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Unterschied SATA - SAS - Einsatz von SSDs

Dieser Artikel geht auf die Unterschiede der Schnittstellen SATA-SAS ein und behandelt in weiterer Folge das Thema SSD. Außerdem beantwortet er die Frage, warum gerade der Einsatz von SSDs einen Performanceschub für die NTCS bedeutet. 

Für die NTCS ist vor allem die IOPS-Leistung (Input/Output Operations per Second) wichtig. Wie viele Zugriffe/Operationen kann ein Medium (z.B. eine Festplatte oder SSD) pro Sekunde abarbeiten. Ein wichtiger Aspekt sollte hier nicht vernachlässigt werden. Nicht nur der Datendurchsatz (Bandbreite) ist zwangsweise entscheidend für eine gute Performance. 

 

1. Bandbreite ist nicht Performance 

MB/s und GB/s sind wichtig für: 

  • Backbone Netzwerke
  • Data-Streaming
  • Disk-to-Disk Backup 


IO/s sind wichtig für: 

  • Transaktionsorientierte Applikationen 
  • Datenbanken (z.B. SQL und Oracle) → NTCS!
  • Daten-Analyse

In weiterer Folge gibt es mittlerweile mehrere Schnittstellen, über die Festplatten und SSDs angeschlossen werden können. Wir konzentrieren uns hier bei den HDDs auf SATA udn SAS, wobei für SSDs auch bereits die Schnittstellen NVMe (vor allem im Serverbereich) und M.2 (Consumer Bereich) zum Einsatz kommen können. 

Bevor wir auf die Unterschiede eingehen, möchten wir einen Geschwindigkeitsvergleich zwischen einer HDD und SSD zeigen. Ausschlaggebend sind für den Einsatz von datenbankorientierten Anwendungen, wie die NTCS, die IOPS und Latenzzeiten der jeweiligen Medien. Hier lässt sich bereits sehr gut der Vorteil einer SSD gegenüber HDD erkennen. 

 

TestszenarioConsumer HDDConsumer SDD

4k Ran. Read IOPS

~ 184 IOPS

~ 65.000 IOPS

4k Ran. Write IOPS

~ 102 IOPS

~ 94.000 IOPS

4k Write Latency (Avg)

~ 4.8ms

~ 0.45ms

 

 

2. MYTHOS

 SATASAS
Bandbreite

bis 6 GBit/sek

bis 12 GBit/sek

Kapazität

bis 8 TB

bis 1,8 TB

Umdrehungen pro Minutebis 7.200

bis 15000

Durchschnittliche Zugriffszeit7,6 – 12,0 ms

2,9 – 4,0 ms

Duplex-Betriebneinja
Dual Portingneinja

 

Für den Datenbankbetrieb ist ausschließlich die Random I/O-Leistung (Performance) von Bedeutung und diese ist bei einer einzelnen SAS-Festplatte bis zu 4 x höher als bei einer SATA-Festplatte (Zugriffszeit)! Außerdem kann eine SAS-Festplatte Schreib - und Leseoperationen parallel durchführen (Duplex-Betrieb)!

 

Die Festplattenperformance skaliert zusätzlich mit der Anzahl der Platten! Werden die Festplatten überfordert, so bricht die Geschwindigkeit oft massiv ein, obwohl Prozessor, Arbeitsspeicher und Netzwerk völlig unausgelastet sind. 

DIE ANZAHL DER PLATTEN IST ALSO EXTREM WICHTIG!

 

3 Optimierungsstrategien für das Disk Subsystem: 

  • SAS anstatt SATA
  • RAID Controller anstatt Onboard Controller
  • Effiziente RAID Varianten und "richtige" Anzahl an Festplatten
  • Richtige Strip Size verwenden (z.B.: bei RAID5 64kB anstatt 16kB)
  • Write Back Cache (BBWC/FBWC)
    • Sehr gut für Random-I/O Daten
    • Neutral für sequentielle Daten (gut für kurze Bursts)
  • mehr Festplatten
  • festplatten mit 15k rpm
  • 2.5" Platten verwenden - kleinere Platten haben kürzere Zugriffszeiten
  • Solid State Drives (SSDs)
    • auch als Cache-Ersatz für BBWC/FBWC
    • somit viel größerer Cache-Spieler
    • und viel höhere Random-Read Leistung
  • Trennen von sequentiellen und Random- I/O Daten auf unterschiedliche RAID Controller und RAID Varianten
    • z.B. Betriebssystem, Log-Dateien und Datenbanken auf jeweils eigene Controller und eigene RAIDs aufteilen. 

