Die Beantwortung komplexer Konfigurationsfragen, wie beispielsweise die Ermittlung der optimalen RAID-Konfiguration für weit verbreitete 4-Bay-NAS-Systeme (Network Attached Storage), war eines der jüngsten Projekte.
Toshibas HDD-Innovationslabor in Düsseldorf
Die Wahl des richtigen RAID-Systems:
Große Unternehmen und KMU verschiedenster Branchen nutzen NAS-Systeme zur Datenspeicherung im Netzwerk und für den einfachen Zugriff auf Dateien. Diese Systeme enthalten mehrere Festplatten, die häufig in einer RAID-Konfiguration (Redundant Array of Independent Disks) angeordnet sind. Je nach Konfiguration kann die RAID-Technologie die Datensicherheit durch Funktionen wie Parität oder Spiegelung verbessern und so eine höhere Ausfallsicherheit und potenziell bessere Leistung bieten.
Die Konfigurationen für 1- oder 2-Bay-NAS-Systeme sind relativ einfach: ein einzelnes Laufwerk in einem 1-Bay-System ohne Festplattenredundanz oder zwei Laufwerke in einem 2-Bay-System mit Datenspiegelung (RAID 1). Die weit verbreiteten 4-Bay-NAS-Systeme bieten hingegen zahlreiche Konfigurationsmöglichkeiten. Die Wahl der Konfiguration bzw. die optimale RAID-Konfiguration für ein 4-Bay-NAS-System hängt stark vom jeweiligen Anwendungsfall ab. Um dies zu klären, führte das HDD Innovation Lab eine umfassende Evaluierung durch.
Einrichtung des Asustor AS5404T NAS im HDD-Innovationslabor von Toshiba
Toshibas Partner Asustor stellte ein Gerät seines NAS-Systems AS5404T zur Verfügung, ein 4-Bay-Modell mit 2,5-GbE-Netzwerkanschluss. Es unterstützt bis zu vier M.2-SSDs für Caching. Da das Ziel des Evaluierungsprojekts jedoch die Messung der Basisleistung des HDD-Arrays in Anwendungen mit kontinuierlichem Datenfluss war, wurde die Caching-Option nicht genutzt. Es ist jedoch anzumerken, dass SSD-Caching die Leistung bei zufälligen Zugriffen in kurzen Datenspitzen oder wiederholten Lesezugriffen auf denselben Speicherort verbessert. Letztendlich hängt die dauerhafte Leistung jedoch von der HDD-Geschwindigkeit und der gewählten RAID-Konfiguration ab.
Zwei 256 GB große M.2 NVMe SSDs wurden installiert, um einen Pool1 mit RAID 1 zu erstellen. Dieser Pool1 diente dem Betriebssystem, während der später installierte HDD-Pool2 für Benutzerdaten reserviert war. Diese Konfiguration stellt sicher, dass die Festplattenzugriffe des Betriebssystems die Speicherauslastung nicht beeinträchtigen.
Für den Test stattete das Labor das 4-Bay-NAS-System (AS5404T) mit vier 8-TB-Toshiba-N300-Festplatten aus. Das Labor evaluierte die drei gängigsten 4-Festplatten-Konfigurationen: RAID 5, RAID 6 und RAID 10.
Für jede RAID-Konfiguration richtete das Labor einen HDD-Speicherpool auf dem NAS ein, wartete auf die vollständige Initialisierung und erstellte ein Thick-Provisioned-iSCSI-Block-Speicherziel, das 80 % der nutzbaren Poolgröße verwendete. Ein iSCSI-Ziel wurde über die 2,5-GbE-Netzwerkschnittstelle mit einem Anwendungsserver verbunden, und ein logisches Windows-Laufwerk wurde erstellt und mit 2 TB Testdaten befüllt. In einer zweiten Benchmark-Runde wurden zwei iSCSI-Ziele im HDD-Pool erstellt und über separate 2,5-GbE-Verbindungen mit dem Anwendungsserver verbunden, um die volle Netzwerkbandbreite des AS5404T mit seinen zwei 2,5-GbE-Ports auszunutzen.
