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RAID-Controller Performance 2016 - sp.ts. · PDF fileWhite Paper RAID-Controller Performance...

Date post: 06-Mar-2018
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White Paper RAID-Controller Performance 2016 http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/ Seite 1 (50) White Paper Fujitsu Server PRIMERGY & PRIMEQUEST RAID-Controller Performance 2016 Diese technische Dokumentation richtet sich an Personen, die sich mit der Disk-I/O- Performance von Fujitsu PRIMERGY und PRIMEQUEST Servern beschäftigen. Das Dokument soll helfen, aus dem Performance-Blickwinkel die Möglichkeiten und Anwendungsgebiete der verschiedenen RAID-Controller für interne Disk-Subsysteme kennenzulernen. Abhängig von den Anforderungen an Datensicherheit und Performance sowie geplanter oder vorhandener Server-Konfiguration ergeben sich Empfehlungen für die Auswahl und Parametrisierung der Controller. Betrachtet werden Controller der aktuellen Generation, die im Jahre 2016 für PRIMERGY und PRIMEQUEST Systeme verfügbar sind. Version 1.0d 2016-08-29
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White Paper RAID-Controller Performance 2016

http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/ Seite 1 (50)

White Paper Fujitsu Server PRIMERGY & PRIMEQUEST RAID-Controller Performance 2016

Diese technische Dokumentation richtet sich an Personen, die sich mit der Disk-I/O-Performance von Fujitsu PRIMERGY und PRIMEQUEST Servern beschäftigen. Das Dokument soll helfen, aus dem Performance-Blickwinkel die Möglichkeiten und Anwendungsgebiete der verschiedenen RAID-Controller für interne Disk-Subsysteme kennenzulernen. Abhängig von den Anforderungen an Datensicherheit und Performance sowie geplanter oder vorhandener Server-Konfiguration ergeben sich Empfehlungen für die Auswahl und Parametrisierung der Controller. Betrachtet werden Controller der aktuellen Generation, die im Jahre 2016 für PRIMERGY und PRIMEQUEST Systeme verfügbar sind.

Version

1.0d

2016-08-29

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White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

Seite 2 (50) http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/

Inhalt

Dokumenthistorie

Version 1.0 (2016-03-07)

Erstausgabe

Version 1.0a (2016-03-23)

Kleinere Korrekturen

Version 1.0b (2016-03-24)

Kleinere Korrekturen

Version 1.0c (2016-05-20)

Kleinere Korrekturen

Version 1.0d (2016-08-29)

Kleinere Korrekturen

Dokumenthistorie ................................................................................................................................................ 2

Einführung .......................................................................................................................................................... 3

RAID-Controller für PRIMERGY und PRIMEQUEST: Grundlagen .................................................................... 4

Vorstellung der RAID-Controller ..................................................................................................................... 4

Controller-Schnittstellen und ihre Durchsatzgrenzen ..................................................................................... 6

Sicherung des Controller-Caches gegen Stromausfall ................................................................................... 9

FastPath ........................................................................................................................................................ 10

Performance-relevante Cache-Einstellungen ............................................................................................... 10

Sonstige Einstellungen.................................................................................................................................. 13

Besonderheiten der Onboard-Controller ....................................................................................................... 15

Messumfeld ...................................................................................................................................................... 16

Messverfahren .............................................................................................................................................. 16

Messumgebung ............................................................................................................................................. 17

Controller-Vergleich .......................................................................................................................................... 19

RAID 1 (zwei SATA-Festplatten) .................................................................................................................. 20

RAID 0 und 10 (vier SATA-Festplatten) ........................................................................................................ 22

RAID 0, 10 und 5 (acht SAS-Festplatten) ..................................................................................................... 28

RAID 0, 10 und 5 (mehr als acht SAS-SSDs) ............................................................................................... 41

Einfluss der Controller-Cache-Größe ............................................................................................................ 47

Geringere Lastniveaus .................................................................................................................................. 48

Fazit .................................................................................................................................................................. 49

Literatur ............................................................................................................................................................. 50

Kontakt .............................................................................................................................................................. 50

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White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

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Einführung

Festplatten sind sowohl besonders sicherheitsrelevante als auch Performance-kritische Komponenten im Server-Umfeld. Daher ist es wichtig, durch eine intelligente Organisierung dieser Komponenten deren Performance so zu bündeln, dass sie nicht zum Engpass im System werden, und gleichzeitig gegen den Ausfall einer Einzelkomponente gefeit zu sein. Hierfür gibt es Methoden, mehrere Festplatten in einem logischen Laufwerk derart zu arrangieren, dass der Ausfall einer Festplatte verkraftet werden kann. Man nennt dies „Redundant Array of Independent Disks“ oder kurz RAID. Typischerweise werden dafür spezielle RAID-Controller verwendet.

Die verschiedenen PRIMERGY und PRIMEQUEST Server sind in unterschiedlichen internen Ausbauvarianten mit verschiedenen RAID-Controller- und Festplattenkonfigurationen verfügbar. Das für alle Server der PRIMERGY und PRIMEQUEST Familie einheitlich angebotene „Modular RAID“-Konzept besteht aus einer modularen Controller-Familie und einem einheitlichen Management durch die Fujitsu Software „ServerView RAID Manager“. Das umfangreiche Angebot der RAID-Lösungen ermöglicht dem Anwender, den passenden Controller für sein Anwendungsszenario zu wählen. Dabei wird die Leistungsfähigkeit des Disk-Subsystems durch den Controller, die Auswahl der Festplatten und die Eigenschaften des RAID-Levels bestimmt.

Um alle diese Aspekte des „Modular RAID“ hinsichtlich ihrer Performance zu beleuchten, sind im Rahmen der PRIMERGY & PRIMEQUEST White Paper Reihe verschiedene Dokumente entstanden:

Zur umfassenden Einführung in die Thematik der Disk-I/O-Performance sei das White Paper „Grundlagen Disk-I/O-Performance“ empfohlen.

Das vorliegende Dokument „RAID-Controller-Performance 2016“ behandelt alle für PRIMERGY und PRIMEQUEST angebotenen RAID-Controller der aktuellen Generation und deren Performance.

Das Vorgängerdokument „RAID-Controller-Performance 2013“ behandelt die RAID-Controller der damaligen Generation und deren Performance.

Bei der Dimensionierung von internen Disk-Subsystemen für PRIMERGY und PRIMEQUEST Server kann man so vorgehen, dass man sich einen geeigneten Festplattentyp auswählt und die benötigte Festplattenanzahl für den gewünschten RAID-Level nach Faustformeln abschätzt. Der RAID-Controller ergibt sich dann von selbst durch Anzahl und Technologie der anzuschließenden Festplatten sowie durch den gewünschten RAID-Level. Das kann jahrelang ausreichend sein, um ein Disk-Subsystem treffsicher zu dimensionieren.

In Laufe der Zeit schreitet jedoch die Technologie bei den Speichermedien (beispielsweise Solid State Drives, kurz SSDs) oder bei den internen Schnittstellen des Servers fort, und das neue Disk-Subsystem genügt nicht mehr den gestiegenen Ansprüchen. Oder, in einer produktiven Server-Konfiguration ändert sich das Anwendungsszenario und die erzielte Disk-I/O-Performance ist trotz ausreichender Festplattenanzahl nicht wie erhofft. In diesen beiden Fällen kann es lohnend sein, sich etwas genauer mit dem Performance-Einfluss des RAID-Controllers zu beschäftigen. Manchmal ist der richtige Controller, oder auch einfach der richtig konfigurierte Controller, die Voraussetzung für bestmögliche Performance.

Damit ist das Ziel des vorliegenden Dokumentes umrissen. Zuerst wird ein Überblick über die für PRIMERGY und PRIMEQUEST Systeme zur Verfügung stehenden aktuellen internen RAID-Controller gegeben. Die Durchsatzgrenzen der beteiligten Controller-Schnittstellen werden dann unter Performance-Aspekten vorgestellt. Nach einer kurzen Einführung in das Messumfeld werden die unterschiedlichen RAID-Controller bei verschiedenen RAID-Levels und in unterschiedlichen Anwendungsszenarien verglichen, was durch Messergebnisse untermauert wird.

Zur Abgrenzung zu anderen Speichermedien wurde in der Vergangenheit der Begriff „Festplatte“ oder auch „Hard-Disk-Drive“ (HDD) für ein hartmagnetisch beschichtetes, rotierendes, direkt adressierbares, digitales, nichtflüchtiges Speichermedium eingeführt. Im Laufe der technischen Entwicklung wurden zusätzliche „Festplatten“-Gattungen als Speichermedien eingeführt, die die gleiche Schnittstelle zum Server verwenden und vom Server dementsprechend wie Festplatten behandelt werden. Als typisches Beispiel kann man eine SSD anführen, die als elektronisches Speichermedium keine beweglichen Teile beinhaltet, nichtsdestotrotz jedoch umgangssprachlich auch als Festplatte bezeichnet wird. In diesem Dokument wird durchgehend der Begriff „Festplatte“ als Oberbegriff verwendet, während bei einer Differenzierung die Bezeichnungen „SSD“ und „HDD“ verwendet werden.

In diesem Dokument sind Festplattenkapazitäten durchgängig zur Basis 10 angegeben (1 TB = 1012

Bytes), während alle anderen Kapazitäten, Dateigrößen, Blockgrößen und Durchsätze zur Basis 2 angegeben sind (1 MB/s = 2

20 Bytes/s).

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White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

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RAID-Controller für PRIMERGY und PRIMEQUEST: Grundlagen

In diesem Kapitel werden die für PRIMERGY und PRIMEQUEST Server verfügbaren RAID-Controller zunächst einmal mit ihren wesentlichen Funktionalitäten vorgestellt. Anschließend wird näher auf die Durchsatzgrenzen eingegangen, die sich für die einzelnen Controller aufgrund ihrer Schnittstellen im Server ergeben. Daraufhin werden die möglichen Einstellungen der Controller behandelt, und abschließend werden die Besonderheiten der Onboard-Controller diskutiert.

Vorstellung der RAID-Controller

Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Daten zur Funktionalität der verfügbaren RAID-Controller zusammen.

Zur vereinfachten Bezeichnung dieser Controller werden im vorliegenden White Paper meist nur die kurzen Namen aus der Spalte „Alias“ verwendet, also beispielsweise C610.

Controller-Name Alias FF Cache Fre-quenz

Unterstützte Interfaces

Max. # Disks

RAID Levels FBU

LSI SW RAID on Intel C220 (Onboard SATA)

C220 I - 6G SATA 6G DMI 2.0 x4

4 JBOD, 0, 1, 10

-

LSI SW RAID on Intel C236 (Onboard SATA)

C236 I - 6G SATA 6G DMI 3.0 x4

4 JBOD, 0, 1, 10

-

LSI SW RAID on Intel C610 (Onboard SATA)

3)

C610 I - 6G SATA 6G DMI 2.0 x4

4 (6) JBOD, 0, 1, 10

-

PRAID CM400i 1)

PRAID CM400i M - 12G SATA 6G SAS 12G

PCIe 3.0 x8

8 0, 1 -

PRAID CP400i PRAID CP400i P - 12G SATA 6G SAS 12G

PCIe 3.0 x8

8 0, 1, 1E, 5, 10, 50

-

PSAS CP400i PSAS CP400i P - 12G SATA 6G SAS 12G

PCIe 3.0 x8

8 JBOD, 0, 1 -

PRAID EM400i 1)2)

PRAID EP400i

M

1 GB 12G SATA 6G SAS 12G

PCIe 3.0 x8

8 0, 1, 1E, 5, 6, 10, 50, 60

PRAID EP400i P

PRAID EP420i PRAID EP420i P 2 GB 12G SATA 6G SAS 12G

PCIe 3.0 x8

8 0, 1, 1E, 5, 6, 10, 50, 60

1) Diese Controller sind nur für PRIMERGY BX2560 M1 verfügbar.

2) Die RAID-Levels außer 0 und 1 sind bei dem PRAID EM400i Controller nur benutzbar in Zusammenhang mit mehr

Festplattensteckplätzen in PRIMERGY SX980 Storage Blades. 3)

Im Chipset Intel C610 sind zwei Onboard RAID Controller integriert. Mit jedem dieser Controller können über das PRIMERGY RAID Management logische Laufwerke aus bis zu vier Festplatten gebildet werden (im Falle der CX25x0 M1 mit einem dieser Controller sogar mit bis zu sechs Festplatten). In diesem Dokument wird mit dem Alias des Onboard Controllers eine Controller Instanz im Chipset bezeichnet.

Die Spalte „FF“ gibt den Formfaktor wieder; „I“ bedeutet „integriert“, „P“ bedeutet „PCIe-Slot“ und „M“ bedeutet „Mezzanine Karte“. Die Spalte „Max. # Disks“ gibt die maximale Anzahl Festplatten an, die direkt an dem Controller im Rahmen des RAID-Management-Konzeptes der PRIMERGY und PRIMEQUEST Server betrieben werden können. Diese Information kann hilfreich sein, um zu erkennen, ob der Controller einen theoretischen Engpass darstellen könnte. In einigen PRIMERGY Modellen kommen – in Verbindung mit bestimmten Controller-Modellen – sogenannte „Expander“ (spezielle im SAS-Standard definierte Bauteile) zum Einsatz, um die maximale Anzahl der Festplatten darüber hinaus zu erhöhen. Der Expander kann dabei die Bandbreite der vorhandenen Ports nicht steigern, stellt sie aber in Summe allen angeschlossenen Festplatten zur Verfügung.

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White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

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Bei der Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Disk-Subsystemen spielen bei heutigen Systemen die Prozessorleistung und der Speicherausbau des Systems meist keine signifikante Rolle – ein eventuell vorhandener Engpass betrifft in der Regel die Festplatten und den RAID-Controller und nicht CPU oder Memory des Server-Systems. Daher können die verschiedenen RAID-Controller unabhängig von den PRIMERGY oder PRIMEQUEST Modellen verglichen werden, in denen sie eingesetzt werden, auch wenn nicht bei allen PRIMERGYs oder PRIMEQUESTs aufgrund ihrer Ausbaubarkeit mit Festplatten alle Konfigurationen möglich sind.

