NAS und SAN auf einer Plattform

NAS und SAN auf einer Plattform: So schlägt sich das QSAN XCubeNXT XN8024D mit Toshibas MG08-HDDs

Fachbeitrag

Welche Performance ein Storage-System in der Praxis bietet, können Unternehmen vorab nur schlecht einschätzen. Das Datenblatt liefert zwar theoretische Leistungswerte, doch die können je nach Festplattenbestückung und im Einsatz mit echten Daten abweichen. Um eine Orientierung zu bieten, hat Toshiba Electronics Europe (Toshiba) ein QSAN XCubeNXT XN8024D mit 24 16-TB-HDDs aus der MG08-Serie ausgerüstet und einige Tests durchgeführt – und dabei auch ermittelt, wie sich unterschiedliche Festplattenkonfigurationen auf die Gesamtleistung auswirken.

Eine der größten Herausforderungen für kleine und mittelständische Unternehmen bei der Auswahl großer und multifunktionaler Storage-Systeme ist es, vorab abzuschätzen, welche Leistung diese nach der Installation tatsächlich erreichen. Dafür genügt ein Blick ins Datenblatt nicht: Der Markt hält viele Lösungen bereit, die mit ähnlichen Prozessoren bestückt sind, ähnlich viel Arbeitsspeicher mitbringen und sich auch von den Features weitgehend gleichen. Unbekannt bleibt letztlich, welche Performance das System mit welchen Festplatten erzielt und wie sich die Festplattenkonfiguration auf die Gesamtleistung auswirkt. Um Unternehmen einige Anhaltspunkte und Vergleichswerte zu liefern, hat Toshiba ein QSAN XCubeNXT XN8024D im Labor eingehend getestet. Bei dem Gerät handelt es sich um ein Unified-Storage-System für SMB- und Enterprise-Nutzer, das im Rack vier Höheneinheiten belegt und 24 Laufwerksschächte besitzt, die von vorne zugänglich sind, und mit dualem SAS-Controller sowie redundanter Stromversorgung ausgestattet ist.

Das XN8024D kann als NAS-System (Network Attached Storage) für klassische Fileshares eingesetzt werden und gleichzeitig als Blockspeicher für dedizierte SANs (Storage Area Network). Die Anbindung erfolgt über iSCSI oder Fibre Channel. Durch den Aufbau mit Dual-Controller, der parallele Zugriffe aus dem Netzwerk auf die HDDs erlaubt, eignet sich das System am besten für hochkapazitive Nearline-SAS-Festplatten. Für den Test wurde es mit 24 Top-HDDs aus der MG-Serie von Toshiba bestückt: dem Modell MG08SCA16TE mit 16 TB und 12-Gb/s-SAS-Schnittstelle, das als Enterprise-Capacity-Laufwerk für den Einsatz in Storage-Arrays und anderen Enterprise-Systemen ausgelegt ist.

Beide Controller hat Toshiba via SFP+ mit 10GbE an ein SAN angebunden und dafür das installierte Modul mit vier SFP+-Ports genutzt, für den Test allerdings nur eine einzelne Netzwerkverbindung (Single-Path) verwendet. In einer Produktivumgebung könnten die Verbindungen über beide Controller kombiniert werden (Dual-Path), um eine stabile und zuverlässige Anbindung des Speichers an Clients herzustellen. Darüber hinaus wurden für die gleichzeitige NAS-Anwendung zwei 10GbE-LAN-Verbindungen aufgebaut und der 1GbE-Management-Port für den Zugriff auf die browserbasierte Konfigurationsoberfläche des QSM-Betriebssystems genutzt.

Ermittlung der Basisperformance des Storage-Systems

Die 24 16-TByte-HDDs bringen es auf eine Gesamtkapazität von 384 TB, wurden allerdings wie in der Praxis üblich als RAID 10 konfiguriert, das 192 TB bereitstellt. In diesem Speicherpool hat Toshiba zwei Volumes eingerichtet, jedes mit einem Shared Folder mit 48 TB und einem iSCSI-Target ebenfalls mit 48 TB. Ein Produktivsystem würde typischerweise noch mit SDDs als Cache bestückt sein, doch der Performance-Zugewinn hängt sehr stark von den Workloads ab. Zudem hat sich Toshiba zunächst auf ein reines HDD-Array konzentriert, um die Basisperformance des Systems zu ermitteln. Ein Test mit SSD-Cache wurde zum Abschluss durchgeführt.