Es wurden drei Arten von Arbeitslasten evaluiert: sequentielles Schreiben und Lesen in 1-MB-Blöcken sowie gemischte zufällige Lese-/Schreibaufgaben.
Getestete RAID-Konfigurationen:
Je nach den spezifischen Anforderungen des NAS-Systems können drei Techniken in verschiedenen RAID-Konfigurationen implementiert werden. Wie der Name schon sagt, beinhaltet „Mirroring“ das Kopieren von Daten auf mehrere Festplatten, um Redundanz zu gewährleisten. „Striping“ hingegen ist eine Technik, die Daten auf mehrere Festplatten verteilt, um die Leistung zu verbessern. „Parität“ ist eine berechnete Form der Fehlerprüfung, die Datenredundanz bietet. Im Falle eines Festplattenausfalls rekonstruiert das NAS-System die verlorenen oder beschädigten Daten.
RAID 5:
Bei RAID 5 werden die Daten auf drei Festplatten verteilt. Die vierte Festplatte enthält Paritätsinformationen, die die Datenwiederherstellung im Falle eines Festplattenausfalls ermöglichen. Diese Konfiguration bietet eine Speichereffizienz von 75 % und stellt mit den vier 8-TB-Festplatten 24 TB nutzbaren Speicherplatz bereit. Die Lesegeschwindigkeit ist hoch, die Schreibgeschwindigkeit kann jedoch aufgrund der zu berechnenden und zu schreibenden Paritätsdaten reduziert sein. Bei einer Wiederherstellung muss die gesamte Parität neu berechnet werden, was ressourcenintensiv ist.
RAID
6, traditionell für RAID-Arrays mit sechs oder mehr Festplatten verwendet, speichert zwei Paritätsstreifen und ermöglicht es dem NAS-System, den Ausfall zweier Festplatten zu tolerieren. Dies ist hilfreich, wenn eine zweite Festplatte während der Wiederherstellung einer zuvor beschädigten Festplatte ausfällt. Bei Verwendung von nur vier Festplatten sinkt die Speichereffizienz auf 50 %, was zu einer nutzbaren Gesamtkapazität von 16 TB führt. Die höhere Toleranz gegenüber zufälligen Festplattenausfällen kann diese Wahl selbst für Systeme mit nur vier Festplatten rechtfertigen.
RAID 10:
Eine RAID-10-Konfiguration erreicht Redundanz, indem Daten auf jeweils zwei Festplatten dupliziert und diese Duplikate anschließend verteilt werden. Dadurch werden ressourcenintensive Paritätsberechnungen vermieden, allerdings sinkt die Speichereffizienz, was zu einer nutzbaren Kapazität von 16 TB führt. RAID 10 toleriert auch den Ausfall zweier Festplatten, jedoch nur, wenn diese nicht zum selben Festplattenpaar gehören.
Die beste Konfiguration ermitteln:
Labortests ergaben, dass die „beste“ Konfiguration vom primären Ziel des Benutzers abhängt: Kapazität, Schutz oder Leistung.
Bei Tests mit einer einzelnen 2,5-GbE-Verbindung war die sequentielle Leistung von RAID 5 und RAID 10 durch die Netzwerkbandbreite (~290 MB/s) begrenzt. RAID 6 zeigte aufgrund doppelter Paritätsberechnungen eine etwas geringere sequentielle Schreibleistung. Unter zufälligen gemischten Arbeitslasten erzielte RAID 10 die besten Ergebnisse, gefolgt von RAID 5 und RAID 6.
Die Empfehlungen lauten:
- Für maximale Speicherkapazität empfiehlt sich RAID 5, das eine Speichereffizienz von 75 % bei angemessener Geschwindigkeit und Sicherheit bietet.
- Für maximalen Datenschutz ist RAID 6 die beste Wahl; allerdings geht dies aufgrund der Toleranz gegenüber dem Ausfall zweier gleichzeitiger Festplatten auf Kosten von Geschwindigkeit und Speicherkapazität.
- Für maximale Leistung bei gemischten Arbeitslasten ist RAID 10 optimal, erfordert jedoch Kompromisse bei Speicherkapazität und Sicherheit.