In der folgenden Tabelle ist zusammengestellt, welche RAID-Controller der aktuellen Generation zum Zeitpunkt der Erstellung dieses White Papers in den einzelnen PRIMERGY und PRIMEQUEST Systemen für den Anschluss von Festplatten freigegeben sind und wie viele Festplatten die einzelnen RAID-Controller in diesen Modellen maximal unterstützen. Die möglichen Kombinationen von PRIMERGY und PRIMEQUEST Ausbauvarianten und Controllern entnehmen Sie bitte den Konfiguratoren zu den Systemen.

Für einige Systeme sind auch RAID-Controller früherer Generationen (SAS-6G) bestellbar. Da solche Controller bereits im Vorgängerdokument RAID-Controller Performance 2013 behandelt wurden, werden diese hier nicht noch einmal untersucht.

Bei den PRIMEQUEST Systemen steht die Abkürzung „DU“ für „Disk Unit“, und „SB“ steht für „System Board“. Die Zahlen in den entsprechenden Tabellenzeilen geben jeweils die maximale Festplattenanzahl in einer solchen Untereinheit an.

Das vorliegende White Paper untersucht die zuvor genannten Mezzanine-Karten nur in Zusammenhang mit internen Festplatten im selben Server Blade.

Der PSAS CP400i ist im Zusammenhang mit Festplatten im Wesentlichen für Microsoft Windows Server 2012 Storage Spaces vorgesehen. Hierfür reicht dieser Controller die physikalischen Laufwerke unverändert an das Betriebssystem weiter. Die zusätzlich im Controller vorhandene Unterstützung von Hardware-RAID bietet RAID 0 und RAID 1 und ist für ein Boot-Laufwerk gedacht.

System

Ex

pa

nd

er

Onboard- Controller

Controller mit PCIe Schnittstelle

C2

20

C2

36

C6

10

PR

AID

CM

40

0i

PR

AID

CP

40

0i

PS

AS

CP

40

0i

PR

AID

EM

40

0i

PR

AID

EP

40

0i

PR

AID

EP

42

0i

PRIMERGY BX2560 M1 2 2 2

PRIMERGY BX2580 M1 2

PRIMERGY CX2550 M1 6 6 6 6 6

PRIMERGY CX2570 M1 6 6 6 6

PRIMEQUEST 2800B2 (DU) 4

PRIMEQUEST 2x00E2 (SB) 4

PRIMEQUEST 2x00E2 (DU) 4

PRIMERGY RX1330 M1 -/ 4 8 10 10 10

PRIMERGY RX1330 M2 -/ 4 8 10 10

PRIMERGY RX2530 M1 -/ 4 (8) 8 10 10 10

PRIMERGY RX2540 M1 -/ 4 (8) 8 24 24 24

PRIMERGY RX2560 M1 -/ 8 32 32 32

PRIMERGY RX4770 M2 8 8 8

PRIMERGY SX960 S1 -/ 10 10 10

PRIMERGY TX1310 M1 4

PRIMERGY TX1320 M1 4

PRIMERGY TX1320 M2 4 6 6 6

PRIMERGY TX1330 M1 4

PRIMERGY TX1330 M2 -/ 4 8 24 24

PRIMERGY TX2560 M1 -/ 8 32 32 32

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White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

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Controller-Schnittstellen und ihre Durchsatzgrenzen

Ein RAID-Controller braucht einerseits eine Schnittstelle zu den Festplatten und andererseits zur CPU. Die erste ist typischerweise SAS oder SATA, die zweite ist typischerweise PCIe oder, im Falle der integrierten Onboard-Controller, DMI. Im Folgenden sind die oberen Grenzen für die Durchsätze von SAS, SATA, PCIe und DMI zusammengestellt.

SAS und SATA

„Serial Attached SCSI“ (SAS) und „Serial Advanced Technology Attachment“ (SATA) sind serielle Schnittstellen, deren Datendurchsatz von der Frequenz abhängt. Diese Schnittstellen dienen zum Anschluss nichtflüchtiger Speichermedien wie Festplatten, optischen Laufwerken und Bandlaufwerken.

Typ Frequenz Theoretischer

Durchsatz Praktischer

Durchsatz (90%)

SAS 3G / SATA 3G 3000 MHz 286 MB/s 257 MB/s

SAS 6G / SATA 6G 6000 MHz 572 MB/s 515 MB/s

SAS 12G 12000 MHz 1144 MB/s 1030 MB/s

Alternativ wird bei SAS auch eine Versionsnummer 1.0 für 3G, 2.0 für 6G und 3.0 für 12G verwendet. Bei SATA wird alternativ eine Versionsnummer 2.0 für 3G und 3.0 für 6G verwendet.

Der theoretisch erreichbare Durchsatz errechnet sich folgendermaßen: 1 Bit pro 1 Hz, minus 20% Redundanz der seriellen Übertragung durch die sogenannte 8b/10b-Kodierung. Den in der Praxis erreichbaren Durchsatz kann man daraus durch Multiplikation mit 0.90 abschätzen. Diese 90% sind ein durchschnittlicher Erfahrungswert aus über die Jahre hinweg beobachteten Werten für verschiedenste Komponenten.

Alle Komponenten einer Verbindung zwischen Endgeräten müssen dieselbe Version des SAS- oder SATA-Protokolls verwenden. Dazu zählen neben den Festplatten auch die Controller und ggf. verwendete Expander. Treffen unterschiedliche Komponenten aufeinander, wird automatisch der performanteste von allen Komponenten gemeinsam unterstützte Standard verwendet, eventuell also eine geringere Frequenz. Dabei sind die höheren Protokolle abwärtskompatibel.

Während bei SATA oft jeder Port einzeln an eine Festplatte angeschlossen wird, werden vier SAS-Anschlüsse bzw. -Leitungen häufig zusammengefasst und als „x4 SAS“ oder „x4 wide port“ bezeichnet. Damit ist der direkte Anschluss von maximal vier SAS-Festplatten über eine Backplane möglich. Der Durchsatz von x4 SAS ist der Vierfache des entsprechenden einzelnen SAS-Anschlusses, dies gilt analog auch für SATA.

Schnittstelle Anschluss Frequenz Theoretischer

Durchsatz Praktischer

Durchsatz (90%)

SAS 3G / SATA 3G 1 × x4 3000 MHz 1144 MB/s 1030 MB/s

SAS 3G / SATA 3G 2 × x4 3000 MHz 2289 MB/s 2060 MB/s

SAS 6G / SATA 6G 1 × x4 6000 MHz 2289 MB/s 2060 MB/s

SAS 6G / SATA 6G 2 × x4 6000 MHz 4578 MB/s 4120 MB/s

SAS 12G 1 × x4 12000 MHz 4578 MB/s 4120 MB/s

SAS 12G 2 × x4 12000 MHz 9155 MB/s 8240 MB/s

Einige PRIMERGY Modelle kann man mit einer größeren Anzahl Festplatten ausbauen, als der Controller Festplattenanschlüsse hat. In diesem Fall wird die Anzahl der anschließbaren Festplatten mittels eines Expanders vergrößert. Wie bereits erwähnt, kann ein Expander den Datenstrom nur verteilen, nicht den Durchsatz erhöhen.

Das SAS-Protokoll ist so definiert, dass es auch die SATA-Protokolle gleicher oder geringerer Frequenz transportieren kann (tunneln). Damit ist es Controllern beider SAS-Versionen möglich, mit SATA-Festplatten zu kommunizieren. Umgekehrt ist es nicht möglich, SAS-Festplatten über eine SATA-Schnittstelle anzuschließen.

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White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/ Seite 7 (50)

PCIe und DMI

PCIe ist eine ebenfalls serielle Schnittstelle zwischen dem Controller und dem Motherboard. Die Steckverbindungen sind in unterschiedlicher Breite bzw. Anzahl von Lanes ausgeführt. Üblich sind x4 (vier Lanes) und x8 (acht Lanes), wobei es auf die tatsächliche Anzahl elektrisch genutzter Lanes ankommt (im weiteren Verlauf als „funktionelle PCIe Breite“ bezeichnet). Der Durchsatz einer Lane wird ebenfalls durch die Frequenz bestimmt.

Schnittstelle Anschluss Frequenz Theoretischer Durchsatz Praktischer Durchsatz (90%)

PCIe 1.0, PCIe Gen1 x4 2500 MHz 954 MB/s 858 MB/s

PCIe 1.0, PCIe Gen1 x8 2500 MHz 1907 MB/s 1716 MB/s

PCIe 2.0, PCIe Gen2 x4 5000 MHz 1907 MB/s 1716 MB/s

PCIe 2.0, PCIe Gen2 x8 5000 MHz 3815 MB/s 3433 MB/s

PCIe 3.0, PCIe Gen3 x4 8000 MHz 3756 MB/s 3380 MB/s

PCIe 3.0, PCIe Gen3 x8 8000 MHz 7512 MB/s 6761 MB/s

PCIe 1.0 wird auch oft als „PCIe Gen1“ bezeichnet, PCIe 2.0 als „PCIe Gen2“ und PCIe 3.0 als „PCIe Gen3“.

Der theoretisch erreichbare Durchsatz errechnet sich folgendermaßen: 1 Bit pro 1 Hz multipliziert mit der Anzahl der Anschlüsse (x4 oder x8), minus 20% Redundanz der seriellen Übertragung durch die sogenannte 8b/10b-Kodierung bei PCIe 1.0 und 2.0 bzw. minus 1.54% Redundanz durch eine 128b/130b-Kodierung bei PCIe 3.0. Den in der Praxis erreichbaren Durchsatz kann man daraus durch Multiplikation mit 0.90 abschätzen. Diese 90% sind ein durchschnittlicher Erfahrungswert aus über die Jahre hinweg beobachteten Werten für verschiedenste Komponenten.

Alle PRIMERGY Server beginnend mit der 2010 eingeführten Generation (z. B. PRIMERGY RX300 S5) unterstützen PCIe 2.0 und ab der 2012 eingeführten Generation (z. B. PRIMERGY RX300 S7) PCIe 3.0. Treffen unterschiedliche Komponenten aufeinander, wird die höchste von allen Komponenten gemeinsam unterstützte Frequenz verwendet.

Sehr verwandt mit PCIe ist das „Direct Media Interface“, abgekürzt DMI. Dies ist ein Intel-spezifischer Standard für die Verbindung einer CPU mit dem Chipset. Für DMI gelten bezüglich der Durchsätze die entsprechenden Aussagen wie für PCIe in der obigen Tabelle. Also erlaubt beispielsweise DMI 2.0, x4, einen praktischen Durchsatz von maximal 1716 MB/s. Dieser Durchsatzwert ist auf der Eingangsseite (CPU-Seite) für die Onboard-Controller relevant, da diese in den Chipsets untergebracht sind.

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White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

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Anwendung auf die RAID-Controller

In der nächsten Tabelle sind für alle RAID-Controller die Performance-bestimmenden Rahmendaten zusammengestellt. Die hier aufgeführten Durchsatzgrenzen ergeben sich mit Hilfe der beiden vorhergehenden Unterkapitel „SAS und SATA“ sowie „PCIe und DMI“. Die jeweils maßgebliche Durchsatzgrenze ist in der Tabelle mit Fettdruck hervorgehoben.

Controller- Alias

# CPU Cores

Cache Memory Typ

# Disk-seitige Datenkanäle

Grenze für Durchsatz Disk-Interface

# CPU-seitige Datenkanäle

Grenze für Durchsatz CPU-seitiges Interface

C220 4 × SATA 6G 2060 MB/s 4 × DMI 2.0 1716 MB/s

C236 4 × SATA 6G 2060 MB/s 4 × DMI 3.0 3433 MB/s

1 × C610 1 × 4 × SATA 6G 2060 MB/s 4 × DMI 2.0 1716 MB/s

2 × C610 2 × 4 × SATA 6G 4120 MB/s 4 × DMI 2.0 1)

1716 MB/s

PRAID CM400i 1 × 1.2 GHz 2 × SAS 12G 2060 MB/s

8 × PCIe 3.0 6761 MB/s

2) 1030 MB/s 6761 MB/s

PRAID CP400i 1 × 1.2 GHz 8 × SAS 12G 8240 MB/s

8 × PCIe 3.0 6761 MB/s

2) 4120 MB/s 6761 MB/s

PSAS CP400i 1 × 1.2 GHz 8 × SAS 12G 8240 MB/s

8 × PCIe 3.0 6761 MB/s

2) 4120 MB/s 6761 MB/s

PRAID EM400i 2 × 1.2 GHz DDR3 /

1866 MHz 2 × SAS 12G

2060 MB/s 8 × PCIe 3.0

6761 MB/s 2)

1030 MB/s 6761 MB/s

PRAID EP400i 2 × 1.2 GHz DDR3 /

1866 MHz 8 × SAS 12G

8240 MB/s 8 × PCIe 3.0

6761 MB/s 2)

4120 MB/s 6761 MB/s

PRAID EP420i 2 × 1.2 GHz DDR3 /

1866 MHz 8 × SAS 12G

8240 MB/s 8 × PCIe 3.0

6761 MB/s 2)

4120 MB/s 6761 MB/s

1) Die zweite Controller-Instanz erhöht die CPU-seitige Durchsatzgrenze nicht.

2) Diese halbierte Durchsatzgrenze gilt für den Fall, dass ausschließlich Festplatten mit 6G-Schnittstelle mit dem Controller verbunden sind.

Für die Mehrzahl der Einsatzfälle stellen die Durchsatzgrenzen keinen Engpass dar. In der Praxis überwiegen nämlich die Anwendungsszenarien mit wahlfreiem Zugriff auf konventionelle Festplatten, in denen keine hohen Durchsätze erreicht werden.

Die Durchsatzwerte in der Spalte „Grenze für Durchsatz Disk-Interface“ gelten für die Gesamtheit der Verbindungen zwischen dem Controller und den Festplatten. Die Durchsätze über diese SAS-/SATA-Schnittstelle sind nur im Falle von RAID 0 mit den Durchsätzen aus Sicht der Applikation identisch. Bei anderen RAID-Levels ist der Durchsatz über die SAS-/SATA-Schnittstelle um einen spezifischen Faktor gegenüber dem Durchsatz aus Sicht der Applikation multipliziert. Dieser Faktor ist immer ≥ 1 und hängt vom RAID-Level und mehreren Merkmalen des Zugriffsmusters ab. Die realen Durchsatzgrenzen sind deswegen immer um den erwähnten spezifischen Faktor niedriger als die Werte in der Spalte „Grenze für Durchsatz Disk-Interface“.

