512e-HDDs: Technologie, Performance, Konfigurationen · PDF fileRAID Ctrl SAS 6G 8Port ex 1GB...

White Paper 512e-HDDs: Technologie, Performance, Konfigurationen

http://www.fujitsu.com/de/primergy Seite 1 (9)

White Paper Fujitsu PRIMERGY Server 512e-HDDs: Technologie, Performance, Konfigurationen

Die neue Technologie der physikalischen 4k-Sektoren bei HDDs steigert die Speicherdichte, Performance und Fehlerkorrekturfähigkeit. Derzeit werden die ersten dieser HDDs für PRIMERGY Server eingeführt. Sie emulieren nach außen hin noch logische 512-Byte-Sektoren. Zur optimalen Performance sind geeignete Versionen der beteiligten Software-Komponenten zu benutzen.

Version

1.2a

2014-01-29

http://www.fujitsu.com/de/primergy

White Paper 512e-HDDs: Technologie, Performance, Konfigurationen Version: 1.2a 2014-01-29

Seite 2 (9) http://www.fujitsu.com/de/primergy

Inhalt

Dokumenthistorie

Version 1.0 (2013-06-06)

Urfassung

Version 1.0a (2013-06-12)

Kleinere Korrekturen

Version 1.0b (2013-06-18)

Korrigierte Versionen von Software-Komponenten

Version 1.1 (2013-12-18)

Neues Kapitel über Betriebssysteminstallation Kleinere Korrekturen

Version 1.2 (2014-01-28)

Korrigierte Version von SVIM

Version 1.2a (2014-01-29)

Korrigierte Version von SVIM

Dokumenthistorie ................................................................................................................................................ 2

Technologie und Beispiele ................................................................................................................................. 3

Performance ....................................................................................................................................................... 4

Empfohlene Konfigurationen für den performanten Support von 512e-Festplatten ........................................... 6

Windows Betriebssysteminstallationen .............................................................................................................. 8

Literatur ............................................................................................................................................................... 9

Kontakt ................................................................................................................................................................ 9




Technologie und Beispiele

Seit langem sind HDDs physikalisch in Sektoren strukturiert, die jeweils 512 Bytes an Nutzdaten tragen und eine bestimmte Menge an Overhead (unter anderem einen „Error Correction Code“). Dieses Sektorformat stieß jedoch in den letzten Jahren an seine Grenzen. Es ist nicht mehr vereinbar mit heutigen Anforderungen an Speicherdichte, Performance und Fehlerkorrekturfähigkeit. Um diese Grenzen zu überwinden, wurde im Jahre 2009 firmenübergreifend das Format für physikalische Sektoren von 4096 Bytes definiert („Advanced Format“, 4k-Sektoren). Die Benutzung dieses Formates setzt die Unterstützung in allen betroffenen HW- und SW-Komponenten voraus:

HDD, Festplatten-Controller, Betriebssystem, Treiber, Applikationen und sonstige Tools.

Da die Umstellung aller dieser Komponenten seitens der Hersteller naturgemäß einige Zeit dauert, wurde für die Übergangszeit die Technik der 512-Byte-Sektor-Emulation eingeführt. Das heißt, dass HDDs zwar schon intern physikalische 4k-Sektoren haben, nach außen hin aber noch logische Sektoren von 512 Bytes Größe emulieren. Dadurch ist gewährleistet, dass diese neuen Festplattentypen auch in existierenden Umgebungen betrieben werden können. Solche HDDs haben manchmal auch die Kurzbezeichnung „512e“ („e“ für „emulation“).

Unter den derzeit für PRIMERGY Server angebotenen Festplatten ist die 4k-Technologie ausschließlich in Form dieser 512e-HDDs realisiert. Die Emulation von 512-Byte-Sektoren ist dabei durchgängig aktiv, es gibt keine Modus-Umschaltung in Richtung 4k nativ.

