Leistung von QNAP-Speicherlösungen – Best-Practice-Anleitung :: Speicher ::NAS :: QNAP

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Leistung von QNAP-Speicherlösungen – Best-Practice-Anleitung

Diese Best-Practice-Anleitung bietet allgemeine Empfehlungen zur Konfiguration von QNAPs NAS-Speichersystemen zur Erzielung optimaler Leistung.

Zweck:

Diese Best-Practice-Anleitung richtet sich an QNAP-Nutzer, Partner sowie Kunden, die über den Einsatz von QNAPs NAS-Systemen nachdenken. Sie enthält Empfehlungen, wie Sie QNAP-Speicherlösungen je nach individueller Beanspruchung zur Erzielung optimaler Leistung konfigurieren sollten.

So erzielen Sie bestmögliche Speicherleistung:

Nachfolgend werden spezifische Konfigurationsempfehlungen vorgestellt, die bei einem QNAP-Speichersystem für solide Leistung sorgen.

  1. Wählen Sie ein geeignetes QNAP NAS-Speichersystem der Unternehmensklasse. Fortschrittlichere Unternehmensplattformen verfügen über schnellere Prozessoren, mehr Arbeitsspeicher und bessere IO-Spezifikationen. Mehr erfahren
  2. Schöpfen Sie den Systemarbeitsspeicher des Speichersystems aus.  Mehr erfahren
  3. Verwenden Sie mSATA- und SSD-Laufwerke für Lese/Schreib-Cache unter QTS 4.2.0, nutzen Sie 2 oder 4 SSDs und erstellen Sie ein RAID 1 oder 10 als Cache-Pool. Siehe Abb. 1 und Abb. 2
  4. Wählen Sie die richtige Konfiguration für RAID und Volume.
    • Erstellen Sie einen RAID 10-Speicherpool. Erklärungen finden Sie im Anhang.
    • Nutzen Sie für optimale Leistung „Statisches Volume“ oder im Speicherpool „Thick-Volume“.
      • P.S.: Die „Thin-Volume“-Option bietet bessere Flexibilität, kann jedoch die Speicherleistung bei empfindlichen Applikationen beeinträchtigen. Beachten Sie das Beispiel in Abb. 4 und die Erklärungen im Anhang.
Abb. 1 SSD-Lese/Schreib-Cache
QNAP

Abb. 2 SSD-Cache-Pool
QNAP

* Ein Beispiel, wie innerhalb eines QNAP NAS auf einen SSD-Cache-Pool zugegriffen wird.


So wählen Sie Ihr Speichermedium:

Wesentliche Richtlinien bei der Auswahl des richtigen Mediums für Ihren QNAP NAS-Speicher. Stimmen Sie den Laufwerkstyp entsprechend der erwarteten Beanspruchung innerhalb Ihrer Umgebung ab.

Merkmale Traditionelle Festplatten SAS-Festplatten SSD-Laufwerke
Kosten Niedrig Mittel Hoch
Leistung Niedrig Mittel Hoch
Kapazität Hoch Mittel Niedrig

Die am häufigsten gemessenen Leistungseigenschaften sind sequenzielle und zufällige Operationen. Wir messen Datenträgerleistung in IOPS und Input/Output je Sekunde. Eine Leseanfrage oder eine Schreibanfrage = 1 IOPS. Jeder Datenträger in Ihrem Speichersystem kann eine bestimmte Anzahl IOPS basierend auf Rotationsgeschwindigkeit, durchschnittlicher Latenz und durchschnittlicher Suchzeit bereitstellen.

Allgemeine Datenträger-IOPS-Eigenschaften

Gerät Typ IOPS Schnittstelle
5400-U/min-Laufwerke Festplatte ~75-100 IOPS SATA III
7200-U/min-Laufwerke Festplatte ~125-150 IOPS SATA III
10.000-U/min-Laufwerke Festplatte ~140 IOPS SAS
15.000-U/min-Laufwerke Festplatte ~175-210 IOPS SAS
SSD-Laufwerke SSD ~40K-100K+ IOPS*  SATA III

* Leistung ist von SSD-Controller-Chip und Flash-Zelle abhängig

Bei Durchführung einer grundlegenden RAW-IOPS-Berechnung bei 4 Festplatten mit 7.200 U/min können wir von insgesamt 500 RAW-IOPS ausgehen. Dazu haben wir die Gesamtanzahl Laufwerke mit der Anzahl RAW-IOPS je Laufwerk multipliziert (4 Festplatten x 125 IOPS = 500 IOPS).

