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NVMe mit TCP übertragen Lightbits bringt Software-definierte Lösung für disaggregierten Flash-Speicher

| Autor / Redakteur: lic.rer.publ. Ariane Rüdiger / Dr. Jürgen Ehneß

NVMe soll die Datenübertragung beschleunigen, kann aber bislang seine volle Leistungsfähigkeit meist nicht ausspielen. Mit TCP als Übertragungsprotokoll werden schnelle, leicht skalierbare disaggregierte Lösungen möglich. Lightbits ist ein Pionier dieser Technologie.

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Via TCP kann NVMe sein Geschwindigkeitspotential ausspielen.
Via TCP kann NVMe sein Geschwindigkeitspotential ausspielen.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

NVMe bleibt heute oft unter seinen Kapazitäts- und Leistungspotentialen, weil die Technologie, direkt angebunden, durch äußere Faktoren wie die vorhandenen Verbindungen oder Protokolle gehemmt wird. NVMe over Fabric (NVMe oF) soll das ändern. Eine Variante, NVMe/TCP, ermöglicht die Verwendung ganz normaler Ethernet-Verbindungen.

Entwickelt hat sie das israelisch-US-amerikanische Start-up Lightbits. Die junge Firma hat zudem eine frei konfigurierbare, disaggregierte und rein Flash-basierte NVMe/TCP-Lösung entwickelt. Flash soll sich damit wie lokale Storage verhalten, egal, wo es sich im Verhältnis zum verarbeitenden Rechner befindet.

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Jede Menge Flash-Know-how

Lightbits wurde 2016 gegründet und versteht sich als Engineering-lastig. Bisher gelang es, 55 Millionen US-Dollar in zwei Finanzierungsrunden einzuwerben. Beteiligt sind außer den Venture-Capital-Zweigen von Cisco, Dell und Micro auch Square Peg Capital, Walden International und namhafte private Kapitalgeber aus dem Tech-Sektor. Lightbits beschäftigt derzeit rund 70 Mitarbeiter.

Das Team kommt unter anderem von Mellanox, PMC Sierra, IBM und EMC. Von dort bringt es jede Menge Erfahrung mit Flash-Technologien und -Controllern, Netzwerktechnologien und Storage ein.

Diverse Markttrends öffnen die Türen für Lösungen, wie sie Lightbits anbietet. So fallen die Flash-Preise, es kommen schnell immer höher integrierte Flash-Technologien auf den Markt, die allerdings leichter verschleißen. Die Netzwerkgeschwindigkeiten nehmen erheblich zu. Zudem wachsen das Datenvolumen und damit die Storage sehr schnell.

Anwender möchten in ihren Rechenzentren aus Effizienzgründen zunehmend die Funktionsprinzipien der Hyperscaler nachahmen. Darauf deutet hin, dass auf dem diesjährigen Open Compute Project Global Summit berichtet wurde, nunmehr interessierten sich auch große Unternehmen für die dort konzipierten Technologien. Das Open Compute Project (OCP) wurde ursprünglich von Facebook gegründet, um offene, auf die Bedürfnisse der Hyperscaler zugeschnittene Lösungen zu entwickeln.

NVMe/TCP ist einsatzbereit

Der von Lightbits verwendete Stack, NVMe/TCP, ist ein fertiger Standard im Rahmen der Optionen von NVME oF, der beispielsweise bereits in Linux integriert ist. VMware soll bald folgen. An seiner Formulierung haben neben Lightbit die einschlägigen Netzgiganten wie Facebook und System- und Prozessorspezialisten wie Dell und Intel mitgewirkt.

Das Ziel ist, Datentransferprobleme zu beseitigen, um die immer stärker wachsenden Datenmengen zu bewältigen. Eran Kirzner, CEO und Gründer: „NVMe/TCP ist ein superoptimierter TCP-Stack, der mit dem NVMe-Stack kombiniert wurde.“ Die Technologie bringe genug Leistung für riesige Rechenzentren mit zig Systemen und Containern.

Mehr Effizienz durch übergreifende Flash-Verwaltung

Die zweite wichtige Komponente der Lightbits-Lösung ist ein sogenannter „Globaler Flash Translation Layer“ (FTL). Die Schicht übersetzt die logische Transaktion beim Speichern oder Auslesen von Daten auf die physische Flash-Ebene für alle Flash-Systeme in einer Box.

Die vorhandene Flash-Storage in einer disaggregierten Box lässt sich damit in Pools mit definierter Dienstqualität (QoS) aufteilen. FTL wird mit Tausenden von Transaktionen fertig und optimiert das Schreiben auf SSDs. Die Latenz sinkt laut Lightbits genau wie die Kosten auf die Hälfte. Das verbesserte Schreibmanagement führe auch zu längerer Standzeit. Eshegi: „Unsere Flash-Optimierungstechnologien sind einmalig im Markt.“

Zusammen mit weiteren Funktionen wie Erasure Coding ergebe sich daraus eine erhöhte Betriebseffizienz von Lösungen unter Lightbits-Software. Für die rechenzentrumsübergreifende Arbeit ist die Lösung nicht entwickelt worden, doch Kirzner berichtete von Kunden, die bereits solche Applikationen umsetzen. „Cloud-Edge-Systeme könnten definitiv ein Einsatzfeld sein“, sagte er.