Derzeit gibt es für PRIMERGY Server folgende 512e-HDDs (ausschließlich SATA):

Bestellnummer Beschreibung Lieferbar ab

S26361-F3797-E100/L100 *) HD SATA 6G 1TB 5.4K HOT PL 2.5" ECO 17.06.2013

S26361-F3798-E100/L100 HD SATA 6G 1TB 5.4K HOT PL 2.5" ECO 17.06.2013

S26361-F3700-E250/L250 HD SATA 6G 250GB 7.2K HOT PL 3.5" ECO 08/2012




S26361-F3574-E250/L250 **) HD SATA 3G 250GB 7.2K NO HOT PL 3.5" 08/2012


*) Sonderfreigabe für TX140 S1 mit S26361-F3554-E8, RAID Ctrl SAS 6G 0/1 (D2607)

**) S26361-F3574-E250 - EOL

Einige Komponenten sind möglicherweise nicht in allen Ländern / Vertriebsregionen verfügbar.

Bei solchen HDDs funktionieren durch die Emulation auch Zugriffe, die nur einen Teil eines physikalischen 4k-Sektors bearbeiten, korrekt. Performance-Auswirkungen gibt es lediglich bei schreibender Bearbeitung von Teilen eines 4k-Sektors. Zum Verständnis muss man sich klarmachen, dass das Neuschreiben des „Error Correction Code“ für einen physikalischen Sektor nur basierend auf den gesamten 4k Nutzdaten des Sektors erfolgen kann; also muss die HDD in solchen Fällen zuvor den gesamten Inhalt des 4k-Sektors auslesen. Kurz gesagt: Sie muss einen „Read-Modify-Write“-Zyklus durchführen:




1) 512-Byte-Schreibauftrag des Hosts

2) HDD liest den 4-kB-Sektor ins DRAM

3) HDD aktualisiert den 512-Byte-Sektor im DRAM

4) HDD überschreibt den 4-kB-Sektor auf dem Speichermedium

Performance

Da die „Read-Modify-Write“-Zyklen zusätzliche Kopfbewegungen auf der HDD verursachen, vermindern sie die Performance. Darum sind im Interesse bestmöglicher Performance seitens Applikation und Betriebssystem Zugriffe zu vermeiden, die nur einen Teil eines physikalischen 4k-Sektors schreiben. Es gibt zwei Fälle von solchen Zugriffen: Zum einen, wenn ein Schreibzugriff mit einer Blockgröße erfolgt, die kein ganzzahliges Vielfaches von 4k ist. Zum anderen, wenn ein Schreibzugriff zwar mit einer Blockgröße erfolgt, die ein ganzzahliges Vielfaches von 4k ist, dieser Zugriff jedoch nicht an den Grenzen der physikalischen Sektoren ausgerichtet ist. Der erste Fall ist in heutigen Applikationen und Betriebssystemen kaum ein Problem, da die Größe der geschriebenen Blöcke fast immer ein Vielfaches von 4k ist. Das wesentliche Optimierungspotential liegt also im zweiten Fall, nämlich der Ausrichtung der Schreibzugriffe.

Um die Ausrichtung der Schreibzugriffe aus Sicht der HDDs zu gewährleisten, sind vor allem zwei Anforderungen zu erfüllen:

Zum einen muss die Partition, auf die geschrieben wird (bzw. bei RAID-Verbänden deren Anteile auf jeder HDD) an den physikalischen 4k-Sektoren ausgerichtet sein. Diese Voraussetzung ist beispielsweise ab Windows Server 2008 gegeben. Diese Ausrichtung der Partition ist die Grundvoraussetzung, dass nachfolgende Zugriffe, die 4k-ausgerichtet in Bezug auf den Anfang der Partition sind, auch wirklich 4k-ausgerichtete Zugriffe aus Sicht der HDD bewirken.

Zum anderen müssen auch alle Schreibzugriffe in Bezug auf den Anfang der Partition 4k-ausgerichtet sein. Dies ist die umfassendere Anforderung an alle beteiligten Software-Komponenten. Sie bedeutet nämlich, dass die physikalische Sektorgröße der Partition korrekt ermittelt und weitergereicht werden muss, damit sie bei den Schreibvorgängen letztlich zugrunde gelegt werden kann. Dies gilt sowohl für die Schreibzugriffe, die vom Betriebssystem auf die Partition initiiert werden (und damit auch für „buffered writes“ von Applikationen, die über diesen Weg schreiben) als auch grundsätzlich für „unbuffered writes“.

Eine lesenswerte Darstellung der verschiedenen Aspekte von HDDs mit physikalischen 4k-Sektoren findet sich im Microsoft Artikel „Advanced format (4K) disk compatibility update“. Auch Aspekte der Software-Anpassung an physikalische 4k-Sektoren sind darin behandelt.