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White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

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Sicherung des Controller-Caches gegen Stromausfall

Um bei einem Stromausfall die Daten im Cache zu sichern, gibt es bei PRIMERGY und PRIMEQUEST Servern prinzipiell zwei Möglichkeiten:

Battery Backup Unit (BBU)

Die konventionelle Methode funktioniert mit einer Battery Backup Unit (BBU). Hier wird die Stromversorgung des flüchtigen Cache-Speichers während der Zeit eines Stromausfalls über eine wiederaufladbare Batterie (Akkumulator) gesichert. Da die Batterie eine begrenzte Kapazität hat, welche zudem aufgrund von physikalischen und chemischen Prozessen mit der Zeit abnimmt, kann sie die Versorgung des Cache-Speichers nur begrenzte Zeit gewährleisten. Diese Zeit ist nicht konstant, sondern abhängig von mehreren Einflussgrößen wie Alter der BBU, Ladestatus, Temperatur usw. Die BBU unterliegt daher einer eingeschränkten Garantie.

Sobald der Strom wieder da und der Server hochgefahren ist, kann der RAID-Controller mit dem Cache-Speicherinhalt weiterarbeiten und die Daten bleiben konsistent.

Flash Backup Unit (FBU)

Mit der auf neuerer Technologie beruhenden Flash Backup Unit (FBU) werden die Daten bei einem Stromausfall nicht im Cache-Speicher gehalten, sondern der Inhalt des Cache-Speichers wird in einen nicht flüchtigen Flash-Speicher umkopiert. In diesem Flash-Speicher können die Daten fast beliebig lange verbleiben, so dass hier die von der BBU bekannte Haltezeit kein Problem mehr ist.

Die Energie für den Kopiervorgang vom Cache-Speicher in den Flash-Speicher bei einem Stromausfall kommt aus einem SuperCap (Super Capacitor - Super Kondensator).

Sobald der Strom wieder da und der Server hochgefahren ist, wird der Cache-Inhalt aus dem Flash-Speicher wieder in den Cache-Speicher zurückgeschrieben. Der RAID-Controller kann nun wieder weiterarbeiten und die Daten bleiben konsistent.

Für alle in diesem White Paper behandelten RAID-Controller mit Controller-Cache wird die FBU-Variante angeboten.

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FastPath

FastPath ist ein High-Performance IO Accelerator für logische Laufwerke aus SSDs. Diese optimierte Version der LSI MegaRAID Technologie erlaubt eine deutliche Performance-Steigerung von Applikationen mit einer hohen IO-Last beim wahlfreien Zugriff, falls SSDs genutzt werden.

Früher war FastPath Teil der zusätzlich zu einem RAID-Controller bestellbaren RAID-Option „RAID Advanced Software Options int.“.

Ab Verwendung von Firmware Package Version 24.7.0-0061 ist FastPath in den 12G-fähigen RAID-Controllern mit Cache (PRAID EM400i, PRAID EP400i und PRAID EP420i) automatisch aktiv und für neu erzeugte oder bereits mit älteren Firmware-Versionen erzeugte logische Laufwerke wirksam. Es ist lediglich darauf zu achten, dass seitens der Cache-Einstellungen generell optimale Voraussetzungen für SSDs gegeben sind. Dies bedeutet: Beim Neuerzeugen eines logischen Laufwerks mittels des ServerView RAID Manager sind die Cache-Settings en bloc auf „Fast Path optimum“ zu stellen, und bei existierenden logischen Laufwerken ist darauf zu achten, dass die Einstellungen folgendermaßen sind:

Read Mode „No read-ahead“ Write Mode „Write-through“ Cache Mode „Direct“ Disk Cache „Enabled“

Im weiteren Verlauf dieses Dokumentes wird davon ausgegangen, dass FastPath aufgrund des Firmware-Standes aktiv ist.

Performance-relevante Cache-Einstellungen

Wesentlich für eine optimale Performance des RAID-Controllers ist eine richtige Parametereinstellung für das jeweilige logische Laufwerk. Abhängig vom Controller gibt es einen unterschiedlichen Vorrat an Parametern, die einstellbar sind. Zwecks einfacher und sicherer Handhabung der Einstellungen von RAID-Controller und Festplatten empfiehlt sich die für PRIMERGY und PRIMEQUEST Server mitgelieferte Software „ServerView RAID Manager“ (Version ≥ 6.3.3). Üblicherweise wird man – spezifisch für den Anwendungsfall – mittels der vordefinierten Modi „Performance“, „Data Protection“ oder „Fast Path optimum“ die kompletten Cache-Einstellungen für Controller und Festplatten beim Erzeugen eines logischen Laufwerks en bloc vornehmen.

Im Modus „Data Protection“ wird der Schutz vor Datenverlust bei Stromausfall gewährleistet. Dies bedeutet, dass im Normalfall die Schreib-Caches von RAID-Controller und Festplatten ausgeschaltet sind. Wenn der RAID-Controller einen Schreib-Cache hat, der mittels einer funktionsbereiten FBU gegen Stromausfall abgesichert ist, wird dieser Schreib-Cache eingeschaltet. Hierdurch ergeben sich meist schon große Performance-Vorteile.

Durch den Modus „Performance“ werden vorhandene Caches von Controller und Festplatten eingeschaltet, daher sollte der Cache des RAID-Controllers in diesem Modus durch eine Flash Back Unit (FBU) vor Datenverlust bei einem Stromausfall geschützt werden. Zusätzlich sollten auch die Festplatten-Caches durch Einsatz einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) gesichert werden. Der verwendete Server sollte in diesem Fall außerdem redundante Netzteile haben. Der Modus „Performance“ gewährleistet bei HDDs für die Mehrzahl der Anwendungsszenarien Performance-optimale Einstellungen.

Der Modus „Fast Path optimum“ wird nur angezeigt, wenn die Option FastPath tatsächlich im RAID-Controller aktiv ist. Er sollte gewählt werden, wenn bei wahlfreien Zugriffen mit kleinen Blöcken (≤ 8 kB, z. B. OLTP-Betrieb von Datenbanken) höchste Transaktionsraten mit SSDs erreicht werden sollen. In solchen Fällen wirken – aufgrund der ohnehin sehr kurzen Zugriffszeiten von SSDs – der Schreib- und der Lese-Cache des RAID-Controllers eher als Bremse und werden daher durch diesen Modus ausgeschaltet.

In speziellen Fällen kann eine Parametereinstellung sinnvoll sein, die von den Standardsetzungen des Modus‘ „Performance“ abweicht. Falls dies sinnvoll ist, wird im entsprechenden Teil des Kapitels „Controller-Vergleich“ darauf hingewiesen.

Hinter den Cache-Einstellungen der „ServerView RAID Manager“ Software verbergen sich – abhängig vom Controller – alle oder ein Teil der folgenden Einstellmöglichkeiten von RAID-Controller und Festplatten. Die ersten drei Einstellmöglichkeiten steuern den RAID-Controller, die letzte die Festplatten des logischen Laufwerks. Alle Parameter sind spezifisch für jedes logische Laufwerk einstellbar.

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Read mode

Mit dem Parameter „Read mode“ kann gesteuert werden, ob im Voraus gelesen wird. Es stehen die zwei Optionen „No read-ahead“ und „Read-ahead“ zur Verfügung. Bei „No read-ahead“ wird nicht im Voraus gelesen. Bei "Read-ahead" werden Blöcke, die sequentiell auf die unmittelbar angeforderten Blöcke folgen, gelesen und in den Controller-Cache übertragen. Dies geschieht in der Erwartung, dass die Blöcke auch in einem der nächsten Aufträge angefordert werden.

Die Onboard-Controller (z. B. C220) lesen bei der Option „Read-ahead“ generell Blöcke im Voraus. Die PCIe-Controller mit Cache arbeiten bei dieser Option differenzierter: Die angeforderten Blöcke werden kontinuierlich daraufhin analysiert, ob ein sequentieller Lesezugriff vorliegt. Erkennt der Controller einen solchen Zugriff, so fängt er an, zusätzlich zum angeforderten Block auch die sequentiell nachfolgenden in den Cache einzulesen, um sie für die erwarteten nächsten Anforderungen bereitzuhalten. Die jetzige Option „Read-ahead“ ist also adaptiv. Hierin sind die beiden früheren Optionen „Read-ahead“ und „Adaptive“ verschmolzen.

Write mode

Unter dem Begriff „Write mode“ werden die Einstellmöglichkeiten des Controller-Caches zusammengefasst, die die Behandlung von Schreibaufträgen steuern. Es gibt drei Optionen, um den Write-Cache einzustellen: „Write-through“, „Write-back“ und „Always Write-back (independent of BBU state)“. Die Option „Write-through“ garantiert, dass jeder Schreibauftrag vom Controller erst dann als erledigt zurückgemeldet wird, wenn er von der Festplatte quittiert wurde. Bei den Optionen „Write-back“ und „Always Write-back“ werden die Aufträge im Controller-Cache zwischengespeichert, der Anwendung sofort als erledigt quittiert und erst später an die Festplatte übergeben. Diese Prozedur ermöglicht eine optimale Ausnutzung der Controller-Ressourcen, eine schnellere Abfolge der Schreibaufträge und damit einen höheren Durchsatz. Eventuelle Stromausfälle können durch eine optionale FBU überbrückt werden und die Integrität der Daten im Controller-Cache ist damit garantiert. Die Option „Always Write-back“ schaltet den Write-Cache permanent ein; er wird auch dann genutzt, wenn die FBU nicht einsatzbereit ist. Dagegen wird bei der Option „Write-back“ automatisch auf „Write-through“ umgeschaltet, solange der Controller-Cache nicht durch die FBU abgesichert ist.

Cache mode

Der Parameter „Cache Mode“ wird manchmal auch mit „I/O Cache“ bezeichnet. Die Option „Direct“ legt fest, dass die zu lesenden Daten direkt von der Festplatte in den Arbeitsspeicher des Servers übertragen werden. Die Alternative „Cached“ bewirkt, dass alle zu lesenden und zu schreibenden Daten auf ihrem Weg zwischen Server Memory und den Festplatten den Controller-Cache passieren. „Direct“ ist die empfohlene Einstellung. Die Read-Ahead-Funktionalität wird von der Einstellung des Cache Mode nicht beeinflusst.

Disk cache mode

Die möglichen Werte sind „enabled” und „disabled”. Das Einschalten des Festplatten-Caches bringt in den meisten Fällen eine Durchsatzsteigerung beim Schreibzugriff. Ist das System mit einer USV gesichert, so ist das Einschalten des Festplatten-Caches aus Performance-Gründen zu empfehlen.

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In der nächsten Tabelle ist dargestellt, welche dieser Einstellmöglichkeiten für die einzelnen Controller existieren.

Controller-Alias Read mode Write mode Cache mode

C220, C236, C610

PRAID CM400i, PRAID CP400i, PSAS CP400i

PRAID EM400i PRAID EP400i, PRAID EP420i

Zur Vervollständigung gibt die folgende Tabelle noch eine Zusammenstellung der Einstellungen, die derzeit in den Modi „Data Protection“, „Performance“ und „Fast Path optimum“ im ServerView RAID Manager implementiert sind. Man beachte, dass diese vordefinierten Einstellungskombinationen bei den Controllern mit Controller-Cache auch von der Existenz einer FBU abhängen, aber unabhängig vom gewählten RAID-Level sind.

Controller-Alias C220, C236, C610

PRAID CM400i, PRAID CP400i, PSAS CP400i

PRAID EM400i, PRAID EP400i, PRAID EP420i

FBU?

Data Protection

Read Mode Read-ahead

Read-ahead Read-ahead

Write Mode

Write-through Write-back

Cache Mode

Direct Direct

Disk cache off off off off

Performance

Read Mode Read-ahead

Read-ahead Read-ahead

Write Mode

Always Write-back Write-back

Cache Mode

Direct Direct

Disk cache on on on on

Fast Path optimum

Read Mode

No read-ahead No read-ahead

Write Mode

Write-through Write-through

Cache Mode

Direct Direct

Disk cache on on on

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Sonstige Einstellungen

Neben den Einstellmöglichkeiten für die Caches von RAID-Controllern und Festplatten gibt es im „ServerView RAID Manager“ (Version ≥ 6.3.3) weitere Einstellmöglichkeiten für logische Laufwerke, deren Kenntnis aus Performance-Sicht lohnend ist.

Stripe Size

Der erste interessante Parameter ist die „Stripe Size“. Sie kann nur beim Erzeugen eines logischen Laufwerks gesetzt werden. Für die RAID-Controller mit Cache (z. B. PRAID EP400i) sind verschiedene Werte möglich, für alle anderen Controller ist der Default-Wert 64 kB.

Die Bedeutung der Stripe Size soll im Folgenden am Beispiel des einfachsten Falles RAID 0 näher erklärt werden.

Die Stripe Size steuert den Aufbau von logischen Laufwerken aus physikalischen Festplatten. Den Zugriff auf einen Datenblock eines logischen Laufwerks realisiert der Controller dadurch, dass er die Adressen innerhalb des logischen Laufwerks durch eine spezifische Regel auf Adressen innerhalb der beteiligten physikalischen Festplatten umrechnet. Diese Umrechnung beruht auf einer Einteilung jeder der beteiligten Festplatten – jeweils vom Festplattenanfang beginnend - in gleichgroße Blöcke zu je N Bytes. Die ersten N Bytes des logischen Laufwerks werden nun dem Block 0 auf Festplatte 0 zugewiesen, die nächsten N Bytes dann dem Block 0 auf Festplatte 1. Dies geht der Reihe nach weiter, bis auf allen beteiligten Festplatten eine Zuweisung auf den Block 0 erfolgt ist. Dann geht es weiter mit Block 1 auf Festplatte 0, Block 1 auf Festplatte 1, usw. Das Umrechnungsschema wird durch folgendes Bild veranschaulicht:

Jeder dieser Blöcke auf einer dieser Festplatten heißt „Stripe“, und seine Größe in Bytes heißt „Stripe Size“. Die Gesamtheit aller waagerecht nebeneinander liegenden Stripes im obigen Bild nennt man „Stripe Set“.

