Fachartikel

Leistungsfähige Controller-Architekturen beim Storage

Bei der Implementierung von Speichersystemen für große Datenmengen und geschäftskritische Anwendungen spielt die Zuverlässigkeit des Systems eine wesentliche Rolle. Die Wahl des richtigen Controllers und der richtigen Controller-Architektur für ein Speicher-Array ist entscheidend. Unterschieden wird zwischen zwei Architekturen: Aktiv/Aktiv-Arrays und Aktiv/Standby-Arrays. Angesichts von Herausforderungen wie Datenintegrität, Performance und kurzen Failover-Zeiten verfolgen führende Hersteller unterschiedliche Ansätze. Hier erfahren Sie, welche das sind.
In modernen Storage-Umgebungen sind zwei grundlegenden Speicher-Array-Architekturen zu unterscheiden.
Moderne Speicher-Arrays verfügen in der Regel über zwei Controller beziehungsweise Knoten, die E/A-Anforderungen der Anwendungen verarbeiten. Eine weitere Aufgabe von Controllern besteht darin, Daten sicher zu speichern und zu schützen. Controller sind je nach Konfiguration einzeln oder als redundantes Paar einsetzbar oder können auch die Funktion einzelner Knoten übernehmen (als Teil eines Clusters mit horizontaler Skalierung). Zwar werden "Controller" und "Knoten" meist synonym verwendet, doch bezeichnet Knoten eigentlich einen einzelnen Controller, der Teil eines größeren Clusters mit horizontaler Skalierung bildet, jedoch keine Redundanz bietet.

Es sind zwei grundlegenden Speicher-Array-Architekturen zu unterscheiden, die wiederum in unterschiedlichen Variationen angeboten werden:

  • Aktiv/Aktiv-Arrays: E/A-Anforderungen werden von beiden Controllern aktiv verarbeitet.
  • Aktiv/Standby-Arrays: Der aktive Controller übernimmt die Verarbeitung der E/A-Anforderungen, während der Standby-Controller für Anforderungen zur Spiegelung von Daten im Schreibcache zuständig ist. Zugleich kann der Standby-Controller aber auch jederzeit die Funktion des primären Controllers und damit die Verarbeitung aller E/A-Anforderungen übernehmen.
Aktiv/Aktiv-Arrays
Viele Hersteller verwenden in ihren Speicher-Arrays zwei aktive Controller, meist in einem Aktiv/Aktiv/Asymmetrisch-Modell (A/A/A). Der Begriff "asymmetrisch" bezieht sich darauf, dass nicht alle Pfade über einen Zielport zu einem Volume oder einer LUN (Logical Unit Number) die gleichen Zugriffsmerkmale aufweisen. Es gibt kürzere Pfade (direkter Pfad zum Controller, der der LUN zugewiesen ist) und längere Pfade (indirekter Pfad über einen Controller, der nicht der LUN zugewiesen ist).

In einem Aktiv/Aktiv/Asymmetrisch-Modell sind in der Regel zwei Controller beziehungsweise Knoten mit folgenden Eigenschaften vorhanden:

  • Jeder Controller ist einem bestimmten Teil der gesamten LUNs oder auch Festplatten zugewiesen.
  • Beide Controller stellen Dienste für die Datenverarbeitung bereit, jedoch nur für E/A-Anforderungen für die LUNs, denen sie zugewiesen sind.
  • Bei einem Ausfall eines Controllers übernimmt der andere Controller dessen Aufgaben und verarbeitet E/A-Anforderungen sowohl für seine eigenen LUNs als auch für die LUNs des ausgefallenen Controllers.
Mit zwei aktiven Controllern lässt sich somit eine doppelt so hohe Leistung bei der Verarbeitung von Anforderungen erzielen – theoretisch zumindest. In der Praxis verhält es sich jedoch ganz anders, denn hier können Failover-Ereignisse unter Umständen schwerwiegende Folgen für die Anwendungen haben:

