Das Kapazitäts-Performance-Dilemma beim Daten-Rebuild

HDD-Drehleier mit Wechselschwäche

| Autor / Redakteur: Walter Schadhauser / Tina Billo

2017 soll der Anteil von Festplatten an der gesamten Speicherkapazität knapp 80 Prozent ausmachen.
2017 soll der Anteil von Festplatten an der gesamten Speicherkapazität knapp 80 Prozent ausmachen. (Bild: IDC)

Seit einigen Jahren lässt die Fachpresse beim Anwender den Eindruck entstehen, dass die Unternehmens-IT untergeht, wenn nicht sofort auf Flash-Speichermedien umgestellt wird. Doch das Gegenteil ist der Fall, sollten die Prognosen von IDC stimmen. Festplatten stemmen auch weiterhin die große Last des Datenwachstums.

Obwohl es keiner so genau weiß, soll sich das Fassungsvermögen der im Jahr 2012 eingesetzten Datenspeicher auf etwa zwei Zetabyte (ZB) belaufen haben. Bis 2017 soll die erzeugte Datenmenge gemäß Schätzungen indes um das achtfache anwachsen. Das wären dann 16 ZB. Ob zu diesem Zeitpunkt auch so viel Speicherkapazität installiert sein wird, steht auf einem anderen Blatt.

In dem von IDC betrachteten Fünfjahreszeitraum werden laut Marktprognose der Analysten immer mehr Daten auf Festplatte gespeichert. Dementsprechend soll der Anteil, den die klassischen Medien im Hinblick auf die gesamt verfügbare Speicherkapazität stellen, von 66 auf knapp 80 Prozent ansteigen. Überschlägig gerechnet und im Worst Case würde der Anteil der auf Festplatten abgelegten Daten in diesem Fall von 1,32 auf 12,8 ZB zunehmen.

Begrenzte Betriebszeit

Angenommen die Ausfallrate einer Festplatte liegt bei einer Million Stunden und das Unternehmen besitzt ein halbwegs großes Speichersystem mit 2.000 Festplatten á je 8 Terabyte Kapazität. Dann fallen statistisch betrachtet innerhalb von zwei Monaten jeweils drei Laufwerke aus.

Hinzu kommt, dass eine Festplatte nach einer Betriebszeit von vier bis maximal fünf Jahren nicht mehr in ein primäres Speichersystem gehört. Das mechanische Funktionsprinzip begrenzt ihre Lebensdauer, so dass die Ausfallwahrscheinlichkeit zum Lebensende rapide ansteigt. Rein rechnerisch gibt es insofern viel und dauernd etwas zu wechseln.

Kommt es im operativen Betrieb zu Störungen oder Defekten, muss der Platteninhalt mittels Rebuild rekonstruiert werden. Doch der lässt sich typischerweise nur durchführen, wenn die Festplatte in einem Raid-Verbund arbeitet, beispielsweise einer Raid 1-, Raid 4- oder Raid 5-Konfiguration.

Ließe sich der Rebuild eines SATA-Laufwerks mit acht Terabyte Kapazität beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 100 Megabyte pro Sekunde durchführen, wäre der Speichercontroller selbst unter dieser optimistischen Annahme fast 24 Stunden mit der Rekonstruktion aller Daten beschäftigt. Sollte die Transferrate nur ein Zehntel dieses Wertes betragen, würde die Wiederherstellung neun Tage in Anspruch nehmen.

In dieser Zeit müssen Unternehmen mit einem Leistungsabfall des Systems leben, der bis zu 50 Prozent betragen kann. Auswirkungen auf die Anwendungsperformance sind unvermeidbar und für die einzelnen Applikationen definierte SLAs lassen sich nicht länger im vereinbarten Maße einhalten.

Die Speicherkapazitäten von Festplatten werden wachsen

Obgleich sich die Hersteller heute für eine ausgewogene Mischung unterschiedlicher Festplattentypen aussprechen, sollten sich Unternehmen neben den angeführten Vorteilen auch über die Kehrseiten dieses Lösungskonzepts im Klaren sein.