Die Stripe Size hat einen Einfluss auf die Performance. Einerseits muss die Stripe Size klein genug sein um mit hoher Wahrscheinlichkeit beliebige Zugriffe auf das logische Laufwerk gleichmäßig auf die Festplatten zu verteilen. Andererseits muss sie auch groß genug sein, damit die angeforderten Blöcke des logischen Laufwerks größtenteils nicht an Festplattengrenzen geteilt werden. Dies würde zu einer unerwünschten Vervielfachung der Festplattenzugriffe führen und damit zu einer unnötig frühen Überlastung der Festplatten.

Im Normalfall ist der Default der Stripe Size optimal. Man sollte lediglich bei wahlfreien Zugriffen die zuvor beschriebenen Blockteilungen weitgehend vermeiden. Dies heißt: die Stripe Size sollte

entweder groß sein gegenüber den von der Applikation angeforderten Blöcken (Beispiel: angeforderte Blöcke von 8 kB bei 64 kB Stripe Size)

oder genauso groß sein wie die von der Applikation angeforderten Blöcke, falls diese sie an den Stripe-Grenzen ausrichtet (Alignment)

Die möglichen Werte der Stripe Size für die hier behandelten RAID-Controller mit Cache sind 64 kB, 128 kB, 256 kB, 512 kB und 1 MB, der Default-Wert ist 256 kB.

Logisches Laufwerk

Disk 0 Disk 1

Stripe Set

0

6

8

10

1

7

9

11

2

4

3

5

Stripe

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Emulation type

Der zweite interessante Parameter ist der „Emulation type“. Mit „Emulation“ soll die Behandlung von 512e-Festplatten assoziiert werden. Solche Festplatten sind intern mit einer Sektorgröße von 4096 B strukturiert, emulieren aber nach außen hin eine Sektorgröße von 512 B. Anders ausgedrückt: bei solchen Festplatten ist die physikalische Sektorgröße 4096 B, und die logische Sektorgröße ist 512 B. Ausführliche Informationen zur Thematik der 512e-HDDs finden sich im White Paper 512e-HDDs: Technologie, Performance, Konfigurationen.

Der „Emulation type“ kann nicht nur beim Erzeugen eines logischen Laufwerks eingestellt werden; auch eine nachträgliche Veränderung ist möglich und wirkt nach dem nächsten Reboot. Es gibt drei mögliche Werte:

Default Wenn in einem logischen Laufwerk nur 512n-Festplatten enthalten sind, bekommt es für das Betriebssystem das Merkmal: „logische Sektorgröße = 512 B“. Sobald mindestens eine 512e-Festplatte darin enthalten ist, bekommt ein logisches Laufwerk das Merkmal „physikalische Sektorgröße = 4096 B“. Dieser Default sollte normalerweise beibehalten werden. Er bewirkt eine sinnvolle Parameterinformation an die zugreifenden darüber liegenden Software-Schichten: Wenn das logische Laufwerk eine Festplatte mit einer physikalischen Sektorgröße von 4096 B enthält, bekommen die darüber liegenden Software-Schichten die Information und können ihre Zugriffe auf das logische Laufwerk Performance-optimal an den physikalischen Sektoren von 4096 B ausrichten.

None Das logische Laufwerk bekommt immer das Merkmal „physikalische Sektorgröße = 512 B“, auch wenn eine der betroffenen Festplatten die physikalische Sektorgröße 4096 B hat. Dieser Modus ist im produktiven Einsatz nicht sinnvoll.

Force 512e Das logische Laufwerk bekommt immer das Merkmal „physikalische Sektorgröße = 4096 B“, auch wenn die physikalische Sektorgröße nur 512 B ist. Diese Einstellung kann sinnvoll sein, um bei einem existierenden logischen Laufwerk aus 512n-Festplatten dafür Vorsorge zu treffen, dass bei einem Festplatten-Ausfall auch ein Austausch gegen eine 512e-Festplatte nicht zu Performance-Einbußen führt.

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Besonderheiten der Onboard-Controller

Einige PRIMERGY Modelle bieten mit einem Onboard-Controller eine einfache, kostengünstige Einsteigerlösung für den Betrieb mit bis zu vier Festplatten. Mit der Unterstützung von RAID 0, RAID 1 und RAID 10 bietet ein solcher Onboard-Controller eine Reihe von gebräuchlichen RAID-Levels an und belegt keinen PCIe-Steckplatz.

Alle Controller, die über die PCIe-Schnittstelle angebunden sind, werden hier nicht als Onboard-Controller behandelt, auch wenn sie auf dem Motherboard integriert sind (siehe Tabelle im Kapitel „Vorstellung der RAID-Controller“).

Der Onboard-Controller ist als eine Firmware-/Treiber-basierte Software-RAID-Lösung realisiert. Sie ist im „Platform Controller Hub“-Chip integriert, der zum Motherboard-Chipsatz gehört. Während der Boot-Phase werden Zugriffe auf das logische Laufwerk durch die Firmware realisiert. Sobald das Betriebssystem aktiv ist, übernehmen geeignete Treiber diese Aufgabe.

Der Onboard-Controller hat keinen eigenen Prozessor, sondern nutzt die CPU des Server-Systems für die RAID-Funktionalität. Der anteilige Konsum von Prozessorleistung des Servers fällt bei neueren Servern immer weniger ins Gewicht.

C220, C236 und C610

Diese Onboard-Controller sind reine SATA-Controller. Der C220-Onboard-Controller ist im Chipset der 2013 eingeführten Generation von 1-Sockel-Servern enthalten, der C610-Onboard-Controller im Chipset der 2014 eingeführten Generation von 2-Sockel-Servern und der C236-Onboard-Controller im Chipset der 2015 eingeführten Generation von 1-Sockel-Servern. Diese Controller können über das BIOS in verschiedene Modi eingestellt werden. Obwohl zur effektiven Benutzung dieses Typs von Controllern nur der Modus „RAID“ in Frage kommt, seien der Vollständigkeit halber alle Modi dieser SATA-Controller vorgestellt. Die fortgeschrittenen SATA-Features „Native Command Queuing“ (NCQ) und „hot swapping“ werden nicht in allen Fällen unterstützt. Es gibt drei Modi:

RAID Aufgrund seiner Flexibilität empfehlenswerter Modus. Nur hierbei ist eine problemlose Migration einer SATA-HDD von einer Nicht-RAID- zu einer RAID-Konfiguration möglich. Alle Funktionalitäten von SATA werden unterstützt, also auch NCQ und „hot swapping“. Für die unterstützten RAID-Levels ist bei den PRIMERGY Servern eine Firmware namens „LSI Logic Embedded MegaRAID“ im Controller-BIOS integriert. Nur in diesem Modus sind logische Laufwerke bereits während der Boot-Phase möglich, und nur in diesem Modus sind Controller und Festplatten im „ServerView RAID Manager“ sichtbar und können dort verwaltet werden. Es sind spezielle Treiber notwendig.

AHCI AHCI steht für „Advanced Host Controller Interface“ und ist ein herstellerübergreifender Schnittstellenstandard für SATA-Controller. NCQ und „hot swapping“ werden unterstützt. Auch für AHCI sind spezielle Treiber im Betriebssystem notwendig.

IDE In dieser Betriebsart werden die SATA-Ports als solche dem Betriebssystem sichtbar gemacht. NCQ wird nicht unterstützt. Es werden entsprechende SATA-Treiber benötigt, die auf der Fujitsu „ServerStart DVD“ für verschiedene Betriebssysteme mitgeliefert werden.

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Messumfeld

Nachdem nun die unterschiedlichen Controller vorgestellt und ihre technischen Eigenschaften erläutert worden sind, wollen wir im nachfolgenden Kapitel „Controller-Vergleich“ die Controller in verschiedenen Anwendungsszenarien diskutieren und dies anhand von Messergebnissen untermauern. Daher seien zuerst das Messverfahren und die Messumgebung an dieser Stelle kurz vorgestellt.

Alle Details des Messverfahrens und Grundlagen zur Disk-I/O-Performance sind im White Paper „Grundlagen Disk-I/O-Performance“ beschrieben.

Messverfahren

Standardmäßig werden Performance-Messungen von Disk-Subsystemen bei PRIMERGY und PRIMEQUEST Servern mit einem definierten Messverfahren durchgeführt, das die Festplattenzugriffe realer Anwendungsszenarien anhand von Kenndaten modelliert.

Die wesentlichen Kenndaten sind:

Anteil von wahlfreien Zugriffen / sequentiellen Zugriffen Anteil der Zugriffsarten Lesen / Schreiben Blockgröße (kB) Anzahl paralleler Zugriffe (# of Outstanding I/Os)

Eine gegebene Wertekombination dieser Kenndaten heißt „Lastprofil“. Die folgenden fünf Standardlastprofile lassen sich typischen Anwendungsszenarien zuordnen:

Zur Modellierung parallel zugreifender Anwendungen mit unterschiedlicher Belastungsintensität wird die „# of Outstanding I/Os“ von 1 bis 512 gesteigert (in Zweierpotenzschritten).

Die Messungen des vorliegenden Dokumentes beruhen auf diesen Standardlastprofilen.

Die wichtigsten Ergebnisse einer Messung sind:

Throughput [MB/s] Datendurchsatz in Megabytes pro Sekunde Transactions [IO/s] Transaktionsrate in I/O-Operationen pro Sekunde Latency [ms] mittlere Antwortzeit in ms

Für sequentielle Lastprofile hat sich der Datendurchsatz als übliche Messgröße durchgesetzt, während bei den wahlfreien Lastprofilen mit ihren kleinen Blockgrößen meist die Messgröße „Transaktionsrate“ verwendet wird. Datendurchsatz und Transaktionsrate sind direkt proportional zueinander und lassen sich nach der Formel

Datendurchsatz [MB/s] = Transaktionsrate [IO/s] × Blockgröße [MB]

Transaktionsrate [IO/s] = Datendurchsatz [MB/s] / Blockgröße [MB]

ineinander überführen.

Standard-lastprofil

Zugriff Zugriffsart Blockgröße [kB]

Anwendung

read write

File copy wahlfrei 50% 50% 64 Kopieren von Dateien

File server wahlfrei 67% 33% 64 File-Server

Database wahlfrei 67% 33% 8 Datenbank (Datentransfer) Mail Server

Streaming sequentiell 100% 0% 64 Datenbank (Log-File), Datensicherung; Video Streaming (teilweise)

Restore sequentiell 0% 100% 64 Wiederherstellen von Dateien

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Messumgebung

Alle in diesem Dokument diskutierten Messergebnisse wurden mit den im Folgenden aufgelisteten Hardware- und Software-Komponenten ermittelt:

System Under Test (SUT)

Hardware

Modell PRIMERGY RX1330 M1

PRIMERGY RX2540 M1

PRIMERGY RX2560 M1

PRIMERGY TX1330 M2

Controller C220:

Intel C226 PCH, Code name Lynx Point (in PRIMERGY RX1330 M1)

Driver-Name: megasr1.sys, Driver-Version: 16.01.2014.0318

BIOS-Version: A.14.02121826R

C236:

Intel C236 PCH, Code name Sunrise Point (in PRIMERGY TX1330 M2)

Driver-Name: megasr1.sys, Driver-Version: 17.01.2015.0716

BIOS-Version: A.15.08211538R

C610:

Intel C610 PCH, Code name Wellsburg (in PRIMERGY RX2560 M1)

Driver-Name: megasr1.sys, Driver-Version: 16.02.2014.0811

BIOS-Version: A.14.02121826R

PRAID CM400i, PRAID CP400i, PRAID EM400i, PRAID EP400i, PRAID EP420i:

Driver-Name: megasas2.sys, Driver-Version: 6.706.06 Firmware-Paket: 24.7.0-0061

PSAS CP400i:

Driver-Name: lsi_sas3.sys, Driver-Version: 2.50.85.00 Firmware: 05.00.00.00

Speichermedien SSDs HDDs

SAS-12G:

Toshiba PX02SMF040

SATA-6G:

Intel SSDSC2BA400G3C

SAS-12G:

HGST HUC156045CSS204

SATA-6G:

Seagate ST91000640NS

Software

Betriebssystem Microsoft Windows Server 2012 Standard R2

Verwaltungssoftware ServerView RAID Manager 6.3.4

Benchmark-Version 3.0

RAID-Typ Logisches Laufwerk vom Typ RAID 0, 1, 5 oder 10

Stripe size Controller-Default (d. h. bei den 12G-Controllern mit Cache 256 kB, sonst 64 kB)

Messwerkzeug Iometer 1.1.0

Messbereich Für sequentielle Zugriffe werden die ersten 10% des nutzbaren LBA-Bereichs verwendet; für wahlfreie Zugriffe die nächsten 25%.

Dateisystem raw

Gesamtzahl Iometer-Worker

1

Ausrichtung der Iometer-Zugriffe

Ausgerichtet an ganzzahligen Vielfachen von 4096 Bytes

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Die für den Controller-Vergleich verwendeten Festplattenmodelle sind im Folgenden noch einmal ausführlich zusammen mit ihren grundlegenden Performance-Daten zusammengestellt, da diese für das Verständnis der mit den Controllern erzielten Performance-Werte wichtig sind. Bei den klassischen Festplatten (HDDs) wurden je eine leistungsfähige SATA-6G- und eine SAS-12G-Festplatte ausgewählt, und eine SAS-12G-SSD und eine SATA-6G-SSD repräsentieren die Klasse der SSDs.

Dargestellt sind jeweils die mit einer einzelnen Festplatte gemessenen Maximalwerte für die fünf Standardlastprofile im vorhergehenden Unterkapitel „Messverfahren“. In allen Fällen ist der Festplatten-Cache eingeschaltet, da dies fast immer die optimale Performance garantiert.