Zufälliger Zugriff:

Zufälliger Zugriff bedeuten, dass Sie jeden Teil der Datei in einer beliebigen Reihenfolge beziehen können. Sie können beispielsweise vor Beginn den mittleren Teil lesen.

Beanspruchungsmuster, die primär zufällige Zugriffe sind.

  • Gleichzeitiger Zugriff mehrerer Clients
  • Datenbankapplikation
  • VM-Zugriff in einer Hypervisor-Umgebung
  • IP-SAN mit Hilfe blockbasierter Daten

Sequenzieller Zugriff:

Sequenziell bedeutet, dass Sie zunächst den ersten Teil der Datei lesen müssen, bevor Sie den zweiten lesen können usw.

Beanspruchungsmuster, die primär sequenzielle Zugriffe sind.

  • Videobearbeitung (direkte Bearbeitung mit Hilfe von Videobearbeitungssoftware von einer einzelnen Workstation)
  • Videoaufnahme (einzelner Client, z. B. von einer IP-Kamera oder einem Videorekorder)
  • Videostreaming (Videoanzeige vom NAS)
  • Übertragung großer Dateien
  • Datensicherungsaufgabe

Zufälliger vs. sequenzieller Zugriff:

Der Suchvorgang, der erfolgt, wenn sich der Festplattenkopf zum Zugreifen auf die angefragten Daten am rechten Festplattenzylinder positioniert, erfordert mehr Zeit als jeder andere Teil des I/O-Prozesses.

Aufgrund der Natur mechanischer Laufwerke funktioniert das sequenzielle Lesen/Schreiben von Daten wesentlich schneller als das zufällige Lesen/Schreiben; dies liegt an der Art und Weise, wie die Hardware arbeitet. Sequenzielle I/O an mechanischen Laufwerken können generell bei einem höheren Durchsatz bedient werden, da der Festplattenkopf weniger Suchvorgänge durchführt; gleichzeitig können während einer einzigen Plattendrehung größere Datensegmente gelesen/geschrieben werden.

Zufälliger Zugriff involviert eine höhere Anzahl Suchvorgänge, was bedeutet, dass zufälliges Lesen und insbesondere zufälliges Schreiben einen geringeren Durchsatz und weniger IOPS liefert. Während zufälliger I/O verursachen die Position des Festplattenkopfs, die Rotationsverzögerung beim Suchen und die Suchdauer erhebliche Leistungseinbußen.

Abb. 3
QNAP

Beispiel
Bei auf mechanischen Laufwerken basierenden Systemen, bei denen jede Datenträgersuche etwa 10 ms dauern, erfordert das sequenzielle Schreiben von Daten auf denselben Datenträger etwa 30 ms pro MB. Falls Sie also 100 MB Daten sequenziell auf einen Datenträger schreiben, dauert dies ca. 3 Sekunden. 100 zufälligen Schreibvorgängen je 1 MB benötigen hingegen insgesamt 4 Sekunden (3 Sekunden für den tatsächlichen Schreibvorgang und 10 ms * 100 = 1 Sekunde für sämtliche Suchvorgänge).

Warum Flash- (SSD-) Lese/Schreib-Caching zufällige IOPS verbessert

Da Flash-Laufwerke keinen physikalischen beweglichen Festplattenkopf haben, gibt es keine Einbußen in Form der 10 ms andauernden Suchvorgänge eines mechanischen Datenträgers.

QNAPs SSD-Lese/Schreib-Caching-Funktion unterstützt die Leistung zufälliger IOPS durch Neuanordnung (reduziert Scheibzugriffe) von Blockadressen im Cache zur Verringerung der Last von Backend-Datenträgern.