512b

512b

512b

512b

512b

512b

512b

512b

DRAM of HDD

Physical sector of HDD

Logical sectors (emulated)

512b

512b

512b

512b

512b

512b

512b

512b

4096 bytes

1

2

3

4


http://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/hh848035(v=vs.85).aspx



Die folgende Grafik stellt dar, welche Performance-Unterschiede bei 512e-HDDs zwischen nicht ausgerichteten und ausgerichteten Zugriffen bestehen.

Bei sequentiellen Zugriffen und bei wahlfreien Zugriffen mit 100% read bestehen keine Performance-Unterschiede. Lediglich bei wahlfreien Zugriffen mit einem Schreibanteil haben die ausgerichteten Zugriffe einen erkennbaren Vorteil. In der Grafik ist in der dritten Säulengruppe als Beispiel ein Schreibanteil von 33% dargestellt (entspricht dem häufigen datenbanktypischen Zugriffsprofil). Größere bzw. kleinere Schreibanteile haben einen größeren bzw. kleineren Vorteil bei ausgerichteten Zugriffen zur Folge. Bei wahlfreien Lastprofilen mit 100% write kann der Performance-Vorteil von ausgerichteten gegenüber nicht ausgerichteten Zugriffen bis etwa zum Faktor 3 gehen. Dies wird in der Grafik durch die vierte Säulengruppe veranschaulicht.

Ergänzung:

Manche Festplatten haben intern zusätzliche Mechanismen, um die Auswirkungen von nicht ausgerichteten Schreibzugriffen abzumildern (Beispiel „SmartAlign“-Technologie von Seagate).

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

Tra

nsactio

n r

ate

[IO

/s]

Transaktionsraten von 512e-HDDs (HD SATA 6G 1TB 5.4K HOT PL 2.5" ECO)

bei 3 parallelen Zugriffen, verschiedene Anwendungsszenarien

Zugriffe nicht ausgerichtet

Zugriffe ausgerichtet an 4k

Restore (sequential write 100%,

512k block size)

Database read only (random read 100%,

8k block size)

Database mixed (random read 67%,

8k block size)

Database write only (random write 100%,

8k block size)


http://www.seagate.com/docs/pdf/whitepaper/tp615_smartalign_for_af_4k.pdf



Empfohlene Konfigurationen für den performanten Support von 512e-Festplatten

Für optimale Performance muss die Information über die physikalische Sektorgröße in allen Komponenten bekannt sein und richtig interpretiert werden. Dies ist im Falle der von Betriebssystem und Applikationen üblicherweise durchgeführten „buffered writes“ gewährleistet, wenn der Festplatten-Controller, der Treiber und das Betriebssystem die in den folgenden drei Tabellen beschriebenen Voraussetzungen erfüllen.

Festplatten-Controller

Typ Bestellnummer Beschreibung Firmware Package

Versionen

RAID, PCIe-Steckplatz

S26361-F3554-E512/L512

S26361-F4481-E1/L1

S26361-F3593-E201/L201

RAID Ctrl SAS 6G 5/6 512 MB (D2616)

PY SAS RAID Mezz Card 6Gb

RAID Ctrl SAS 6G 8Port ex 512MB LP LSI

≥ 12.12.0-0129

S26361-F3554-E8/L8 RAID Ctrl SAS 6G 0/1 (D2607) ≥ 20.10.1-0120

S26361-F3669-E1/L1

S26361-F3669-E3/L3

S26361-F4531-E512/L512

S26361-F4531-E513/L513

S26361-F4531-E100/L100

S26361-F4531-E300/L300

S26361-F3713-E201/L201

S26361-F3713-E203/L203

RAID Ctrl SAS 6G 5/6 1GB (D3116)

RAID Ctrl SAS 6G 5/6 1GB (D3116C)

PY SAS RAID HDD Module

PY SAS RAID HDD Module 3.0

PY SAS RAID HDD Module w/o cache

PY SAS RAID HDD Module w/o cache 3.0

RAID Ctrl SAS 6G 8Port ex 1GB LP LSI

RAID Ctrl SAS 6G 8Port ex 1GB LP LSI V3

Controller nicht freigegeben für derzeit angebotene 512e-HDDs

RAID, onboard

(in Basiseinheit enthalten) Onboard-Controller, RAID-Modus Firmware hat keinen Einfluss