Festplattentyp Kurz-

Bezeichnung (Alias)

Sequentieller Maximal-

Durchsatz

[MB/s]

64 kB Blockgröße

Maximale Transaktionsraten für wahlfreie Zugriffe [IO/s]

8 kB Blockgröße

64 kB Blockgröße

Lesen

Schreiben

Leseanteil: Leseanteil:

67% 67% 50%

HDD SATA, 6 Gb/s, 2.5 1000 GB, 7200 rpm hot-plug-fähig Kategorie geschäftskritisch (BC)

SATA-6G-HDD 108 MB/s 108 MB/s 302 IO/s 258 IO/s 243 IO/s

HDD SAS, 12 Gb/s, 2.5 450 GB, 15000 rpm, hot-plug-fähig Kategorie Enterprise (EP)

SAS-12G-HDD 237 MB/s 237 MB/s 744 IO/s 608 IO/s 631 IO/s

SSD SATA, 6 Gb/s, 2.5 400 GB, hot-plug-fähig, Kategorie Enterprise (EP)

SATA-6G-SSD 468 MB/s 436 MB/s 41005 IO/s 5268 IO/s 5206 IO/s

SSD SAS, 12 Gb/s, 2.5 400 GB, hot-plug-fähig, Kategorie Enterprise (EP)

SAS-12G-SSD 950 MB/s 420 MB/s 55865 IO/s 7599 IO/s 6715 IO/s

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Controller-Vergleich

In den bisherigen Kapiteln sind alle wesentlichen Vorinformationen zu den Controllern gegeben worden. Diese Informationen werden schon in vielen Fällen die Controller-Auswahl für einen gegebenen Anwendungsfall einengen. Wenn weitere kundenseitige Informationen über den geplanten Controller-Einsatz hinzugenommen werden, lässt sich schon sehr viel mehr über die mit den einzelnen Controllern zu erwartende Performance sagen. In diesem Kapitel sollen daher die Controller differenziert für verschiedene RAID-Levels, Anwendungsszenarien, Belastungsintensitäten, Festplattenanzahlen sowie Festplatten-technologien verglichen werden. Die Aussagen werden dabei mit Hilfe von Messergebnissen veranschaulicht. Die Vergleiche sind gegliedert in die folgenden Unterkapitel, die unabhängig voneinander gelesen werden können:

RAID 1 (zwei SATA-Festplatten) RAID 0 und 10 (vier SATA-Festplatten) RAID 0, 10 und 5 (acht SAS-Festplatten) RAID 0, 10 und 5 (mehr als acht SAS-SSDs)

Allgemeine Vorbemerkungen zu den Vergleichen:

Bei den Vergleichen werden meist die im Kapitel „Messverfahren“ beschriebenen fünf Lastprofile „File copy“, „Database“, „File server“, „Streaming“ und „Restore“ verwendet. Damit wird eine angemessene Abdeckung der wahlfreien und sequentiellen Anwendungsszenarien erreicht. Wenn das kundenseitige Belastungsprofil wesentlich hiervon abweicht, gelten die hier gemachten Aussagen nicht mehr uneingeschränkt.

Als Maß für die Leistungsfähigkeit eines Disk-Subsystems wird wie allgemein üblich bei wahlfreien Lastprofilen die Transaktionsrate in IO/s angegeben und bei sequentiellen Lastprofilen der Durchsatz in MB/s.

Es werden jeweils alle Controller diskutiert, die den gerade betrachteten RAID-Level und Festplattentyp unterstützen.

Zwecks besserer Überschaubarkeit beschränken sich die Grafiken des aktuellen Kapitels meist auf die erreichbaren Maximalwerte. Diese werden in der Regel erst bei einer hohen Belastungsintensität des Disk-Subsystems erreicht.

Exemplarisch für die Festplattentechnologien werden die vier im Kapitel „Messumgebung“ näher behandelten Festplattentypen benutzt (SATA-6G-HDD, SAS-12G-HDD, SATA-6G-SSD und SAS-12G-SSD). Dort sind auch deren wesentliche Performance-Daten zusammengestellt. An einigen Stellen in den folgenden Vergleichen werden die erreichten Performance-Werte auf Basis der Performance-Daten dieser Festplattentypen erklärt.

Zur Erreichung maximaler Performance wurden für die Messungen die Cache- und Festplatteneinstellungen folgendermaßen mittels der Modi des „ServerView RAID Manager“ vorgenommen:

o Für die SATA-6G-HDDs: Modus „Performance“ (für HDDs meistens der performanteste Modus)

o Für die SAS-12G-HDDs: Modus „Performance“ mit der einzigen Abweichung: Disk Cache Disabled

o Für die SSDs: Modus „Fast Path optimum“ (sofern für den Controller verfügbar), ansonsten „Performance“.

Wenn für eine bestimmte Messung hiervon abgewichen wurde, ist das an der betreffenden Stelle erwähnt.

Konventionelle Festplatten (im Gegensatz zu SSDs) werden bei den nun folgenden Controller-Vergleichen nur noch kurz als „HDDs“ bezeichnet.

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RAID 1 (zwei SATA-Festplatten)

Diesen Fall lohnt es gesondert zu betrachten, da nur so alle Onboard-Controller und ein großer Teil der PCIe-Controller miteinander verglichen werden können. Dies geschieht mit der im Kapitel „Messumgebung“ näher beschriebenen SATA-6G-SSD.

Wahlfreie Zugriffe

RAID 1 mit zwei SATA-6G-SSDs

Die Grafik zeigt einen Controller-Vergleich für zwei SATA-6G-SSDs konfiguriert als RAID 1. Die drei Säulengruppen in der Grafik stellen die Transaktionsraten für die Standardlastprofile „File copy“ (wahlfreier Zugriff, 50% read, 64 kB Blockgröße), „File server“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 64 kB Blockgröße) und „Database“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 8 kB Blockgröße) dar.

Die PCIe-Controller liefern hier insgesamt die höchsten Transaktionsraten.

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C610

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File copy File server Database

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Maximale Transaktionsraten, wahlfreier Zugriff, RAID 1, 2 SATA-6G-SSDs

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http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/ Seite 21 (50)

Sequentielle Zugriffe

RAID 1 mit zwei SATA-6G-SSDs

Die nächste Grafik zeigt einen Controller-Vergleich für zwei SATA-6G-SSDs konfiguriert als RAID 1. Die zwei Säulengruppen in der Grafik stellen die Durchsätze für die Standardlastprofile „Streaming“ (sequentieller Zugriff, 100% read, 64 kB Blockgröße) und „Restore“ (sequentieller Zugriff, 100% write, 64 kB Blockgröße) dar.

Beim Lesen nutzen die PCIe-Controller bei höheren Belastungsintensitäten in stärkerem Maße als die Onboard-Controller beide Festplatten und zeigen dadurch einen höheren maximalen Durchsatz.

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Streaming Restore

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Maximale Durchsätze, sequentieller Zugriff, RAID 1, 2 SATA-6G-SSDs

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RAID 0 und 10 (vier SATA-Festplatten)

In diesem Unterkapitel werden die in RAID 1 (zwei SATA-Festplatten) durchgeführten Controller-Vergleiche fortgeführt für vier Festplatten. Hierbei ist es sinnvoll, zwischen HDDs und SSDs zu unterscheiden, da bei den HDDs ein Controller-Modell mehr freigegeben ist (PSAS CP400i) und bei den SSDs der Vergleich der Controller im höheren Performance-Bereich möglich ist.

Wahlfreie Zugriffe

HDDs

RAID 0 mit vier SATA-6G-HDDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren Transaktionsraten des logischen Laufwerks vom Typ RAID 0 bei wahlfreien Lastprofilen dar. Die drei Säulengruppen zeigen die Transaktionsraten für die Standardlastprofile „File copy“ (wahlfreier Zugriff, 50% read, 64 kB Blockgröße), „File server“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 64 kB Blockgröße) und „Database“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 8 kB Blockgröße).

Es ist deutlich zu erkennen, dass die Transaktionsraten umso höher sind, je höherwertiger der Controller ist.

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File copy File server Database

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Maximale Transaktionsraten, wahlfreier Zugriff, RAID 0, 4 SATA-6G-HDDs

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http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/ Seite 23 (50)

RAID 10 mit vier SATA-6G-HDDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren Transaktionsraten des logischen Laufwerks vom Typ RAID 10 bei wahlfreien Lastprofilen dar. Die drei Säulengruppen zeigen die Transaktionsraten für die Standardlastprofile „File copy“ (wahlfreier Zugriff, 50% read, 64 kB Blockgröße), „File server“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 64 kB Blockgröße) und „Database“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 8 kB Blockgröße).

Auch hier ist deutlich zu erkennen, dass die Transaktionsraten umso höher sind, je höherwertiger der Controller ist.

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File copy File server Database

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Maximale Transaktionsraten, wahlfreier Zugriff, RAID 10, 4 SATA-6G-HDDs

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Seite 24 (50) http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/

SSDs

RAID 0 mit vier SATA-6G-SSDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren Transaktionsraten des logischen Laufwerks vom Typ RAID 0 bei wahlfreien Lastprofilen dar. Die drei Säulengruppen zeigen die Transaktionsraten für die Standardlastprofile „File copy“ (wahlfreier Zugriff, 50% read, 64 kB Blockgröße), „File server“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 64 kB Blockgröße) und „Database“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 8 kB Blockgröße).

Es ist deutlich zu erkennen, dass die Transaktionsraten umso höher sind, je höherwertiger der Controller ist.

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File copy File server Database

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Maximale Transaktionsraten, wahlfreier Zugriff, RAID 0, 4 SATA-6G-SSDs

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http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/ Seite 25 (50)

RAID 10 mit vier SATA-6G-SSDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren Transaktionsraten des logischen Laufwerks vom Typ RAID 10 bei wahlfreien Lastprofilen dar. Die drei Säulengruppen zeigen die Transaktionsraten für die Standardlastprofile „File copy“ (wahlfreier Zugriff, 50% read, 64 kB Blockgröße), „File server“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 64 kB Blockgröße) und „Database“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 8 kB Blockgröße).

Auch hier ist deutlich zu erkennen, dass die Transaktionsraten umso höher sind, je höherwertiger der Controller ist.

C220

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File copy File server Database

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Maximale Transaktionsraten, wahlfreier Zugriff, RAID 10, 4 SATA-6G-SSDs

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Seite 26 (50) http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/

Sequentielle Zugriffe

HDDs

RAID 0 mit vier SATA-6G-HDDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren maximalen Durchsätze des logischen Laufwerks vom Typ RAID 0 bei sequentiellen Lastprofilen dar. Die beiden Säulengruppen in der Grafik zeigen die Durchsätze für die Standardlastprofile „Streaming“ (sequentieller Zugriff, 100% read, 64 kB Blockgröße) und „Restore“ (sequentieller Zugriff, 100% write, 64 kB Blockgröße).

In diesen Fällen liefern alle Controller etwa die gleiche Performance.

RAID 10 mit vier SATA-6G-HDDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren maximalen Durchsätze des logischen Laufwerks vom Typ RAID 10 bei sequentiellen Lastprofilen dar. Die beiden Säulengruppen in der Grafik zeigen die Durchsätze für die Standardlastprofile „Streaming“ (sequentieller Zugriff, 100% read, 64 kB Blockgröße) und „Restore“ (sequentieller Zugriff, 100% write, 64 kB Blockgröße).

Man erkennt, dass die PCIe-Controller beim Standardlastprofil „Streaming“ teilweise nicht nur von zwei, sondern von vier HDDs gleichzeitig lesen und dadurch den Durchsatz über den doppelten Wert für eine einzelne HDD steigern können.

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Streaming Restore

Thro

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Maximale Durchsätze, sequentieller Zugriff, RAID 0, 4 SATA-6G-HDDs

Maximale Durchsätze, sequentieller Zugriff, RAID 10, 4 SATA-6G-HDDs

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http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/ Seite 27 (50)

SSDs

RAID 0 mit vier SATA-6G-SSDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren maximalen Durchsätze des logischen Laufwerks vom Typ RAID 0 bei sequentiellen Lastprofilen dar. Die beiden Säulengruppen in der Grafik zeigen die Durchsätze für die Standardlastprofile „Streaming“ (sequentieller Zugriff, 100% read, 64 kB Blockgröße) und „Restore“ (sequentieller Zugriff, 100% write, 64 kB Blockgröße).

RAID 10 mit vier SATA-6G-SSDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren maximalen Durchsätze des logischen Laufwerks vom Typ RAID 10 bei sequentiellen Lastprofilen dar. Die beiden Säulengruppen in der Grafik zeigen die Durchsätze für die Standardlastprofile „Streaming“ (sequentieller Zugriff, 100% read, 64 kB Blockgröße) und „Restore“ (sequentieller Zugriff, 100% write, 64 kB Blockgröße).

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Streaming Restore

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Maximale Durchsätze, sequentieller Zugriff, RAID 0, 4 SATA-6G-SSDs

Maximale Durchsätze, sequentieller Zugriff, RAID 10, 4 SATA-6G-SSDs

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White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

Seite 28 (50) http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/

RAID 0, 10 und 5 (acht SAS-Festplatten)

Zum Betrieb von mehr als sechs Festplatten in den jetzigen PRIMERGY-Servern reichen die Onboard-Controller nicht mehr aus, daher werden im Folgenden ausschließlich die PCIe-Controller verglichen. Da einer der PCIe-Controller (PRAID CP400i) für maximal acht Festplatten freigegeben ist, ist es sinnvoll einen Vergleich aller Controller bei acht angeschlossenen Festplatten durchzuführen. Die in diesem Unterkapitel zusammengestellten Performance-Werte decken zugleich repräsentativ den Bereich mittlerer Festplattenanzahlen ab. Da hierbei speziell die Maximalwerte bei höherem Performance-Bedarf interessieren, werden zur Verdeutlichung Messungen mit leistungsfähigen SAS-12G-HDDs oder SAS-12G-SSDs benutzt. Diese Festplatten sind im Kapitel „Messumgebung“ näher beschrieben.

Wahlfreie Zugriffe

Bei der Betrachtung der wahlfreien Zugriffe für größere Anzahlen von Festplatten ist es sinnvoll, zwischen HDDs und SSDs zu unterscheiden, da die Maximalwerte bei SSDs in einer ganz anderen Größenordnung liegen.

HDDs

Im Folgenden werden die Controller bei wahlfreien Zugriffen auf HDDs verglichen. Hierbei sind die maximalen Transaktionsraten des Speichermediums für das verwendete Lastprofil der wichtigste begrenzende Faktor. Dennoch ist die Performance in solchen Fällen nicht ganz unabhängig vom Controller. Obwohl die nun folgenden Resultate mit acht SAS-12G-HDDs gewonnen wurden, kann man sie auch verwenden, um für andere Festplattentypen und -anzahlen (≤ 8) die zu erwartenden maximalen Transaktionsraten abzuschätzen.