Auswirkung Cache-Größe; je größer, desto besser (zur Erstellung von mehr Möglichkeiten bei der Neuanordnung), aber aus Kostengründen praktisch begrenzt, da Schreib-Caches weit teurer sind als Backend-Datenträger.

RAID-Eigenschaften

QNAP NAS-Speicher unterstützt verschiedene RAID-Level; jedes RAID-Level hat verschiedene Kapazitäts- und Leistungsmetriken. Machen Sie sich vor Einsatz Ihres Speichersystems bewusst, welche Art von Beanspruchung Sie von Ihrem Speichersystem erwarten.

Wenn Sie herausfinden möchten, welcher RAID-Typ beim Aufbau einer Speicherlösung zu bevorzugen ist, hängt dies im Allgemeinen von zwei Dingen ab: Kapazität und Leistung.

RAID-Typ Minimale Anzahl Laufwerke Fehlertoleranz Kapazität Zufälliges Lesen Zufälliges Schreiben Sequenzielles Lesen Sequenzielles Schreiben
RAID 0 2 Ohne 100% Hoch Hoch Hoch Hoch
RAID 1 2 1 Datenträgerfehler 50% Hoch Niedrig Hoch Gut
RAID 5 3 1 Datenträgerfehler N – 1 Hoch Niedrig Hoch Gut
RAID 6 4 2 Datenträgerfehler N – 2 Hoch Niedrig Hoch Gut
RAID 10 4 1 Datenträgerfehler je Sub-RAID 50% Hoch Gut Hoch Gut

RAID 10:
Ideal bei transaktionslastigen Arbeiten mit vielen zufälligen Schreibvorgängen (mehr als 30 %).

RAID 5:
Eignet sich bei sequenziellen Arbeitslasten, die mittlere Leistung erfordern und allgemeinen Zwecken dienen. Üblicherweise wird RAID 5 verwendet, da es eine ökonomischere Wahl ist – mit nur einem Laufwerk für Parität. Bei leistungshungrigen Applikationen ist RAID 5 nicht die beste Wahl.

RAID 6:
Eignet sich bei auf Lesezugriffe fokussierten Arbeitslasten, wie Archivierung und Sicherung, ist aber nicht die beste Wahl bei leistungshungrigen Applikationen, eignet sich insbesondere nicht für eine Umgebung mit vielen zufälligen Schreibzugriffen.


Fallbeispiel 1: Ihr Beanspruchungsmuster identifizieren

Die Aufteilung von VMs mit verschiedenen IOPS-Mustern in mehrere Speicherpools mit verschiedenen RAID-Eigenschaften führt zu erheblicher Leistungssteigerung und Verringerung von I/O-Engpässen.

Angenommene verwendete Ausrüstung:
TS-EC1680U-RP
https://www.qnap.com/i/de/product/model.php?II=126
16 x 6-TB-SATA-Festplatten

Ein Kunde hat eine IT-Umgebung mit zwei Vmware ESXi 6.0-Hostservern, es ist ein Cluster; er muss 20 VMs über das QNAP NAS als Speicher-Backend ausführen. Der Kunde prüfte und nahm Inventur all seiner VMs auf, entdeckte folgendes Beanspruchungsmuster in seiner Umgebung.

1 VM --> MSSQL-Datenbankserver mit hoher Last (30 % + zufällige I/O).  
3 VM --> Applikationsserver mit hoher Last (30 % + zufällige I/O).
1 VM --> vCenter-Services mit geringer Last (primär sequenzielle I/O).
1 VM --> Domaincontroller mit geringer Last (primär sequenzielle I/O).
1 VM --> Sicherungsserver mit geringer Last (primär sequenzielle I/O).
2 VM --> DNS-Services mit geringer Last (primär sequenzielle I/O).
2 VM --> Webserver mit mittlerer Last (15 % + zufällige I/O).
5 VM --> Allgemeine virtuelle Nutzer-Desktops.
4 VMs --> interne Entwicklungsserver.

