Performance und Bedarf entscheidend für Migration auf NVMe
Rechenzentren beginnen langsam mit der Ablösung traditioneller Storage-Protokolle durch NVMe, haben aber dabei vorläufig keine Eile, weil der Performance-Druck fehlt.
NVMe (Non-Volatile Memory Express) ist ein Speicherprotokoll, das besonders für Memory-basiertes Storage entwickelt wurde. Es ermöglicht Technologien wie Flash, ihr volles Potential zu realisieren. Da NVMe-Technologie die Infrastruktur verändert, dauert es wahrscheinlich Jahre, bis ein Rechenzentrum, in vollem Umfang davon profitiert. Aber jeder kleine Schritt vorwärts bedeutet für die Anwender Leistungsfortschritte.
NVMe ersetzt als neuer Industriestandard das SCSI-Storage-Protokoll. Es kann Tausende mehr Befehle gleichzeitig ausführen als SCSI und kann zudem tiefere Warteschlangen für diese Befehle aufbauen. Der primäre Vorteil von NVMe-Technologie liegt in reaktionsfähigerem Storage dank kürzerer Latenz. Zudem verwendet die Technologie PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) als primären Storage-Verbindungstechnologie.
Dank NVMe over Fabrics (NVMe-oF) ist NVMe als Laufwerks-Interconnect und als Netzwerkprotokoll verfügbar. Die Netzwerkversion befähigt Ethernet- und Fibre-Channel-Netzwerke, Daten mit denselben Geschwindigkeiten zu befördern wie bei lokal angebundenem Storage.
Der Weg der Rechenzentren in Richtung NVMe wird aus vielen Schritten bestehen, jeder Schritt geschieht aufgrund praktischer Notwendigkeiten und in der Geschwindigkeit, in der die NVMe-Technologie reift.
NVMe-basierte All-Flash-Arrays
Als ersten Übergangsschritt auf NVMe im Rechenzentrum setzen Anwender häufig All-Flash-Arrays ein. Bei ihnen sind die Laufwerke intern mit NVMe verbunden. Extern allerdings bleiben sie in diesem Stadium weitestgehend unverändert. Die Connectivity zum Storage-Network und dem Rest der Umgebung nutzt noch immer traditionelles Ethernet und/oder FC. Sogar hyperkonvergente Systeme mit serverbasierten NVMe-Drives verbinden ihre Knoten noch immer mit traditionellem Ethernet untereinander. Die gute Nachricht ist, dass sich ein NVMe-basiertes All-Flash-Array ohne Weiteres in die Storage-Infrastruktur integrieren lässt. Die negative, dass dieser Aufbau nicht alle Vorteile von NVMe-Technologie ausnutzt.
Was nutzt NVMe also im All-Flash-Array, wenn die Daten mit traditionellen Protokollen in das und aus dem System gebracht werden? Häufig wird das Storage-System zum Leistungsengpass, insbesondere in einer gemeinsam genutzten Storage-Umgebung. Ein All-Flash-Array hat ein eigenständiges Innenleben. Dazu gehört Storage-Software, die die System-CPU des Storage verwendet, um Daten zu empfangen, zu verarbeiten und zu speichern. Die Flash-Drives müssen Daten manipulieren, um sicherzustellen, dass sie korrekt und effizient gespeichert sind. Auch beim Suchen und Rücksenden der Daten an Anwender oder Applikationen verwendet die Software die CPUs.
Ein Netzwerk ermöglicht die Kommunikation zwischen Software, CPU und Storage. Für die Daten, die zu einem solchen System geschickt werden oder die es selber verschickt, gilt: Je schneller die Daten ein solches System durchqueren können, desto höher wird die Leistung insgesamt sein.
Bevor NVMe auftauchte, war das interne Netzwerk der meisten All-Flash-Arrays SAS (Serial Attached SCSI). Heute findet eine zügige Migration zu NVMe statt. SAS ist langsamer und muss mit den Ineffizienzen des SCSI-Protokolls leben. NVMe bedeutet schnellere Verbindungen und kann jederzeit mehr Daten handhaben, ist also effizienter.
NVMe-basiertes Scale-Out Storage
NVMe-oF befindet sich noch in seiner Frühphase. Es funktioniert zwar, ist aber noch wenig stabil und die Interoperabilität lässt zu wünschen übrig. Wegen dieser Instabilität besteht der erste Schritt zu einem NVMe-Datenzentrum häufig im Einsatz von All-Flash-Arrays mit internem NVMe-Storage. Außerhalb der Geräte bleiben die traditionellen Netzwerkverbindungen bestehen. NVMe funktioniert – die Hersteller müssen aber die Komponenten streng kontrollieren, um Probleme zu beseitigen. Der Bedarf nach kontrollierter Netzwerkbereitstellung macht NVMe-basiertes Scale-Out Storage zu einem idealen zweiten Schritt bei der NVMe-Migration.
Scale-Out Storage erzeugt einen Server-Cluster (Knoten), zu dem jeweils eigenes, internes Storage gehört. Die Scale-Out-Software fasst das Storage jedes der Knoten zu einem einzigen virtuellen Storage-Pool zusammen. Das Netzwerk, das die Knoten miteinander verbindet, ist typischerweise traditionelles Ethernet mit IP-Protokoll. Die Kommunikation zwischen den Knoten ist intensiv, je intensiver, desto mehr Knoten hinzukommen. NVMe-oF ist dafür besser geeignet als Ethernet, da es mehr leistet und eine geringere Verzögerung hat. Damit sollte das Gesamtsystem sich auf mehr Knoten skalieren lassen, und das bei besserer Leistung.
End-to-End-NVMe
Der nächste Veränderungsschritt in Richtung NVMe ist NVMe von als End-to-End-Konfiguration. Das Speichersystem und die Server, die damit verbunden sind, werden dabei sämtlich über NVMe angebunden. Dieses Design sollte die Leistung von gemeinsam genutztem Storage in Richtung derer von In-Server-Storage steigern. Die beiden wichtigsten Switch-Anbieter Cisco und Brocade haben inzwischen ihre Switches NVMe-fähig gemacht. Es sind diverse Host Bus Adapter für NVMe verfügbar.
Allerdings wird End-to-End-NVMe durch einige Herausforderungen behindert:
- Interoperabilität: Bis jede Netzwerkkarte mit jeder anderen Netzwerkkarte und jedem Switch zusammenarbeiten kann, werden sich nur wenige für diese Technologie entscheiden.
- Lange Investitionszyklen bei Infrastruktur: Switches und HBAs, die NVMe nicht unterstützen, müssen zuerst das Ende ihrer Lebensdauer erreichen. Das kann Jahre dauern.
- Der Bedarf für eine breite Implementierung ist noch nicht vorhanden: Heute sind die meisten Netze (ohne NVMe) und der Storage (mit oder ohne NVMe) schneller als notwendig.
Einstieg in die Technologie
Den wenigen Rechenzentren, die ihre aktuellen All-Flash-Arrays und Netze stark strapazieren, kann es helfen, sofort auf NVMe zu migrieren. Aber sie sollten gleichzeitig auch über ein Upgrade ihres Netzwerks nachdenken. Es gibt diverse Spezialisten für NVMe-All-Flash, die entweder ein gebrauchsfertiges End-to-End-Produkt anbieten können oder entsprechende Kundenwünsche über Partnerschaften realisieren.
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