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White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/ Seite 29 (50)

RAID 0 mit acht SAS-12G-HDDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren Transaktionsraten des logischen Laufwerks vom Typ RAID 0 bei wahlfreien Lastprofilen dar. Die drei Säulengruppen zeigen die Transaktionsraten für die Standardlastprofile „File copy“ (wahlfreier Zugriff, 50% read, 64 kB Blockgröße), „File server“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 64 kB Blockgröße) und „Database“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 8 kB Blockgröße).

Die zwei rechten Säulen in jeder der drei Säulengruppen dieser Grafik stellen die zwei Controller mit Cache dar (PRAID EP400i und PRAID EP420i). Die Überlegenheit dieser beiden Controller wird zum einen durch den Controller-Cache ermöglicht, zum anderen durch den im Vergleich zum PRAID CP400i höheren Default-Wert der Stripe Size.

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File copy File server Database

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Maximale Transaktionsraten, wahlfreier Zugriff, RAID 0, 8 SAS-12G-HDDs

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Seite 30 (50) http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/

RAID 10 mit acht SAS-12G-HDDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren Transaktionsraten des logischen Laufwerks vom Typ RAID 10 bei wahlfreien Lastprofilen dar. Die drei Säulengruppen in der Grafik zeigen die Transaktionsraten für die Standardlastprofile „File copy“ (wahlfreier Zugriff, 50% read, 64 kB Blockgröße), „File server“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 64 kB Blockgröße) und „Database“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 8 kB Blockgröße).

In der Grafik zeigt sich dasselbe prinzipielle Verhalten wie bei RAID 0.

PR

AID

CP

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AID

CP

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CP

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File copy File server Database

Tra

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ate

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/s]

Maximale Transaktionsraten, wahlfreier Zugriff, RAID 10, 8 SAS-12G-HDDs

Page 31: RAID-Controller Performance 2016 - sp.ts.  · PDF fileWhite Paper RAID-Controller Performance 2016   Seite 1 (50) White Paper Fujitsu Server PRIMERGY

White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/ Seite 31 (50)

RAID 5 mit acht SAS-12G-HDDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren Transaktionsraten des logischen Laufwerks vom Typ RAID 5 bei wahlfreien Lastprofilen dar. Die drei Säulengruppen in der Grafik zeigen die Transaktionsraten für die Standardlastprofile „File copy“ (wahlfreier Zugriff, 50% read, 64 kB Blockgröße), „File server“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 64 kB Blockgröße) und „Database“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 8 kB Blockgröße).

In der Grafik zeigt sich dasselbe prinzipielle Verhalten wie bei RAID 0.

PR

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CP

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AID

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File copy File server Database

Tra

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Maximale Transaktionsraten, wahlfreier Zugriff, RAID 5, 8 SAS-12G-HDDs

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White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

Seite 32 (50) http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/

SSDs

Bei der hier betrachteten Anzahl von SSDs sind die möglichen Transaktionsraten eines logischen Laufwerks so hoch, dass sich die in der neuesten Controller-Firmware standardmäßig aktivierte Option FastPath deutlich auswirkt. Man erkennt dies im Folgenden an der Überlegenheit der Controller PRAID EP400i und PRAID EP420i gegenüber dem PRAID CP400i. Letzterer unterstützt die Option FastPath nicht.

RAID 0 mit acht SAS-12G-SSDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren Transaktionsraten des logischen Laufwerks vom Typ RAID 0 bei wahlfreien Lastprofilen dar. Die drei Säulengruppen zeigen die Transaktionsraten für die Standardlastprofile „File copy“ (wahlfreier Zugriff, 50% read, 64 kB Blockgröße), „File server“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 64 kB Blockgröße) und „Database“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 8 kB Blockgröße).

Am leistungsfähigsten ist hier der PRAID EP420i Controller.

Für das Lastprofil „Database“ (8 kB Blockgröße) haben die Controller mit Cache einen deutlichen Vorsprung. Sie erreichen hier auch schon ihre maximale Transaktionsrate.

Es ist auch interessant, sich die Durchsatzwerte klarzumachen, die mit diesen Transaktionsraten verbunden sind. Trotz der geringeren Transaktionsraten haben die beiden Lastprofile mit 64 kB Blockgröße die höheren Durchsätze. Der PRAID EP400i Controller bewältigt beispielsweise beim Lastprofil „File server“ etwa 2848 MB/s Durchsatz. Für die beiden Lastprofile „File copy“ und „File server“ (64 kB Blockgröße) wirken hier die Controller noch nicht limitierend.

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Maximale Transaktionsraten, wahlfreier Zugriff, RAID 0, 8 SAS-12G-SSDs

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http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/ Seite 33 (50)

RAID 10 mit acht SAS-12G-SSDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren Transaktionsraten des logischen Laufwerks vom Typ RAID 10 bei wahlfreien Lastprofilen dar. Die drei Säulengruppen zeigen die Transaktionsraten für die Standardlastprofile „File copy“ (wahlfreier Zugriff, 50% read, 64 kB Blockgröße), „File server“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 64 kB Blockgröße) und „Database“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 8 kB Blockgröße).

Auch hier haben die Controller mit Cache bei dem Lastprofil mit den kleinen Blöcken („Database“) einen Vorsprung.

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File copy File server Database

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Maximale Transaktionsraten, wahlfreier Zugriff, RAID 10, 8 SAS-12G-SSDs

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RAID 5 mit acht SAS-12G-SSDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren Transaktionsraten des logischen Laufwerks vom Typ RAID 5 bei wahlfreien Lastprofilen dar. Die drei Säulengruppen zeigen die Transaktionsraten für die Standardlastprofile „File copy“ (wahlfreier Zugriff, 50% read, 64 kB Blockgröße), „File server“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 64 kB Blockgröße) und „Database“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 8 kB Blockgröße).

Auch hier haben die Controller mit Cache bei dem Lastprofil mit den kleinen Blöcken („Database“) einen Vorsprung.

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File copy File server Database

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Maximale Transaktionsraten, wahlfreier Zugriff, RAID 5, 8 SAS-12G-SSDs

Page 35: RAID-Controller Performance 2016 - sp.ts.  · PDF fileWhite Paper RAID-Controller Performance 2016   Seite 1 (50) White Paper Fujitsu Server PRIMERGY

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Sequentielle Zugriffe

HDDs

RAID 0 mit acht SAS-12G-HDDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren Durchsätze des logischen Laufwerks vom Typ RAID 0 bei sequentiellen Lastprofilen dar. Die beiden Säulengruppen in der Grafik zeigen die Durchsätze für die Standardlastprofile „Streaming“ (sequentieller Zugriff, 100% read, 64 kB Blockgröße) und „Restore“ (sequentieller Zugriff, 100% write, 64 kB Blockgröße).

Die Durchsätze sind hier deutlich durch HDD-Typ und -Anzahl limitiert.

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Streaming Restore

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Maximale Durchsätze, sequentieller Zugriff, RAID 0, 8 SAS-12G-HDDs

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White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

Seite 36 (50) http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/

RAID 10 mit acht SAS-12G-HDDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren Durchsätze des logischen Laufwerks vom Typ RAID 10 bei sequentiellen Lastprofilen dar. Die beiden Säulengruppen in der Grafik zeigen die Durchsätze für die Standardlastprofile „Streaming“ (sequentieller Zugriff, 100% read, 64 kB Blockgröße) und „Restore“ (sequentieller Zugriff, 100% write, 64 kB Blockgröße).

Beim sequentiellen Lesen und Schreiben erreichen oder übertreffen alle drei betrachteten Controller für dieses logische Laufwerk einen Durchsatz von annähernd dem vierfachen Maximaldurchsatz einer einzelnen HDD (hier also etwa 940 MB/s).

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Maximale Durchsätze, sequentieller Zugriff, RAID 10, 8 SAS-12G-HDDs

Page 37: RAID-Controller Performance 2016 - sp.ts.  · PDF fileWhite Paper RAID-Controller Performance 2016   Seite 1 (50) White Paper Fujitsu Server PRIMERGY

White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

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RAID 5 mit acht SAS-12G-HDDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren Durchsätze des logischen Laufwerks vom Typ RAID 5 bei sequentiellen Lastprofilen dar. Die beiden Säulengruppen in der Grafik zeigen die Durchsätze für die Standardlastprofile „Streaming“ (sequentieller Zugriff, 100% read, 64 kB Blockgröße) und „Restore“ (sequentieller Zugriff, 100% write, 64 kB Blockgröße).

Für logische Laufwerke vom Typ RAID 5 aus N HDDs gilt die Abschätzungsregel, dass der nutzbare Durchsatz maximal das (N-1)-Fache des maximalen sequentiellen Durchsatzes der HDD ist.

Im hier betrachteten Fall sind noch keine Controller-Grenzwerte wirksam. Daher wäre der maximale Durchsatz aufgrund von HDD-Anzahl und Typ abschätzbar als:

7 × 237 MB/s = 1659 MB/s

Die Grafik bestätigt dies.

Erklärung für die Abschätzungsregel:

Man betrachte eine beliebige der HDDs, aus denen das logische Laufwerk aufgebaut ist. Für diese HDD ist von N aufeinanderfolgenden Stripes genau einer ein Paritäts-Stripe. Diese Paritäts-Stripes sind Datenbereiche ohne Nutzdaten und reduzieren bei HDDs sowohl beim Lesen als auch beim Schreiben den nutzbaren Datendurchsatz.

Beim Lesen von der HDD wird der Paritätsblock einfach ignoriert. Da der Schreib-/Lesekopf (bedingt durch die Rotation der Spindel) eine gewisse Zeit zum Überstreichen des Paritätsblocks braucht, vermindert sich der nutzbare Datendurchsatz genau entsprechend diesem Zeitanteil. Beim Schreiben muss bei N Stripes genau ein Paritäts-Stripe geschrieben werden. Auch in diesem Fall ist also der nutzbare Datendurchsatz um den Anteil der Paritäts-Stripes geringer. Sowohl beim Lesen als auch beim Schreiben kann also der von dieser HDD lieferbare sequentielle Durchsatz aus Nutzdaten maximal nur ein Anteil (N-1)/N des maximalen sequentiellen Durchsatzes der HDD sein. Die Gesamtheit der N HDDs des logischen Laufwerks kann also maximal nur das (N-1)-Fache des maximalen sequentiellen Durchsatzes der HDD an Nutzdaten liefern.

Bei Lesen von SSDs können die Stripes aus Nutzdaten direkt adressiert werden. Es entsteht kein Zeitverlust dadurch, dass ein Schreib-/Lesekopf einen Stripe aus Paritätsdaten überstreichen und ignorieren müsste. Beim Schreiben auf SSDs ist der nutzbare Datendurchsatz jedoch auch entsprechend geringer, da zusätzlich zu den Nutzdaten ein Zeitintervall für das Schreiben des Paritäts-Stripes benötigt wird.

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Maximale Durchsätze, sequentieller Zugriff, RAID 5, 8 SAS-12G-HDDs

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White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

Seite 38 (50) http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/

SSDs

RAID 0 mit acht SAS-12G-SSDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren Durchsätze des logischen Laufwerks vom Typ RAID 0 bei sequentiellen Lastprofilen dar. Die beiden Säulengruppen in der Grafik zeigen die Durchsätze für die Standardlastprofile „Streaming“ (sequentieller Zugriff, 100% read, 64 kB Blockgröße) und „Restore“ (sequentieller Zugriff, 100% write, 64 kB Blockgröße).

Für „Streaming“ wird mit acht SAS-12G-SSDs als RAID 0 die Durchsatzgrenze der Controller in Leserichtung erreicht (ca. 5900 MB/s). Für „Restore“ ist hier die Maximal-Performance der SSDs maßgeblich, nicht die der Controller.

RAID 10 mit acht SAS-12G-SSDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren Durchsätze des logischen Laufwerks vom Typ RAID 10 bei sequentiellen Lastprofilen dar. Die beiden Säulengruppen in der Grafik zeigen die Durchsätze für die Standardlastprofile „Streaming“ (sequentieller Zugriff, 100% read, 64 kB Blockgröße) und „Restore“ (sequentieller Zugriff, 100% write, 64 kB Blockgröße).

Für „Streaming“ ist auch hier bei RAID 10 die Durchsatz-grenze der Controller in Leserichtung (ca. 5900 MB/s) der limitierende Faktor.

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Maximale Durchsätze, sequentieller Zugriff, RAID 0, 8 SAS-12G-SSDs

Maximale Durchsätze, sequentieller Zugriff, RAID 10, 8 SAS-12G-SSDs

Page 39: RAID-Controller Performance 2016 - sp.ts.  · PDF fileWhite Paper RAID-Controller Performance 2016   Seite 1 (50) White Paper Fujitsu Server PRIMERGY

White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/ Seite 39 (50)

RAID 5 mit acht SAS-12G-SSDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren Durchsätze des logischen Laufwerks vom Typ RAID 5 bei sequentiellen Lastprofilen dar. Die beiden Säulengruppen in der Grafik zeigen die Durchsätze für die Standardlastprofile „Streaming“ (sequentieller Zugriff, 100% read, 64 kB Blockgröße) und „Restore“ (sequentieller Zugriff, 100% write, 64 kB Blockgröße).

Für „Streaming“ ist auch hier bei RAID 5 die Durchsatzgrenze der Controller in Leserichtung (ca. 5900 MB/s) der limitierende Faktor.

Zum Erreichen der maxima-len Datendurchsätze ist hier bei RAID 5 – trotz der SSDs – der Modus „Performance“ im ServerView RAID Manager nötig. Entscheidend für das Erreichen des maximalen Datendurchsatzes bei „Restore“ ist hier der einge-schaltete Write-Cache der Controller.

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Maximale Durchsätze, sequentieller Zugriff, RAID 5, 8 SAS-12G-SSDs

Page 40: RAID-Controller Performance 2016 - sp.ts.  · PDF fileWhite Paper RAID-Controller Performance 2016   Seite 1 (50) White Paper Fujitsu Server PRIMERGY

White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

Seite 40 (50) http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/

Wahlfreie Zugriffe auf HDDs: Zusammenhänge zwischen RAID-Levels

Bei wahlfreien Zugriffen auf logische Laufwerke aus HDDs kann man für ein gegebenes Lastprofil aus der maximalen Transaktionsrate für RAID 0 durch Multiplikation mit einem geeigneten Faktor die maximale Transaktionsrate für ein anderes RAID-Level abschätzen. Hierbei müssen HDD-Anzahl und -Typ, Stripe Size und Controller identisch sein. Diese Zusammenhänge sollen in der folgenden Grafik zunächst anhand von Messwerten verdeutlicht werden.

