 IOPS |
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Zwei-Wege-Spiegelung / RAID 1 (lesen) |
395 IOPS |
374 IOPS |
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Zwei-Wege-Spiegelung / RAID 1 (schreiben) |
261 IOPS |
68 IOPS |
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Parität / RAID 5 (lesen) |
594 IOPS |
554 IOPS |
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Parität / RAID 5 (schreiben) |
79 IOPS |
85 IOPS |
Die schwache Datenübertragungsrate schlägt sich auch in den Ergebnissen der I/O-Transferleistung nieder. Hier muss sich das Hardware-RAID ebenfalls den Storage Pools geschlagen geben. Lediglich beim Schreiben unter RAID 5 kann die Hardware-Installation die Stärke voll ausspielen und übertrumpft die Softwarekonfiguration um zirka 8 Prozent.
Fazit
Die Technologie der Speicher-Pools von Microsoft überrascht den Anwender angenehm. Die Lösung ist sehr einfach und intuitiv zu bedienen und deshalb auch von Nicht-Experten zu verstehen. Damit sollten RAID-Konfigurationen in Zukunft ihren Schrecken verlieren.
In Bezug auf die Performance hinterlässt die Speicher-Pool-Technologie in unserem Test einen positiven Eindruck. So kann die Storage-Lösung gegenüber dem Hardware-RAID in einigen Benchmarks punkten. Allerdings zeigten sie auch einige Schwächen, zum Beispiel beim Streamen und sequenziellen Lesen und Schreiben unter der Einfach- (RAID 0) sowie beim Schreiben unter der Parität-Konfiguration (RAID 5).
Zusätzlich sollte man berücksichtigen, dass unser Test nur eine einfache RAID-Installation widerspiegelt. Im professionellen Umfeld kommen wesentlich leistungsfähige RAID-Controller mit Cache-Unterstützung zum Einsatz, sodass die Ergebnisse deutlich anders ausfallen könnten. Wir werden diese Tests so bald wie möglich mit einer Server-Hardware inklusive Cache-RAID-Controller und Windows-Server-2012-Installation nachreichen. (hal)
Dieser Artikel basiert auf einem Beitrag der CW-Schwesterpublikation TecChannel.