Als erstes hat Toshiba die Lese- und Schreibbandbreite getrennt für NAS (über das übers Netzwerk freigegebene Verzeichnis) und SAN (über das in einen Server eingebundene iSCSI-Target) ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zu sehen, wobei „1 x Writing“ einen Schreibprozess von einem Server auf ein Verzeichnis und „2 x Writing“ zwei Schreibprozesse von zwei Servern auf zwei Verzeichnisse kennzeichnet (analog dazu die Bezeichnung bei den Leseprozessen). Es folgte ein Test, bei dem Lese- und Schreiboperationen auf NAS und SAN gleichzeitig durchgeführt wurden (Tabelle 2). Insgesamt lag die Bandbreite des Storage-Systems bei etwa 800 bis 900 MB/s.

Die reine Bandbreitenmessung allein spiegelt allerdings noch nicht akkurat die Performance wider, die Workloads unter Produktivbedingungen erreichen. Daher wurde ein weiterer Test unter Bedingungen durchgeführt, die eher echten Workloads von Storage-Systemen für E-Mail-Server, Datenbanken oder die Videoüberwachung entsprechen. Das gelingt mit einer Kombination aus zufälligen Lese- und Schreibvorgängen für 4-kB-Blockgrößen, sequentiellen Reads und Writes für 1-MB-Blockgrößen und gemischten Lese- und Schreibvorgängen mit unterschiedlichen Blockgrößen. Die Messung erfolgte mit dem Tool „fio“¹ und den in Listing 1 aufgeführten Parametern.

Die Ergebnisse in Tabelle 3 beziehen sich auf Zugriffe auf ein logisches Volume mit einem iSCSI-Target in einer RAID-10-Konfiguration mit einem Pool aus 24 HDDs. Die sequentiellen Reads mit 1-MB-Blöcken erreichten mit 1,12 GB/s ungefähr das theoretische Maximum von 10GbE-Netzwerken.

Was bringt ein zweiter Storage-Pool?

Im Dokument „How to Adjust Performance in Windows“² beschreibt QSAN einige Best Practices für den Einsatz der XCubeNXT-Serie und empfiehlt, zwei Speicherpools einzurichten, um die bestmögliche Leistung zu erzielen. Das erscheint einerseits sinnvoll, weil zwei Controller im System verbaut sind und jeder Speicherpool eigenständig angesprochen werden kann. Andererseits bedeutet es aber auch, dass die Pools nur aus zwölf HDDs bestehen – was sich typischerweise in einer geringeren Leistung niederschlagen sollte, da nur zwölf statt 24 Festplatten gleichzeitig Daten liefern.

Um zu überprüfen, was in der Praxis die besseren Ergebnisse bringt, hat Toshiba das XN8024D mit zwei Speicherpools konfiguriert, in denen jeweils zwölf HDDs in einem RAID 10 stecken. Jeder Pool stellt ein Shared Folder mit 48 TB und ein  iSCSI-Target mit 48 TB bereit und wird über einen eigenen Controller angesprochen. Es handelt sich also nicht um eine Hochverfügbarkeitskonfiguration (Dual-Path).

Wie erwartet ist die Leistung beim Zugriff auf ein einzelnes Shared Folder oder iSCSI-Target in dieser 12-HDD-Konfiguration geringer als bei einem Pool mit 24 HDDs (Tabelle 4). Beim gleichzeitigen Zugriff auf die beiden 12-HDD-Pools lag die Gesamtleistung indes auf dem Niveau des 24-HDD-Pools.

Die praxisnäheren Workloads-Tests mit „fio“ wurden mit den zwei 12-HDD-Pools wiederholt. Die Ergebnisse in Tabelle 5 zeigen, dass ein einzelner Workload auf einem einzelnen iSCSI-Target etwas geringere Leistungswerte erreicht als bei einem Target auf einem 24-HHD-Pool. Zwei Workloads auf zwei getrennten iSCSI-Tarbets lieferten kombiniert aber eine erheblich höhere Leistung.

Ausgehend von diesen Zahlen ist klar, dass für ein einzelnes Shared Folder oder ein großes Laufwerk mit Blockspeicher ein einzelner Pool mit 24 HHDs die beste Konfiguration ist und die höchste Performance liefert. Der praxisnähere Fall mit mehreren Verzeichnissen und/oder Blockspeichern, auf die individuell zugegriffen wird, sollte besser mit zwei Pools von zwölf HDDs umgesetzt werden, da sie in diesem Szenario eine höhere Workload-Performance erreichen können.