Diese Prozentsätze lassen sich auch theoretisch schätzen, wenn man einen Vervielfachungsfaktor für wahlfreie Schreibzugriffe benutzt. Hierbei handelt es sich um die sogenannte „write penalty“, die definiert ist als:

# der verursachten Zugriffe aus Sicht der Gesamtheit der physikalischen Festplatten

# der verursachenden Schreibzugriffe aus Sicht der Applikation

Diese „write penalty“

1 hat bei RAID 0 den Wert 1, bei RAID 10 den Wert 2 und bei RAID 5 den Wert 4.

Zusammengenommen mit dem im jeweiligen Lastprofil enthaltenen Leseanteil (der sich nicht vervielfacht) ergibt sich ein spezifischer Vervielfachungsfaktor zwischen den Zugriffen aus Sicht der Applikation und den Zugriffen aus Sicht der Gesamtheit der Festplatten. Dieser Faktor bewirkt z. B. bei RAID 5 im Vergleich zu RAID 0, dass die Festplatten schon bei wesentlich geringeren Transaktionsraten aus Sicht der Applikation in Maximallast geraten. Diese theoretischen prozentualen Unterschiede zwischen den verschiedenen RAID-Levels sind in der folgenden Tabelle für die drei wahlfreien Standardlastprofile (und damit letztlich Schreibanteile) zusammengestellt:

Theoretisches Verhältnis von maximalen

Transaktionsraten beim Lastprofil

Verglichene RAID-Level File copy

(50% write)

File server

(33% write)

Database

(33% write)

RAID 10 / RAID 0 67% 75% 75%

RAID 5 / RAID 0 40% 50% 50%

Beim Vergleich dieser theoretischen Werte mit den Prozentsätzen in der obigen Grafik, die sich aus den Messwerten ergeben, wird man feststellen, dass die Prozentsätze in der Grafik etwas höher sind. Dies ist auf Optimierungsmaßnahmen der Controller mittels Cache-Nutzung zurückzuführen.

1 Bei RAID 10 drückt die 2 das doppelte Schreiben jedes Datenblocks aufgrund der Plattenspiegelung aus. Bei RAID 5

muss ein Schreibzugriff aufgrund des wahlfreien Lastprofils folgendermaßen ablaufen: 1) Alten Daten-Stripe lesen; 2) Alten Paritäts-Stripe lesen; 3) Neuen Paritäts-Stripe aus den gelesenen Stripes berechnen; 4) Neuen Daten-Stripe schreiben; 5) Neuen Paritäts-Stripe schreiben. Insgesamt bedeutet also das wahlfreie Schreiben eines Daten-Stripes zweimal Lesen und zweimal Schreiben. Daher also der Wert 4 für die „write penalty“.

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File copy File server Database

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Vergleich der RAID-Levels 0, 10 und 5,

wahlfreier Zugriff, 8 SAS-12G-HDDs, PRAID EP400i

Page 41: RAID-Controller Performance 2016 - sp.ts.  · PDF fileWhite Paper RAID-Controller Performance 2016   Seite 1 (50) White Paper Fujitsu Server PRIMERGY

White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/ Seite 41 (50)

RAID 0, 10 und 5 (mehr als acht SAS-SSDs)

Zum Betrieb von mehr als acht Festplatten in den jetzigen PRIMERGY-Servern stehen die beiden leistungsfähigsten Controller zur Verfügung: der PRAID EP400i und der PRAID EP420i. Hiermit sind derzeit Server-Konfigurationen mit bis zu 32 internen Festplatten möglich (z. B. in der PRIMERGY RX2560 M1). Im Folgenden sollen die maximale Durchsätze bzw. Transaktionsraten der Controller bei den verschiedenen RAID-Levels für die fünf Standardlastprofile zusammengestellt werden. Hierzu werden Messungen mit hohen SSD-Anzahlen benutzt: Bei RAID 0 und RAID 5 wird mit 24 SSDs gemessen, und bei RAID 10 mit 16 SSDs (letzteres ist bei RAID 10 die derzeitige Obergrenze für ein einzelnes logisches Laufwerk). Wie auch im vorhergehenden Unterkapitel werden zur Verdeutlichung Messungen mit leistungsfähigen SAS-12G-SSDs benutzt. Diese Festplatten sind im Kapitel „Messumgebung“ näher beschrieben.

Wahlfreie Zugriffe

RAID 0 mit 24 SAS-12G-SSDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren Transaktionsraten des logischen Laufwerks vom Typ RAID 0 bei wahlfreien Lastprofilen dar. Die drei Säulengruppen zeigen die Transaktionsraten für die Standardlastprofile „File copy“ (wahlfreier Zugriff, 50% read, 64 kB Blockgröße), „File server“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 64 kB Blockgröße) und „Database“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 8 kB Blockgröße).

Wesentlich ist hier die bei dem Lastprofil mit kleiner Blockgröße („Database“) erreichbare sehr hohe Transaktionsrate von etwa 240000 IO/s. Besonders für dieses Lastprofil zeigt sich die Wirkung der in der neuesten Controller-Firmware standardmäßig aktivierten Option FastPath.

In Form von SAS-12G-SSD-Anzahlen ausgedrückt heißt das: Um im Falle von RAID 0 die Möglichkeiten des PRAID EP400i auszuschöpfen, sind - je nach wahlfreiem Lastprofil - fünf (bei 8 kB Blockgröße) bis 17 (bei 64 kB Blockgröße) vollausgelastete SAS-12G-SSDs nötig. Bei geringerer Auslastung der SSDs oder bei anderen SSD-Typen müssen diese Anzahlen geeignet angepasst werden.

Es ist auch interessant, sich die Durchsatzwerte klarzumachen, die sich durch Umrechnung aus diesen Transaktionsraten ergeben. Trotz der geringeren Transaktionsraten haben die beiden Lastprofile mit 64 kB Blockgröße die höheren Durchsätze. Der PRAID EP420i bewältigt beispielsweise beim Lastprofil „File server“ etwa 7763 MB/s Durchsatz. Dieser Wert ist bemerkenswert, weil er höher liegt als die beiden sequentiellen Maximaldurchsätze des Controllers für 100% read und 100% write bei diesem RAID-Level. Ohne eine echte bidirektionale Nutzung der SAS-Verbindungen wäre dieser Wert nicht zu erreichen gewesen.

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Maximale Transaktionsraten, wahlfreier Zugriff, RAID 0, 24 SAS-12G-SSDs

Page 42: RAID-Controller Performance 2016 - sp.ts.  · PDF fileWhite Paper RAID-Controller Performance 2016   Seite 1 (50) White Paper Fujitsu Server PRIMERGY

White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

Seite 42 (50) http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/

RAID 10 mit 16 SAS-12G-SSDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren Transaktionsraten des logischen Laufwerks vom Typ RAID 10 bei wahlfreien Lastprofilen dar. Die drei Säulengruppen zeigen die Transaktionsraten für die Standardlastprofile „File copy“ (wahlfreier Zugriff, 50% read, 64 kB Blockgröße), „File server“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 64 kB Blockgröße) und „Database“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 8 kB Blockgröße).

Anmerkung:

Mit den hier beschriebenen Konfigurationen aus vielen SAS-12G-SSDs lassen sich bei kleinen Blockgrößen (≤ 8 kB) Transaktionsraten von mehreren hunderttausend IO/s erreichen. Das Handling von so vielen I/O-Aufträgen kann den verarbeitenden CPU-Core zu beinahe 100% auslasten. Dadurch kann die reale Frequenz der Server-CPU zum limitierenden Faktor werden. Um Messergebnisse zu erhalten, die auch für eine durchschnittliche CPU-Ausstattung und eine breite Auswahl von Server-Modellen gültig sind, wurde eine CPU mittlerer Nennfrequenz verwendet (Xeon E5-2660 v3 @ 2.60 GHz) und Performance-optimale BIOS-Einstellungen. In Xeon E5-2600 v4 basierten Servern erzielt man beispielsweise mit dem Prozessortyp Xeon E5-2623 v4 @ 2.60 GHz ebenfalls die hier dargestellten Transaktionsraten. Bei Verwendung einer frequenzoptimalen CPU kann man die hier wiedergegebenen Transaktionsraten noch deutlich übertreffen. Beispielsweise kann man mit einer CPU Xeon E5-2637 v3 @ 3.50 GHz oder Xeon E5-2637 v4 @ 3.50 GHz für ein logisches Laufwerk vom Typ RAID 0 aus 24 SAS-SSDs beim Lastprofil „Database“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 8 kB Blockgröße) statt ca. 250000 IO/s über 300000 IO/s erreichen.

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Maximale Transaktionsraten, wahlfreier Zugriff, RAID 10, 16 SAS-12G-SSDs

Page 43: RAID-Controller Performance 2016 - sp.ts.  · PDF fileWhite Paper RAID-Controller Performance 2016   Seite 1 (50) White Paper Fujitsu Server PRIMERGY

White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/ Seite 43 (50)

RAID 5 mit 24 SAS-12G-SSDs

Die folgende Grafik stellt die maximalen Transaktionsraten für die verschiedenen Controller am Beispiel eines logischen Laufwerks aus 24 SAS-12G-SSDs zusammen. Die drei Säulengruppen in der Grafik zeigen die Transaktionsraten für die Standardlastprofile „File copy“ (wahlfreier Zugriff, 50% read, 64 kB Blockgröße), „File server“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 64 kB Blockgröße) und „Database“ (wahlfreier Zugriff, 67% read, 8 kB Blockgröße).

In Form von SAS-12G-SSD-Anzahlen ausgedrückt heißt das: Um im Falle von RAID 5 die Möglichkeiten des PRAID EP400i auszuschöpfen, sind - je nach wahlfreiem Lastprofil - sieben (bei 8 kB Blockgröße) bis 17 (bei 64 kB Blockgröße) vollausgelastete SAS-12G-SSDs nötig. Bei geringerer Auslastung der SSDs oder bei anderen SSD-Typen müssen diese Anzahlen geeignet angepasst werden.

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/s]

Maximale Transaktionsraten, wahlfreier Zugriff, RAID 5, 24 SAS-12G-SSDs

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White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

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Sequentielle Zugriffe

Im Folgenden werden anhand von Messungen mit 24 (bzw. 16) SAS-12G-SSDs allgemeingültige Aussagen über die Controller zusammengestellt. Für andere Festplattentypen und -anzahlen kann man sich die zu erwartenden maximale Durchsätze hieraus durch geeignete Multiplikation aus den Basis-Performance-Werten der Festplatte errechnen. Wenn der so errechnete Durchsatz den Grenzwert des Controllers übersteigt, wird der Controller-Grenzwert wirksam.

RAID 0 mit 24 SAS-12G-SSDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren Durchsätze des logischen Laufwerks vom Typ RAID 0 bei sequentiellen Lastprofilen dar. Die beiden Säulengruppen in der Grafik zeigen die Durchsätze für die Standardlastprofile „Streaming“ (sequentieller Zugriff, 100% read, 64 kB Blockgröße) und „Restore“ (sequentieller Zugriff, 100% write, 64 kB Blockgröße).

Die hier dargestellten Datendurchsätze bei „Restore“ (ca. 6280 MB/s) sind die Grenze der hier verwendeten Controller bei RAID 0.

Die Grenze für „Streaming (ca. 5900 MB/s) wurde bereits bei acht SAS-12G-SSDs als RAID 0 erreicht.

PR

AID

EP

400i

PR

AID

EP

400i

PR

AID

EP

420i

PR

AID

EP

420i

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Streaming Restore

Thro

ughput

[MB

/s]

Maximale Durchsätze, sequentieller Zugriff, RAID 0, 24 SAS-12G-SSDs

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RAID 10 mit 16 SAS-12G-SSDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren Durchsätze des logischen Laufwerks vom Typ RAID 10 bei sequentiellen Lastprofilen dar. Die beiden Säulengruppen in der Grafik zeigen die Durchsätze für die Standardlastprofile „Streaming“ (sequentieller Zugriff, 100% read, 64 kB Blockgröße) und „Restore“ (sequentieller Zugriff, 100% write, 64 kB Blockgröße).

Die Grenze für „Streaming (ca. 5900 MB/s) wurde – wie bei RAID 0 – bereits bei acht SAS-12G-SSDs als RAID 10 erreicht.

PR

AID

EP

400i

PR

AID

EP

400i

PR

AID

EP

420i

PR

AID

EP

420i

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Streaming Restore

Thro

ughput

[MB

/s]

Maximale Durchsätze, sequentieller Zugriff, RAID 10, 16 SAS-12G-SSDs

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RAID 5 mit 24 SAS-12G-SSDs

Die nächste Grafik stellt die mit den verschiedenen Controllern erreichbaren Durchsätze des logischen Laufwerks vom Typ RAID 5 bei sequentiellen Lastprofilen dar. Die beiden Säulengruppen in der Grafik zeigen die Durchsätze für die Standardlastprofile „Streaming“ (sequentieller Zugriff, 100% read, 64 kB Blockgröße) und „Restore“ (sequentieller Zugriff, 100% write, 64 kB Blockgröße).

Die hier dargestellten Datendurchsätze bei „Restore“ (ca. 3100 MB/s) und „Streaming“ (ca. 5900 MB/s) sind die Grenzen der hier verwendeten Controller bei RAID 5.

Der Maximalwert für das sequentielle Schreiben ist bei RAID 5 ein wesentlicher Indikator für die Leistungsfähigkeit eines RAID-Controllers, da sich hierin relativ unverfälscht die Geschwindigkeit des Controllers bei der Berechnung der Paritätsblöcke widerspiegelt.

Zum Erreichen der maximalen Datendurchsätze ist hier bei RAID 5 – trotz der SSDs – der Modus „Performance“ im ServerView RAID Manager nötig. Entscheidend für das Erreichen des maximalen Datendurchsatzes bei „Restore“ ist hier der eingeschaltete Write-Cache der Controller.