Empfohlene Konfiguration:

  • Erstellen Sie einen RAID 10-Speicherpool mit statischem Volume unter Einsatz von 8 oder mehr Festplatten.
  • Platzieren Sie die 4 VMs mit hoher Last (30 % zufällige I/O) im hochleistungsfähigen RAID 10.
  • Erstellen Sie einen RAID 6-Speicherpool 2 mit Thick- oder statischem Volume unter Einsatz von 4 oder mehr Festplatten.
  • Platzieren Sie die 5 VMs mit geringer Last (primär sequenzielle I/O) in diesem RAID 6.
  • Erstellen Sie einen RAID 6-Speicherpool 3 mit Thick- oder statischem Volume unter Einsatz von 4 oder mehr Festplatten.
  • Platzieren Sie die restlichen VMs, Webserver, virtuellen Nutzer-Desktops und internen Entwicklungsserver in diesem RAID 6.

Alternative Konfiguration:

  • Erstellen Sie einen RAID 10-Speicherpool 1 mit statischem Volume unter Einsatz von 4 oder mehr SSDs.
  • Platzieren Sie alle VMs mit hoher Last und mittlerer Last auf SSD-Laufwerken.
  • Erstellen Sie einen RAID 6-Speicherpool 2 mit Thick- oder statischem Volume unter Einsatz von 8 oder mehr Festplatten.
  • Platzieren Sie die restlichen VMs (primär sequenzielle I/O) in diesem RAID 6.

* Dies gilt für VMware, Hyper-V, XenServer und andere Hypervisors.

Fallbeispiel 2: Höchstmögliche IOPS-Leistung

Verwenden Sie zur Erzielung bester Ergebnisse hochleistungsfähige SSDs.

Angenommene verwendete Ausrüstung:
TS-EC1680U-RP
https://www.qnap.com/i/de/product/model.php?II=126
16 x 1-TB-SATA-SSDs

Das Hauptanliegen des Kunden ist die Erzielung höchstmöglicher Speicherleistung; Speicherkapazität ist kein oberstes Anliegen.

  • Erstellen Sie einen RAID 10-Speicherpool 1 mit statischem Volume unter Einsatz aller verfügbaren SSDs. Da SSD-Laufwerke keine beweglichen mechanischen Komponenten besitzen, kann eine sehr hohe Anzahl sequenzieller und zufälliger IOPS erzielt werden.

Fallbeispiel 3: Dateizugriff durch mehrere Clients

Mehrere gleichzeitige Lese-/Schreibzugriffe auf den Speicher bedeuten mehr zufällige IOPS.

Ein Kunde hat eine grafische Renderfarm mit etwa 50 Knoten. Alle 50 Knoten lesen gleichzeitig die Quellmedienbibliothek vom Speicher, rendern die Daten und schreiben das Ergebnis zur weiteren Verarbeitung dann wieder in den Speicher. Da alle 50 Knoten das Medium zunächst lesen und das Ergebnis dann gleichzeitig zurück in den Speicher schreiben, sorgt dies für eine wesentliche Engstelle zufälliger IOPS bei Verwendung mechanischer Laufwerke. Da beim grafischen Rendering sowohl hohe Leistung als auch große Speicherkapazität erforderlich sind, können wir den QNAP NAS-Speicher wie folgt optimieren.

 

Empfohlene Konfiguration:

Angenommene verwendete Ausrüstung:
2 x TS-EC1680U-RP
https://www.qnap.com/i/de/product/model.php?II=126
16 x 6-TB-SATA-Festplatten

  • Erstellen Sie einen RAID 10-Speicherpool 1 mit Thick- oder statischem Volume unter Einsatz von 10 oder mehr Laufwerken.
  • Schreiben Sie alle Ergebnisse in diesen Speicherpool, damit Sie von den RAID 10-Eigenschaften profitieren können.
  • Erstellen Sie einen RAID 5- oder 6-Speicherpool 2 mit Thick- oder statischem Volume unter Einsatz von 10 oder mehr Laufwerken.
  • Lesen Sie alle Daten aus diesem Speicherpool.