  • In der Regel bieten A/A/A-Arrays keine Möglichkeit, die Verarbeitungsleistung eines Controllers auf weniger als 50 Prozent zu beschränken oder zumindest die verfügbaren Controller-Kapazitäten zu überwachen.
  • Zwar kann ein Administrator LUNs gleichmäßig auf die vorhandenen Controller verteilen, doch ist dies nicht gleichbedeutend mit einem E/A-Lastenausgleich der Controller. In den meisten Fällen sind daher die E/A-Lasten auf diesen Arrays nicht gleichmäßig verteilt.
  • Das Aktiv/Aktiv-Modell entwickelte sich Mitte bis Ende der 1990er-Jahre und zielte vor allem auf eine höhere Leistung ab. Damals verfügten Controller noch über eine eher geringe Leistung – CPUs und Arbeitsspeicher waren kostspielig, Multi-Core-Systeme gab es noch nicht, und niedrige Latenzzeiten konnten allenfalls in der Backplane erzielt werden.
  • Damit ein A/A/A-System auch während eines Failovers eine gleichbleibend hohe Leistung bieten kann, kommt es darauf an, dass die einzelnen Controller weniger als 50 Prozent der Ressourcen nutzen. Somit ist der Umfang der nutzbaren Systemressourcen bei einem Aktiv/Aktiv/Asymmetrisch-System und einem Aktiv/Standby-System quasi identisch.
  • Darüber hinaus wird bei manchen A/A/A-Controller-Arrays in Failover-Szenarien der Schreibcache deaktiviert und stattdessen der Durchschreibcache verwendet. Dies hat zur Folge, dass Ein- und Ausgaben nicht gepuffert, sondern direkt von den Medien bestätigt werden, was weitere Verzögerungen und Latenzen verursacht.
  • Schließlich handelt es sich bei Softwareupgrades um geplante Ereignisse, die in der Regel während des Wochenendes oder in den frühen Morgenstunden durchgeführt werden, wenn es wenig E/A-Aktivität gibt. Damit soll eine Beeinträchtigung der Systemleistung vermieden werden.
Das Aktiv/Aktiv/Asymmetrisch-Modell im Überblick:
  1. Das A/A/A-Modell ist technisch ausgereift und bietet theoretisch eine doppelt so hohe Verarbeitungsleistung, ist jedoch mit entsprechender Komplexität bei der Implementierung verbunden.
  2. Beide Controller sind aktiv; da es keinen E/A-Lastenausgleich gibt, kann es schnell zu einer Überlastung eines Controllers kommen.
  3. Bei einem Failover wird die Leistung beeinträchtigt, sofern die Auslastung der einzelnen Controller nicht auf weniger als 50 Prozente beschränkt wird.
  4. Die Failover-Geschwindigkeit hängt von der Last des ausgefallenen Controllers sowie von der eigenen Last des funktionierenden Controllers und den verfügbaren Ressourcen ab. Ebenfalls eine Rolle spielen Timeouts der SCSI-Komponenten und externen Hardwarekomponenten wie Switches.
  5. Da es nicht möglich ist, die Last der einzelnen Controller zu steuern, kann es vorkommen, dass die Verbindung zum Host unterbrochen wird oder E/A-Fehler auftreten, wenn bei einem Failover Timeouts der SCSI- und HBA-Treiber überschritten wurden.
  6. Die effektive Größe des Schreibcaches fällt geringer aus: Bei A/A/A-Arrays wird der Schreibcache/NVRAM in zwei gleich große Speicherbänke aufgeteilt, in denen jeweils der gespiegelte Schreibcache des anderen Controllers gespeichert wird.
  7. Bei einem Failover kann es bei manchen Arrays vorkommen, dass die E/A-Leistung und Latenzzeit nicht nur durch die eigene Last des funktionierenden Controllers und die aktuelle Ressourcenauslastung beeinträchtigt werden, sondern auch durch Vorgänge des Durchschreibcaches.
  8. Um Leistungseinbußen weitestgehend zu vermeiden, werden Softwareupgrades außerhalb der Geschäftszeiten durchgeführt.
Während in herkömmlichen Speicher-Array-Architekturen vorwiegend das Aktiv/Aktiv-Modell (genau genommen das A/A/A-Modell) verwendet wird, setzen Speicherarchitekturen der neuen Generation – vor allem Systeme, die in den letzten fünf Jahren auf den Markt kamen – auf das Aktiv/Standby-Modell.

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20.07.2016/ln/Nick Triantos, Storage Architect bei Nimble Storage

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