PR

AID

EP

400i

PR

AID

EP

400i

PR

AID

EP

420i

PR

AID

EP

420i

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Streaming Restore

Thro

ughput

[MB

/s]

Maximale Durchsätze, sequentieller Zugriff, RAID 5, 24 SAS-12G-SSDs

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Einfluss der Controller-Cache-Größe

Generell bringt der größere Controller-Cache des PRAID EP420i (2 GB) gegenüber dem PRAID EP400i (1 GB) Performance-Vorteile bei logischen Laufwerken aus HDDs, die für wahlfreie Lastprofile mit hohem Schreibanteil benutzt werden. In anderen Anwendungsfällen bei HDDs und generell bei SSDs hat die Größe des Controller-Caches keinen nennenswerten Einfluss.

Am ausgeprägtesten ist der Vorteil des größeren Caches, wenn auf ein logisches Laufwerk vom Typ RAID 5 aus HDDs mit kleinen Blöcken (≤ 8 kB) wahlfrei, ausschließlich schreibend (0% random Read) zugegriffen wird. Hier bringt der größere Cache typischerweise einen Vorteil 20% bis 30%. Solche Lastprofile sind in der Praxis weniger häufig zu erwarten; Daten-Rücksicherungen mit einem hohen Anteil von kleinen Dateien gehören z. B. hierzu. Die meisten Server-Anwendungsszenarien enthalten mindestens einen Leseanteil von 50% (Datenbank-Server, Mail-Server, Web-Server). Für diese Fälle ist der Performance-Vorteil geringer.

Insgesamt hängt der Performance-Vorteil des größeren Caches bei wahlfreiem Zugriff auf ein logisches Laufwerke aus HDDs von folgenden Faktoren ab:

Umso größer, je höher der Schreibanteil ist Bei RAID 5 stärker als bei RAID 10 Bei kleiner HDD-Anzahl stärker als bei großer HDD-Anzahl Bei kleinen Blöcken stärker als bei großen Blöcken Umso größer, je stärker die Belastung ist

Um den Performance-Vorteil in Abhängigkeit von den wesentlichen Einflussgrößen prozentual zu verdeutlichen, betrachtet die folgende Vergleichstabelle eine geeignete Auswahl von Lastprofilen und Belastungsintensitäten. Die hierin enthaltenen Prozentzahlen sind typische Werte, die als Mittelwerte für eine breite Auswahl von HDD-Typen ermittelt wurden.

Lastprofil Belastungsintensität Performance-Vorteil (Prozente von IO/s) des PRAID EP420i gegenüber dem PRAID EP400i

RAID 5 (bis zu 8 HDDs) RAID 10 (bis zu 8 HDDs)

67% random read, 4 kB

Niedriglast bis vertretbare Hochlast

6-11% <6%

Überlast 6-11% 6-11%

67% random read, 64 kB

Niedriglast bis vertretbare Hochlast

<6% <6%

Überlast 6-11% 6-11%

0% random read, 4 kB

Niedriglast bis vertretbare Hochlast

20-30% 11-20%

Überlast 20-30% 11-20%

0% random read, 64 kB

Niedriglast bis vertretbare Hochlast

<6% <6%

Überlast 6-11% 6-11%

Anmerkungen:

Der Disk-Cache war in den hier betrachteten Fällen „Disabled“. Die Prozentsätze für die Einstellung „Enabled“ sind jeweils den entsprechenden Prozentsätzen für „Disabled“ sehr ähnlich

Die hier angegebenen Bereiche von Belastungsintensitäten wurden in den Messungen folgendermaßen modelliert: „Niedriglast bis vertretbare Hochlast“ entspricht 1-32 Outstanding I/Os; „Überlast“ entspricht 64-512 Outstanding I/Os

RAID 10 steht exemplarisch auch für RAID 0 und RAID 1 (RAID-Level ohne Paritätsberechnung); RAID 5 steht exemplarisch auch für RAID 6, RAID 50 und RAID 60 (RAID-Level mit Paritätsberechnung)

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Geringere Lastniveaus

Die Unterschiede zwischen den Controllern zeigen sich nicht nur in den erreichbaren Maximalwerten bei hoher Belastung, sondern auch schon bei geringerer Belastung. Die folgende Tabelle stellt daher für die einzelnen Controller die Maximalwerte für die sequentiellen Durchsätze einer einzelnen Anwendung zusammen, die bei ihren Zugriffen ohne Parallelität arbeitet (im weiteren Verlauf mit „1 Outstanding IO“ bezeichnet). Diese Maximalwerte gelten für alle RAID-Level, die von den Controllern unterstützt werden, und können nicht überschritten werden. Bei RAID 0 können diese Durchsätze erreicht werden; bei anderen RAID-Levels bleiben die Durchsätze meist darunter.

Controller Maximalwerte des sequentiellen Durchsatzes, 1 Outstanding IO, 64 kB Blockgröße

100% Lesen

(Lastprofil „Streaming“)

100% Schreiben

(Lastprofil „Restore“)

PRAID CP400i 490 MB/s 315 MB/s

PRAID EP400i 1300 MB/s 1375 MB/s

PRAID EP420i 1300 MB/s 1375 MB/s

Voraussetzung für das Erreichen dieser Werte beim sequentiellen Lesen ist die Einstellung „Read-ahead“ und beim sequentiellen Schreiben die Einstellung „Write-back“. Diese maximalen Durchsätze sind auch stark von der Blockgröße abhängig, wobei die Größenrelationen der Tabellenwerte untereinander für andere Blockgrößen ähnlich sind.

Die Unterschiede zwischen den Controllern der Tabelle werden spätestens dann bedeutsam, wenn das verwendete logische Laufwerk prinzipiell in der Lage ist mehr als 500 MB/s sequentiellen Durchsatz für „1 Outstanding IO“ zu ermöglichen. In solchen Fällen kann ein unpassend ausgewählter Controller als Einschränkung wirken.

Das folgende Beispiel illustriert dies anhand von Durchsatzmessungen bei einem logischen Laufwerk vom Typ RAID 0 aus acht SAS-12G-HDDs für das Lastprofil „Streaming“ (sequentieller Zugriff, 100% read, 64 kB Blockgröße). Verglichen werden die Controller PRAID CP400i und PRAID EP400i bei verschiedenen Anzahlen von parallelen Zugriffen („# Outstanding IOs“).

Man erkennt deutlich, dass in diesem Fall der PRAID CP400i für 1 und 2 Outstanding IOs nicht denselben Durchsatz erreicht wie der PRAID EP400i. Letzterer erreicht schon für 1 Outstanding IO einen Durchsatz von 844 MB/s, während der PRAID CP400i nur etwas mehr als die Hälfte davon erreicht.

Aus dem Blickwinkel der Antwortzeiten hieße das: Für geringe Belastungsintensitäten bei sequentiellen Zugriffen kann man mit dem PRAID EP400i im Vergleich zum PRAID CP400i die Antwortzeiten etwa halbieren.

490

994

1775

844

1568 1

842

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

1 2 4

PRAID CP400i

PRAID EP400i

Th

roughput

[MB

/s]

# Outstanding I/Os

Lastprofil „Streaming“, RAID 0, 8 SAS-12G-HDDs, bei verschiedenen

Belastungsintensitäten

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Fazit

Mit dem „Modular RAID“ Konzept bieten die PRIMERGY und PRIMEQUEST Server eine Fülle von Möglichkeiten, um den Anforderungen verschiedener Anwendungsszenarien gerecht zu werden.

Ein Onboard-Controller ist eine kostengünstige Einstiegsalternative für die RAID-Levels 0, 1 und 10, die einen PCIe-Steckplatz spart, aber auf sechs Festplatten beschränkt ist. Der anteilige Konsum von Prozessorleistung des Servers fällt bei neueren Servern immer weniger ins Gewicht.

Die derzeitigen Onboard-Controller unterstützen SATA-seitig die Standards bis zur Frequenz 6G.

Bei den PCIe-Controllern unterstützt die aktuelle Generation den Standard SAS-12G. Dadurch wurden die maximalen realen Datendurchsätze gegenüber der Vorgängergeneration von 3800 MB/s auf 6280 MB/s gesteigert.

Der geeignete PCIe-Controller für mittlere Anforderungen ist der PRAID CP400i. Dieser Controller hat keinen Cache, erlaubt bis zu acht Festplatten und unterstützt die RAID-Lösungen RAID 0, RAID 1, RAID 1E, RAID 10 und – anders als der Vorgänger-Controller – auch RAID 5.

Im High-End-Bereich bieten die RAID-Controller PRAID EP400i und PRAID EP420i alle heute gängige RAID-Lösungen RAID 0, RAID 1, RAID 1E, RAID 5, RAID 6, RAID 10, RAID 50 und RAID 60 an. Diese Controller haben einen Controller-Cache und können optional mit einer FBU gesichert werden. Vielfältige Möglichkeiten, die Nutzung des Caches einzustellen, erlauben eine flexible Anpassung der Controller-Leistung an den verwendeten RAID-Level. Eine weitere Optimierungsoption ist hierbei die einstellbare Stripe Size. In manchen Anwendungsszenarien, beispielsweise wenn wahlfreie Zugriffe auf konventionellen Festplatten mit hoher Belastungsintensität stattfinden, ermöglichen diese Controller eine um 75% höhere Transaktionsrate als der PRAID CP400i (Beispiel: RAID 0 mit vier SATA-6G-HDDs, wahlfreier Zugriff, 50% read, 64 kB Blockgröße).

Die RAID-Controller PRAID EP400i und PRAID EP420i unterscheiden sich nur in der Cache-Größe. Der erste hat 1 GB Cache, der zweite 2 GB. Der größere Cache empfiehlt sich für HDDs, die für wahlfreie Lastprofile mit hohem Schreibanteil benutzt werden.

Die Mehrzahl der Anwendungsszenarien, die das Disk-Subsystem beanspruchen, sind mit einem wahlfreien Schreib-/Lesezugriff verbunden. Wenn zur Bewältigung sehr hoher IO-Raten SSDs verwendet werden, hat der Controller einen erheblichen Einfluss auf die maximale Transaktionsrate. Bei einem logischen Laufwerk vom Typ RAID 0 und datenbanktypischen Zugriffen (67% read, wahlfrei, Blockgröße 8 kB) erlaubt beispielsweise der PRAID CP400i bis zu 164000 IO/s, der PRAID EP420i hingegen bis zu 248000 IO/s, also das 1.5-Fache. Bei einem logischen Laufwerk vom Typ RAID 5 sind die Unterschiede besonders groß: bei datenbanktypischen Zugriffen erreicht der PRAID CP400i bis zu 28700 IO/s, während der PRAID EP420i auf bis zu 133000 IO/s kommt, also etwa das 4.6-Fache. Bei RAID 5 in Zusammenhang mit SSDs ist also unbedingt der PRAID EP400i oder der PRAID EP420i zu wählen.

Unabhängig vom Festplattentyp haben die verschiedenen Controller jeweils maximale sequentielle Datendurchsätze, die spezifisch für den RAID-Level und das Lastprofil sind. Auch diese Maximalwerte haben sich im Vergleich zur Vorgängergeneration erhöht. Beim sequentiellen Schreiben auf ein logisches Laufwerk vom Typ RAID 5 erreicht beispielsweise der PRAID EP420i ca. 3100 MB/s, während der Vorgänger-Controller nur ca. 2200 MB/s erreichte.

Wenn für das geplante Anwendungsszenario eine höhere Transaktionsrate oder ein höherer Durchsatz benötigt wird, als ein einzelner Controller liefern kann, können zwei Controller benutzt werden. Einige PRIMERGY Server bieten diese Möglichkeit (z. B. PRIMERGY RX2540 M1).

Ein weiterer Aspekt der schnelleren Controller bei sequentiellen Zugriffsprofilen ist der erhöhte Durchsatz bereits bei geringer Parallelität der Zugriffe. Sofern das logische Laufwerk leistungsfähig genug ist, bedeutet dies in diesem speziellen Anwendungsfall, dass beim Lesen und beim Schreiben mit dem PRAID EP400i über 1300 MB/s möglich sind. Auch für diese Spezialfälle bedeutet das eine deutliche Steigerung der maximalen Durchsätze gegenüber den Controllern der Vorgängergeneration.

Zur Konfiguration von Controllern und Festplatten empfiehlt sich die für PRIMERGY Server mitgelieferte Software „ServerView RAID Manager“. Dieses Dienstprogramm ermöglicht Controller-unabhängig für die Mehrzahl der Anwendungsszenarien eine komfortable Anpassung der Controller- und Festplatteneinstellungen an die kundenseitigen Erfordernisse bezüglich Performance und Datensicherheit. Bei Verwendung von FBUs und USVen als Puffer bei Stromausfällen lässt sich die maximale Performance mit Datensicherheit vereinbaren.

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White Paper RAID-Controller Performance 2016 Version: 1.0d 2016-08-29

Seite 50 (50) http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/

Literatur

PRIMERGY & PRIMEQUEST Server

http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/

Performance von Server-Komponenten

http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/mission-critical/benchmarks/x86-components.html

Dieses White Paper: http://docs.ts.fujitsu.com/dl.aspx?id=9845be50-7d4f-4ef7-ac61-bbde399c1014 http://docs.ts.fujitsu.com/dl.aspx?id=7826d783-bc71-4cd7-8486-d74f4dc2509c http://docs.ts.fujitsu.com/dl.aspx?id=3075886a-3c79-4b5b-8d9f-e9269e083bef

BIOS-Optimierungen für Xeon E5-2600 v4 basierte Systeme

http://docs.ts.fujitsu.com/dl.aspx?id=cd6b22e3-f67a-42d4-beef-252153407a77

BIOS-Optimierungen für Xeon E5-2600 v3 basierte Systeme

http://docs.ts.fujitsu.com/dl.aspx?id=b0877217-e9ef-4c7b-943d-299c0a4c4637

RAID-Controller-Performance 2013 (Vorgänger White Paper)

http://docs.ts.fujitsu.com/dl.aspx?id=71fac54b-7ec3-4b3f-b13d-f80fbb42d583

512e-HDDs: Technologie, Performance, Konfigurationen

http://docs.ts.fujitsu.com/dl.aspx?id=811cfaa8-8825-4316-8165-68f4f7c1d7f1

Grundlagen Disk-I/O-Performance

http://docs.ts.fujitsu.com/dl.aspx?id=3d4fbad8-2a7e-465f-b9ee-d43b711f636d

Informationen über Iometer

http://www.iometer.org

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2016-05-20 WW DE


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