 

4. ÜBERBLICK DER GÄNGIGSTEN RAID-VARIANTEN


4.1 Raid 0 - Striping

KapazitätAnzahl der Platten mal Kapazität der kleinsten Einzelplatte
GeschwindigkeitSehr hoch, exzellente Schreib- und Leseperformance
AusfallswahrscheinlichkeitSehr hoch, bei Ausfall einer Platte Gesamtverlust der Daten
KostenSehr gering, kein Kapazitätsverlust
Minimale Plattenanzahl 2
AnwendungVideoschnitt, Temporärspeicher

 

4.2 RAID 1 - Mirroring

KapazitätHalbe Anzahl der Platten mal Kapazität der kleinsten Einzelplatte
GeschwindigkeitHoch, sehr gute Leseperformance, Schreibperformance wie Einzelplatte
AusfallswahrscheinlichkeitGering, eine Platte kann ohne Datenverlust ausfallen
KostenHoch, nur halbe Kapazitätsnutzung
Minimale Plattenanzahl 2
AnwendungBetriebssystem, Datenbank, hohe I/O-Last

 

4.3 RAID 10 - Striped Mirror

KapazitätHalbe Anzahl der Platten mal Kapazität der kleinsten Einzelplatte
GeschwindigkeitSehr hoch, sehr gute Leseperformance, gute Schreibperformance
AusfallswahrscheinlichkeitGering, eine Platte kann ohne Datenverlust ausfallen (Sicherheit ist 1+x)
KostenHoch, nur halbe Kapazitätsnutzung
Minimale Plattenanzahl 4
AnwendungDatenbanken, hohe I/O-Last

 

 

4.4 RAID 5 - Distributed Data Guarding

KapazitätAnzahl der Platten minus 1 Mal der Kapazität der kleinsten Einzelplatte
GeschwindigkeitNormal, gute Leseperformance, bescheidene Schreibperformance
AusfallswahrscheinlichkeitGering, eine Platte kann ohne Datenverlust ausfallen
KostenGering, nur eine Platte Verlust
Minimale Plattenanzahl 3
AnwendungFileserver, Testsystem, Archivierung, Backup-to-Disk

 

4.5 RAID 50 - Striped RAID 5

KapazitätAnzahl der Platten minus 2 Mal der Kapazität der kleinsten Einzelplatten
GeschwindigkeitHoch, allerdings langsamer als RAID 10 
Ausfallswahrscheinlichkeitgering, eine Platte kann ohne Datenverlust ausfallen (Sicherheit ist 1+x)
KostenNormal, zwei Platten Verlust
Minimale Plattenanzahl 6
AnwendungFileserver, Datenbank, hohe I/O-Last

 

4.6 RAID 6 - Advanced Data Guarding

KapazitätAnzahl der Platten minus 2 Mal der Kapazität der kleinsten Einzelplatte
GeschwindigkeitNiedrig, Gute Leseperformance (~ Raid 5), schlechte Schreibperformance
AusfallswahrscheinlichkeitSehr gering, zwei Platten können ohne Datenverlust ausfallen
KostenNormal, zwei Platten Verlust
Minimale Plattenanzahl 4
AnwendungFileserver, Testsystem, Archivierung, Backup-to-Disk

 

5. SSD (Solid State Disks)

Seit der Marktreife von SSDs (Solid State Disk) im Consumer und Enterprise Markt möchten wir einen kurzen Blick auf unterschiedliche Bereiche dieser Technologie werfen. 


Da fast alle Daten, die innerhalb der NTCS verarbeitet werden, in einer Datenbank liegen und wie weiter oben bereits erwähnt wurde, für eine Datenbank vor allem die I/O-Leistung entscheidend ist, profitiert unsere Applikation vor allem durch den Einsatz von SSDs. Was ist nun beim Einsatz von SSDs zu beachten? 