Derzeit lautet die gängige Empfehlung der meisten Anbieter anteilig fünf Prozent SSDs, 15 Prozent SAS- und 80 Prozent NL-SAS oder SATA-Laufwerke einzusetzen. Althergebrachte Speichermedien stellen damit immer noch das Gros. Diese sind in verschiedenen Formfaktoren erhältlich und unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Rotationsgeschwindigkeit sowie I/O-Leistung, den unterstützten Zugriffszeiten und der als "Meantime between failures" angegeben mittleren Zeitspanne zwischen Ausfällen, die als Zuverlässigkeitsindikator angesehen wird.

In Sachen Kapazität sind bei NL-SAS- und SATA-Platten derzeit ein, zwei und vier Terabyte Standard. Doch einige Anbieter arbeiten mit Hochdruck daran, die Speicherdichte pro Volumen zu erhöhen. Erste Beispiele hierfür sind die von HGST vorstellte Helium-Platte mit acht Terabyte oder die Nanocontact Magnetic Resistance-Technologie (NC-MR), die den angekündigten neuen 5-TB-Laufwerken von Toshiba zugrunde liegt. Fujitsu verfolgt wiederum den Ansatz, durch eine höhere Positionierung des Magnetkopfs über der Oberfläche eine Flächendichte von einem Terabyte pro Quadratzoll zu erreichen.

Sollten Seagate, HGST und andere mit Aufzeichnungsverfahren wie Heat Assisted Magnetic Recording (HAMR) erfolgreich sein, könnte die Speicherkapazität einer 3,5-Zoll-Platte sogar auf 50 Terabyte steigen.

Die klassischen Rebuild-Methoden greifen nicht mehr

Ohne Frage eröffnet die Verfügbarkeit noch kapazitätsstärkerer Platten Unternehmen die Möglichkeit, der Datenflut besser Herr zu werden. Allerdings bleibt das allseits bekannte Problem bestehen, dass die Wiederherstellung ausgefallener Laufwerke zeitaufwändig ist. "Je größer die Festplatte, desto länger der Zeitraum, bis deren Inhalt vollständig rekonstruiert ist", so die Faustformel.

Des Weiteren nehmen Faktoren wie die Zahl der im Raid-Array vorhandenen Laufwerke, die gesetzten Raid-Levels, die Rechenleistung des Raid-Controllers sowie die Schreibgeschwindigkeit auf der zu erneuernden HDD und die Lesegeschwindigkeit der weiterhin aktiven Festplatten enormen Einfluss auf die Rebuild-Zeit.

Die Krux liegt darin, dass die Laufwerke eines Raid-Arrays im Produktivbetrieb ohnehin zu 90 Prozent ausgelastet sind. Ist eine Festplatte nicht länger ansprechbar oder muss diese ersetzt werden, wird beim Rebuild-Verfahren auf die gleichmäßig auf den funktionsfähigen Laufwerken verteilten Originaldaten und Paritätsinformationen zugegriffen.

Allerdings reicht die verbleibende Leseleistung in Höhe von 10 Prozent nicht aus, um einen schnellen Rekonstruktionsvorgang zu gewährleisten. Eine Beschleunigung geht zu Lasten der System-Performance und wirkt sich darüber hinaus negativ auf die Anwendungsleistung aus.

Betrieb geschäftskritischer Anwendungen erfordert Höchstleistung

Unternehmensentscheidende Applikationen wie beispielsweise Datenbanken sind jedoch auf eine gleichbleibend hohe Performance angewiesen. Die für den laufenden Geschäftsbetrieb wichtigen Informationen müssen permanent und in Hochgeschwindigkeit verfügbar sein.

Dementsprechend sehen es IT-Administratoren als kritisch an, diese auf mit NL-SAS- oder SATA-Platten ausgestatteten Nearline-Speichern vorzuhalten. Auch in abgestuften aus verschiedenen Tiers zusammengesetzten Speicherhierarchien ist darauf zu achten, dass sich ein Festplattenaustausch ohne Performance-Einbrüche oder lange Rekonstruktionszeiten realisieren lässt.

Unternehmen, die aus Kostengründen auch in Zukunft auf die Festplatte setzen, sollten nicht länger an konventionellen Raid-Systemen festhalten. Ein Umstieg auf modernere Konzepte ist zwingend notwendig, wenn die HDD-Speicherkapazitäten die 10-Terabyte-Grenze mit dem Perpendicular Recording Aufzeichnungsverfahren (PMR) nehmen.

Übrigens: Festplatten mit Shingled Magnetic Recording gehören nicht in den Primärspeicherbereich.

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