Alternative Konfiguration:

  • Pflegen Sie ein QNAP NAS 1 mit allen SSD-Laufwerken ein und erstellen Sie einen einzigen großen Speicherpool 1.
  • Schreiben Sie alle Ergebnisse auf dieses NAS; aufgrund der Natur gleichzeitiger Schreibzugriffe sollten die Ergebnisse als zufällige IOPS gewertet werden.
  • Pflegen Sie ein zweites QNAP NAS 2 mit allen mechanischen Laufwerken ein und erstellen Sie einen großen Speicherpool 1.
  • Lesen Sie alle Daten von diesem NAS.

 

Anhang:

QNAP NAS Appliance nutzt erweiterte Speicherpooltechnologie, die Nutzern sowohl Flexibilität als auch Leistung bereitstellt.

Abb. 4 Speicherpool
QNAP

Speicherpool mit LVM
Sie können QNAPs flexibles Volume-Management zur besseren Verwaltung Ihrer Speicherkapazität nutzen. Der Speicherpool aggregiert Festplatten in einem größeren Speicherplatz; und mit der Fähigkeit zur Unterstützung mehrerer RAID-Gruppen kann der Speicherpool besseren redundanten Schutz bieten und die Gefahr eines Datenabsturzes reduzieren.

Sobald ein Speicherpool erstellt wurde, können Sie oberhalb des Pools zwischen drei verschiedenen Methoden zur Erstellung Ihres Volume wählen. Welche Art von Volume Sie erstellen sollten, hängt davon ab, ob Sie Flexibilität oder Leistung wünschen.

Statisches Volume:
Das statische Volume nimmt den gesamten verfügbaren Speicherplatz innerhalb des Speicherpools ein; es weist Speicherplatz vorab für optimalen Lese-/Schreibzugriff zu und bereitet ihn vor. Da das statische Volume den gesamten Speicherpool-Speicherplatz einnimmt, können Sie nicht mehrere Volumes innerhalb desselben Pools erstellen.

Thick-Volume:
Thick-Volume bietet eine Kombination von Speicherflexibilität und Leistung; Sie können wählen, wie viel Speicherplatz einem Thick-Volume aus dem Speicherpool zugewiesen werden soll. Das bedeutet, dass Sie mehrere Thick- oder Thin-Volumes innerhalb desselben Speicherpools erstellen können. Sobald die gewünschte Thick-Volume-Größe gewählt wurde, wird der Speicherplatz für Lese-/Schreibzugriff vorab zugewiesen und vorbereitet.

Thin-Volume:
Thin-Provisioning ermöglicht die flexiblere Nutzung von Speicherplatz. Thin-Volume nutzt während der Volume-Erstellung nicht wirklich den physikalischen Speicherplatz; der physikalische Speicherplatz wird nur während der Schreibzuweisung verwendet. Das bedeutet, dass Sie eine Thin-Volume-Größe zuweisen können, die größer ist als Ihre physikalische Speichergröße. Sie können mehrere Thin-Volumes innerhalb desselben Speicherpools erstellen. Aufgrund der Thin-Volume-Speicherflexibilität treten während der Arbeitslast Leistungseinbußen auf.

mSATA- und SSD-Lese/Schreib-Cache-Beschleunigung:
Solid-State-Drive- (SSD) Cache-Technologie basiert auf Caches, die I/O von Datenträgern lesen. Wenn die Applikationen des Turbo NAS auf die Festplatte(n) zugreifen, werden die Daten auf der SSD gespeichert. Sobald von den Applikationen erneut auf dieselben Daten zugegriffen wird, werden sie vom SSD-Cache gelesen/geschrieben anstatt von der/den Festplatte(n). Die häufig abgerufenen Daten werden im SSD-Cache gespeichert. Auf die Festplatte(n) wird nur zugegriffen, wenn die Daten auf der SSD nicht gefunden werden konnten.


Traditionelle Datenzugriffsmethode
QNAP

SSD-Cache-Datenzugriffsmethode
QNAP

Referenz:
https://en.wikipedia.org/wiki/Random_access
https://en.wikipedia.org/wiki/Sequential_access
https://en.wikipedia.org/wiki/IOPS

2017/02/17
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