NON-RAID S26361-F4480-E1

S26361-F3554-E118

PY SAS HBA Mezz Card 6Gb

PSAS CP200i

Firmware hat keinen Einfluss

Betriebssystem Treiberversionen

Windows Varianten Bei Controllern in PCIe-Steckplätzen, RAID-Modus:

Megasas ≥ 6.505.5

Bei Onboard-Controllern im RAID-Modus:

MegaSR ≥ 15.02.2013.0425

Controller im NON-RAID-Modus:

alle

Linux Varianten Bei Controllern in PCIe-Steckplätzen im RAID-Modus und bei Controllern im NON-RAID-Modus:

Native Unterstützung

Bei Onboard-Controllern im RAID-Modus

MegaSR ≥ 15.02.2013.0425

Betriebssystem

Name Zusätzliche Anforderungen

Windows Server 2008 KB2553708

Windows Server 2008 R2 KB982018 oder Service Pack 1

Windows Server 2012 -

RHEL Version ≥ 5

SLES Version ≥ 11 SP2

Einige Komponenten sind möglicherweise nicht in allen Ländern / Vertriebsregionen verfügbar.


http://support.microsoft.com/kb/2553708/en-us





Anmerkungen:

Alle nicht in den Tabellen genannten Konfigurationen unterstützen 512e-HDDs zwar funktional, aber nicht mit der optimalen Performance.

Die freigegebenen Kombinationen von Controllern und Festplatten entnehmen Sie bitte den Konfiguratoren der Systeme.

Für optimale Performance bereits während einer Betriebssysteminstallation müssen die oben genannten Software-Komponenten rechtzeitig im Installationsablauf zur Verfügung stehen. Wie das beispielsweise bei den für PRIMERGY Server gängigen Windows Versionen erreichbar ist, wird im folgenden Kapitel behandelt.

Wenn man außerhalb der üblichen Betriebssystemumgebungen arbeitet, also z. B. Imaging-Tools zum Erzeugen von Partitionen oder zum Klonen ganzer Festplatten verwendet, sollte man für optimale Performance auch den 512e-Support dieser Tools beachten.

Für alle Applikationen: Arbeitet die Applikation mit „unbuffered writes“, muss diese für optimale Schreib-Performance bei wahlfreien Zugriffen auf 512e-HDDs die physikalische Sektorgröße beachten.




Windows Betriebssysteminstallationen

Die oben erwähnten Hotfixes und Treiber werden typischerweise erst nach der Betriebssysteminstallation eingespielt. Wenn die Anforderung besteht, auch schon die Zeitdauer einer Betriebssysteminstallation auf 512e-HDDs so gering wie möglich zu halten, müssen die relevanten zusätzlichen Software-Komponenten so früh wie möglich im Installationsablauf zur Verfügung stehen. Die folgende Tabelle stellt exemplarisch zusammen, welche Möglichkeiten man bei den für PRIMERGY Server gängigen Windows Betriebssystemversionen hat, um diese Anforderung der „frühestmöglichen Verfügbarkeit“ zu erfüllen.

In dieser Tabelle ist auch der „ServerView Installation Manager“ (abgekürzt SVIM) berücksichtigt. Dieser wird mit den PRIMERGY Servern mitgeliefert und bietet zusätzliche Hotfixes und Treiber (darunter auch solche für die Unterstützung von 512e-HDDs), die zudem rechtzeitig im Installationsablauf zur Verfügung stehen. Die Bezeichnung „Installationsquelle“ ist im Folgenden als Oberbegriff für die verschiedenen Möglichkeiten gemeint, ein Betriebssystem-Installationsmedium lokal oder über ein Netzwerk zur Verfügung zu stellen.

Betriebssystemversion

Zu verwendende Software-Komponenten sowie Hinweise für eine performante Installation (zusätzlich zur optimalen Controller-FW)

seitens OS seitens Controller-Treiber

Windows Server 2008 SVIM-Version ≥11.13.08 zusammen mit jeder Installationsquelle

ODER

Installationsquelle, die den Hotfix KB2553708 für alle Installationsphasen eingebunden hat *) SVIM-Version ≥11.13.08 zusammen mit

jeder Installationsquelle

ODER

empfohlener Controller-Treiber gemäß Tabelle zu den Treiberversionen weiter oben; dieser ist während der Installation bei der Abfrage „Where do you want to install?“ durch die Auswahl „Load Driver“ (alternativ Drücken von F6) hinzuzufügen