5.1 Aufbau einer SSD

Eine SSD unterscheidet sich im Aufbau einer normalen Festplatte wie folgt: 

  • SSDs enthalten im Unterschied zu herkömmlichen Festplatten keine beweglichen Teile mehr. Es werden lediglich Flashspeicher eingesetzt.
  • Ein Controller, der sich ebenfalls auf der SSD befindet, ist für die "Dateiverwaltung", also die Organisation und Verwaltung der Daten, verantwortlich. 
  • Ein weiterer Bestandteil einer SSD ist die Schnittstelle über die die Kommunikation mit RAM, CPU usw. erfolgt. Wie bei normalen Festplatten unterscheidet man hier zwischen SATA (gängig für PC oder Laptops) und SAS (Serverbereich). Mittlerweile gibt es bereits auch die Möglichkeit PCI-E Schnittstellen (NVMe) oder M.2 (Consumer Bereich) für den Einsatz von SSDs zu nutzen. 

 

5.2 Vorteile/Nachteile einer SSD gegenüber einer Festplatte

Vorteile:

  • Bessere Performance
  • Sehr geringe Latenzzeiten (Zugriffszeiten)
  • Energieeffizient 
  • Geräuschlos

Nachteile:

  • Höherer Preis bei großen Kapazitäten und Enterprise SSDs
  • Geringere Lebensdauer

 

6. Consumer SSDs vs. Enterprise SSDs

Wie bei Festplatten gibt es nun auch bei SSDs Unterschiede die sich vor allem auf die Performance, Lebensdauer, den Preis und das Einsatzgebiet auswirken. 

TLC 

EinsatzbereichConsumer, hauptsächlich PCs, Laptops, etc.
Vorteile, Nachteile, Mittlerweile günstig, geringere Lebensdauer gegenüber eMLC und SLC, geringere Geschwindigkeit als MLC, TLC, etc. 
Schreibzyklen

~1000

 

MLC

EinsatzbereichConsumer, hauptsächlich PCs, Laptops, etc.
Vorteile, Nachteile, Mehr Schreibzyklen als TLC, oft die "Pro" Version der Consumer SSDs
Schreibzyklen

~3000

 

eMLC

EinsatzbereichConsumer, hauptsächlich PCs, Laptops, etc.
Vorteile, Nachteile, Schneller Speicher, höhere Lebensdauer als MLC/TLC 
Schreibzyklen

~20.000 - 30.000

 

SLC

EinsatzbereichEnterprise, vorwiegender Einsatz im Serverbereich
Vorteile, Nachteile, Sehr schneller Speicher, sehr hoher Preis
Schreibzyklen

~100.000

 

6.2 Performance

Ausschlaggebend ist natürlich die Performance der SSD gegenüber einer normalen Festplatte. Untenstehend ein kurzer Performancevergleich zwischen SSD und HDD. In diesem Fall werden zwei Consumerprodukte miteinander verglichen. Ein Blick auf die Werte gibt uns eine Vorstellung, welche Performancevorteile eine SSD bringen kann. (Da wir keine Empfehlung für Hard Disks oder SSDs abgeben möchten, geben wir keinen Hersteller an. Die Testergebnisse wurden von einer externen Seite bereitgestellt)

 

TestszenarioConsumer HDDConsumer SDD
4k Ran. Read IOPS~ 184 IOPS

~ 65.000 IOPS

4K Ran. Write IOPS~ 102 IOPS

~ 94.000 IOPS

4K Write Latency (Avg)~ 4.8ms

~ 0.45ms

 

Ein weiterer Test (anderes Setting) vergleicht die Performance von Hard Disks (SAS) und den Einsatz von SSDs. Im Testvergleich 14x10 krpm SAS HDD (RAID5) vs. 6x (SAS) RAID5.

 

Testszenario14x 10krpm HDD (SAS) RAID5

6x SSD (SAS) RAID5

8K Ran. Read IOPS

~ 5.100 IOPS

~ 118.000 IOPS

8K Ran. Write IOPS

~ 1.500 IOPS

~ 31.000 IOPS

8K Write Latency (Avg)

~ 44.00ms

~ 2.06ms

 

7.Fazit

Aus den oben genannten Gründen und Ergebnissen möchten wir abschließend darauf hinweisen, dass der Einsatz von bzw. der Umstieg auf SSDs in Verbindung mit BMD NTCS, sei es nun als Einzelplatz- oder Serverinstallation, einen Performanceschub bringen kann. 

 

Bereich:

Allgemeine technische Dokumentationen


Autor:

BMD Technik



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