Blitzschnelle Replikation

Wichtiger sei aber derzeit als Anwendungsidee der Einsatz in sehr großen, aus mehreren separaten Zonen bestehenden Rechenzentren. Zwischen mehreren Zonen könnten mittels Lightbits Replikationscluster eingerichtet werden. Replikationen ließen sich so über Standard-Ethernet mit entsprechend schnellen Geschwindigkeiten ohne Zeitprobleme durchführen. Immerhin sind inzwischen Ethernet-Geschwindigkeiten bis 800 Gbit/s realisierbar, wenn auch noch nicht in Produkten für einen breiten Markt.

Inzwischen werden Systeme entwickelt, die von vornherein für disaggregierte Storage konzipiert werden. Die inzwischen zu Intel gehörende Firma Habana Labs beispielsweise entwickelt ein solches System für die KI-Verarbeitung.

Einsatz in hyperkonvergenten Systemen

Auch für hyperkonvergente Systeme ist Lightbits laut Chefstratege Kam Eshegi geeignet. „Diese Infrastrukturen haben im Prinzip ein Problem mit der unabhängigen Skalierung von Compute und Storage“, sagt er. Auf der VMworld 2019 habe Lightbits eine entsprechende Demo mit VMware vSAN vorgeführt, bei der Lightbits als disaggregierte Storage für VMwares Storage-Virtualisierung funktionierte.

„vSAN-Anwender wollen ihre Storage unabhängig von den rechnenden Einheiten skalieren“, erklärt Eshegi. Ein Shared-Storage-Pool von Lightbits könne gleich mehrere vSAN-Pools mit disaggregierter Flash-Storage versorgen. Erweiterungen erforderten nur die Bereitstellung weiterer Volumes aus dem Storage-Pool an den entsprechenden vSAN-Cluster. Diese Lösung ist aber noch in der Entwicklung. Dasselbe gelte auch für andere HCI-Lösung.

Mögliche Disaggregationsvorteile

Disaggregation, wie sie Lightbits ermöglicht, könnte sich in Rechenzentren auch als energietechnisch sinnvoll erweisen. Denn oft erwärmen sich festplattenlose Speichersysteme erheblich geringer als die rechnenden Einheiten. Bringt man sie getrennt unter, müssen sie unter Umständen weniger intensiv gekühlt werden. Dies könnte ein neuer Ansatz für energetische Einsparungen sein. Denn Rechenzentren sehen sich zunehmend dem Vorwurf ausgesetzt, ihr Energieverbrauch steige unaufhörlich, ohne dass diesem Umstand tatsächlich Einsparungen in anderen Wirtschaftsbereichen gegenüberstünden, die durch Digitalisierung umgestaltet würden.

Ein anderer Aspekt disaggregierter Infrastrukturen besteht in der Möglichkeit, Daten auf disaggregierten Systemen noch besser physisch zu schützen als die Server selbst. Denn Server lassen sich schnell austauschen; gehen aber Daten real verloren, ist der Schaden oft erheblich.

On-Prem und große Cloud-RZs im Fokus

Der Fokus von Lightbits liegt derzeit auf On-Premises, entweder bei Providern oder Enterprises. Im kommenden Jahr hat sich Lightbits allerdings eine Variante vorgenommen, die auch in hybriden Umgebungen funktioniert.

Als Zusatz bietet Lightbits die Beschleunigerkarte Lightfield an, die sich auf unterschiedlichen Servern montieren lässt. Sie wird, so das Unternehmen, von rund der Hälfte der Kunden verwendet und beschleunigt die zum Grundlieferumfang der Lösung gehörenden Datenservices wie Deduplizierung oder Datenschutzfunktionen. Eshegi betont, dass man mittels dieser Karte auch weniger leistungsfähige Server als Basis eines disaggregierten Systems verwenden könne. Das könnte beispielsweise erlauben, Servern ein zweites Nutzungsleben zu ermöglichen oder schlicht weniger Geld auszugeben.

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Clients und Netz bleiben, wie sie sind

Eshegi betonte anlässlich einer Videopräsentation vor europäischen Fachjournalisten, dass es sich um eine echte Software-definierte Lösung handelt, die unabhängig von der unterlegten Hardware-Marke bei Servern oder Clients, etwa den Applikationsservern, und auch vom Prozessor (AMD/Intel) funktioniert. Änderungen oder Installationen an den Clients sind für die Nutzung von Lightbits im Gegensatz zu vielen Konkurrenzprodukten nicht erforderlich.

Die Software wird nur auf der Target-Seite, auf der sich die Storage befindet, installiert. Auch die Netzwerkkonfiguration muss nicht geändert werden. Selbst in Containerumgebungen kommt Lightbits bereits klar. Die Lightbits-Software (LightOS) läuft derzeit auf x86, neuere Prozessorgenerationen befinden sich im Proof of Concept (PoC).

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Über den Autor

lic.rer.publ. Ariane Rüdiger

lic.rer.publ. Ariane Rüdiger

Freie Journalistin, Redaktionsbüro Rüdiger