Die Evaluierung untersuchte auch die Leistungsgrenzen des 4-Bay-NAS-Systems unter Verwendung beider 2,5-GbE-Verbindungen und überwand dabei die Einschränkungen der Netzwerkbandbreite.
Die Ergebnisse für RAID 5, RAID 6 und RAID 10 folgten denselben Trends: RAID 5 für hohe Speicherkapazität, RAID 6 für optimale Datensicherheit und RAID 10 für gemischte Arbeitslasten. Das Labor ermittelte jedoch eine optimierte Konfiguration, die die beste sequentielle Leistung bot.
Maximale Leistung erzielen
: Festplatten arbeiten am besten mit sequenziellen Operationen. Zwei iSCSI-Blöcke im selben Festplattenpool führen zu häufigen Suchvorgängen, wenn gleichzeitig auf beide Blöcke zugegriffen wird. Die Verwendung zweier separater RAID-1-Pools vermeidet dies. Diese vom AS5404T unterstützte Konfiguration verhindert häufige Suchvorgänge. Im Labor wurde für jeden Pool ein iSCSI-Block erstellt und über separate 2,5-GbE-Schnittstellen verbunden.
Mit einer 2xRAID1-Konfiguration und zwei 2,5-GbE-Anschlüssen erreichte das NAS-System sequentielle Schreibgeschwindigkeiten von 522 MB/s und sequentielle Lesegeschwindigkeiten von 572 MB/s. Diese Leistung übertrifft RAID10 und erreicht die theoretische Bandbreite von 2,5 GbE. Wenn Netzwerk und Anwendung mehrere logische Speichereinheiten unterstützen, bietet diese Konfiguration optimale Leistung bei gleichzeitig vergleichbarer Sicherheit und Speichereffizienz wie RAID10.
Stromversorgung und Kühlung:
Im Ruhemodus, also ohne Zugriff auf den Speicher oder die NAS-Benutzeroberfläche, entspricht der Stromverbrauch im Wesentlichen dem der NAS-Verarbeitungseinheit (20 W). Unter Volllast liegt der Stromverbrauch zwischen 50 W und 60 W. Beide Werte sind hervorragend und fördern Energieeffizienz und Nachhaltigkeit.
Das Kühlsystem des AS5404T hält die internen Festplattentemperaturen auch unter Last unter 50 °C. Zwar kann die langfristige Zuverlässigkeit der Festplatten bei Temperaturen über 45 °C abnehmen, doch längere Leerlauf- oder Ruhephasen bei niedrigeren Temperaturen tragen dazu bei, diesen Effekt zu minimieren. Für den Dauerbetrieb unter Volllast sollte die Umgebungstemperatur (externe Temperatur) jedoch 23 °C nicht überschreiten, um eine ausreichende Kühlung der Festplatten für maximale Zuverlässigkeit und minimales Ausfallrisiko zu gewährleisten.
Fazit:
Das Asustor AS5404T 4-Bay-NAS-System, ausgestattet mit vier Toshiba N300 HDDs, bietet hohe Kapazität, solide Leistung und effektiven Schutz vor Festplattenausfällen.
Mit einem einzelnen 2,5-GbE-Port erreichen RAID-5/6/10-Konfigurationen eine Netzwerkauslastung von ca. 250 MB/s. Mit beiden Ports liegt der Durchsatz zwischen 350 MB/s und 400 MB/s. Zwei RAID-1-Pools ermöglichen mehr als 500 MB/s, was dem theoretischen Limit von zwei 2,5-GbE-Ports entspricht.
Der Stromverbrauch des Geräts ist relativ gering (20 W im Ruhemodus, ~50 W im aktiven Modus) und die Kühlung ist effektiv, wodurch die Festplattentemperaturen für eine langfristige Zuverlässigkeit innerhalb der empfohlenen Grenzen gehalten werden.
Das HDD Innovation Lab von Toshiba steht Geschäftspartnern zur Verfügung, die eigene Tests durchführen oder Konfigurationen evaluieren möchten.
Autor: Rainer W. Kaese, Senior Director of HDD Business Development bei Toshiba Electronics Europe GmbH