Windows Server 2008 R2 SVIM-Version ≥11.13.08 zusammen mit jeder Installationsquelle

ODER

Installationsquelle, die den Hotfix KB982018 für alle Installationsphasen eingebunden hat *)

ODER

Installationsquelle, die das Service Pack 1 eingebunden hat *)

Windows Server 2012 -

Windows Server 2012 R2 -

*) Durch geeignete Anwendung administrativer Tools („Deployment Image Servicing and Management“ (DISM) aus dem „Windows Automated Installation Kit“ (Windows AIK oder WAIK) oder dem „Windows Assessment and Deployment Kit“ (Windows ADK)) kann ein Installationsabbild einer Windows Betriebssystemversion gegenüber dem Original um ausgewählte Packages erweitert werden.

Das folgende Beispiel verdeutlicht die erzielbare Zeitersparnis bei einer Betriebssysteminstallation auf 512e-HDDs am Beispiel einer „HD SATA 6G 500GB 7.2K HOT PL 3.5" ECO“ Festplatte, die an einem Onboard-Controller angeschlossen ist.

Software-Komponenten Dauer der Installation

Windows Server 2008 R2;

Installationsquelle ohne eingebundenen Hotfix KB982018 und/oder

Controller-Treiber < 15.02.2013.0425

ca. 110 min

Windows Server 2008 R2;

Installationsquelle mit eingebundenem Hotfix KB982018 und

Controller-Treiber ≥ 15.02.2013.0425

ca. 40 min

Hierin wird deutlich, dass für kürzestmögliche Installationszeiten sowohl die Voraussetzungen bzgl. des Betriebssystems als auch bzgl. des Controller-Treibers erfüllt sein müssen.










Literatur

PRIMERGY Systeme

http://primergy.de/

Grundlagen Disk-I/O-Performance

http://docs.ts.fujitsu.com/dl.aspx?id=3d4fbad8-2a7e-465f-b9ee-d43b711f636d

Technologie „Advanced Format“ für HDDs

Seagate Technology Paper:

SmartAlign™ Technology for Advanced Format Hard Drives


Kompatibilität von Betriebssystemen und Applikationen mit „Advanced Format“ HDDs

Advanced format (4K) disk compatibility update


Hotfixes und Service Packs für Windows Server Betriebssysteme

Hotfix KB2553708 für Windows Server 2008


Hotfix KB982018 für Windows Server 2008 R2


Service Pack 1 für Windows Server 2008 R2


PRIMERGY Performance

http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/primergy/benchmarks/

Kontakt

FUJITSU

Website: http://www.fujitsu.com/de/

PRIMERGY Product Marketing

mailto:[email protected]

PRIMERGY Performance und Benchmarks


© Copyright 2014 Fujitsu Technology Solutions. Fujitsu und das Fujitsu Logo sind Handelsnamen und/oder eingetragene Warenzeichen von Fujitsu Ltd. in Japan und anderen Ländern. Andere Firmen-, Produkt- und Servicebezeichnungen können Marken oder eingetragene Marken der jeweiligen Eigentümer sein. Änderung von technischen Daten sowie Lieferbarkeit vorbehalten. Haftung oder Garantie für Vollständigkeit, Aktualität und Richtigkeit der angegebenen Daten und Abbildungen ausgeschlossen. Wiedergegebene Bezeichnungen können Marken und/oder Urheberrechte sein, deren Benutzung durch Dritte für eigene Zwecke die Rechte der Inhaber verletzen kann. Weitere Einzelheiten unter http://www.fujitsu.com/de/resources/navigation/terms-of-use.html

2014-01-29 WW DE


http://primergy.de/

http://docs.ts.fujitsu.com/dl.aspx?id=3d4fbad8-2a7e-465f-b9ee-d43b711f636d






http://www.fujitsu.com/de/products/computing/servers/primergy/benchmarks/

http://www.fujitsu.com/de/



http://www.fujitsu.com/de/resources/navigation/terms-of-use.html

512e-HDDs: Technologie, Performance, Konfigurationen · PDF fileRAID Ctrl SAS 6G 8Port ex 1GB...

Documents

Transcript of 512e-HDDs: Technologie, Performance, Konfigurationen · PDF fileRAID Ctrl SAS 6G 8Port ex 1GB...