Performance-Boost durch SSD-Cache – aber nur bei Random-Zugriffen

Wie erwähnt kommt in den meisten Produktivsystemen ein SSD-Cache zum Einsatz, um die Performance zu verbessern – insbesondere bei zufälligen Lese- und Schreiboperationen. Die Konfiguration mit zwei Speicherpools im XN8024D wurde beibehalten, allerdings eine der zwölf HDDs in einem Pool entfernt, um Platz für eine Enterprise-SSD mit 1,6 TB und SAS-Schnittstelle zu schaffen, die für 10 DWPD ausgelegt ist. Wegen der RAID-10-Konfiguration kann die elfte HDD dann nicht verwendet werden, bleibt aber als Hot-Spare-Platte im Gehäuse. Sie könnte bei einem Festplattenausfall im laufenden Betrieb anstelle des defekten Laufwerks eingebunden werden. Das QSAN-System bietet übrigens auch andere Komponenten, die als Field Replaceable Units (FRU) direkt im Betrieb ausgetauscht werden können (Hot-Swapping).

Erneut hat Toshiba die Benchmarking-Skripte aus Listing 1 verwendet, um auf die neue Konfiguration zuzugreifen. Erwartungsgemäß profitiert die Leistung beim sequentiellen Lesen und Schreiben nur wenig vom SSD-Cache. Die Performance bei zufälligen Lese- und Schreibzugriffen steigt jedoch signifikant – und zwar um den Faktor vier bis sechs (Tabelle 6).

Um den Test abzurunden, führte Toshiba auch eine Reihe von Messungen der Leistungsaufnahme und des Geräuschpegels des Systems durch und ermittelte die Temperatur der Festplatten während der verschiedenen Tests (Tabelle 7).

Fazit: Hohe Leistung bei exzellenter Energieeffizienz

Das QSAN XN8024D bietet Systemadministratoren und Storage-Spezialisten in SMBs und Enterprise-Unternehmen eine hohe Speicherkapazität und Performance gepaart mit hoher Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit. Das System ist, wie die niedrigen gemessenen Festplattentemperaturen zeigen, effizient gekühlt, was zu einer langen Lebensdauer und niedrigen Festplattenausfallraten beiträgt. Darüber hinaus ist der Geräuschpegel für diese Art von Rackmount-System in Ordnung.

Bestückt mit 24 Enterprise-SAS-HDDs von Toshiba mit 16 TB kann eine Rohkapazität von 384 TB erreicht werden. Je nach Konfiguration entspricht das einer Nettokapazität von 192 TB (bei einem Pool von 24 HDDs in einem RAID 10) oder 320 TB (bei zwei Pools mit je zwölf HDDs in einem RAID 6). Die sequentielle Lese- und Schreibleistung ist mit 1.000 MB/s und die Leistung bei Random-Reads und -Writes mit 2.000 bis 3.000 IOPS (ohne SSD-Cache) sehr respektabel. Für einen einzelnen Blockspeicher oder File-Storage ist ein einzelner Pool mit 24 HDDs der bevorzugte Ansatz. Werden mehrere Blockspeicher benötigt oder soll gleichzeitig auf mehrere Shared Folder zugegriffen werden, liefern jedoch zwei Pools mit je zwölf HDDs eine höhere Gesamtleistung.

Der Dual-Controller des XN8024D sorgt für Hochverfügbarkeit, wo diese benötigt wird. Im Test konnte Toshiba zeigen, dass der Controller auch genutzt werden kann, um Single-Path-Engpässe sowohl im Block- als auch im NAS-Betrieb zu eliminieren. Mit einer Leistungsaufnahme von unter 400 W, was etwa 2 W pro TB Nettokapazität entspricht, und in Anbetracht der Tatsache, dass Controller sowie Netzwerkinterfaces (SFP+ und RJ) hier schon mit einbezogen sind, liefert die Unified-Storage-Lösung eine exzellente Energieeffizienz.

Toshiba Electronics Europe GmbH
https://www.toshiba-storage.com/de/

² https://www.qsan.com/data/dl_files/QSAN_Best%20Practice_XCubeNXT_How%20to%20Adjust%20Performance%20in%20Windows_2007_(en).pdf

Abbildungen

Aufmacherbild / Quelle  (QSAN_XN8024D_Rueckseite_Foto.jpg)