20.11.2020 (Doc Storage)
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Was ist Zoned-Storage?

  • Inhalt dieses Artikels
  • Zoned-Storage mit SMR
  • Zoned-Storage mit ZNS
  • Zoned-Storage-Initiative mit vereinfachten Schnittstellen

Leserfrage: Die ersten Hersteller setzen auf die sogenannte Zoned-Storage-Architektur. Was genau ist Zoned-Storage? Brauchen wir die neue Technologie und sollen wir uns damit befassen? Ja, sagt Doc Storage, denn um mit den zunehmenden Datenmengen Schritt zu halten, benötigen Speicherarchitekturen neue Technologien und Schnittstellen.

Antwort Doc Storage:

Die Speicherbranche steht vor der Herausforderung, mit neuen technischen Lösungen auf das schiere Volumen, die Geschwindigkeit und die Vielfalt der Datentypen zu reagieren, die von Video, IoT, 5G, Analysesystemen und selbstfahrenden Autos generiert werden. IDC nimmt an, dass bis 2024 Firmen, Maschinen, die Industrie, Verbraucher, Wissenschaft und andere fast 150 Zettabyte im Jahr erzeugen, erfassen, kopieren und belegen. Wir benötigen also skalierbare Speicherarchitekturen und Produkte mit wesentlich höherer Dichte und möglichst noch zu niedrigeren Kosten?

Eine mögliche Lösung lautet: Zoned-Storage. Damit sollen Anbieter und Nutzer von größeren Architekturen robuste und hoch skalierbare Datenspeicher mit verbesserter Service-Qualität (QoS) zu niedrigeren Betriebskosten (TCO) erstellen können. Es handelt dabei sich um eine Open-Source-Initiative, die auf bestimmten Standards basiert und es Betreibern ermöglichen soll, möglichst effizient in das anstehende ZByte-Zeitalter zu skalieren. Da alle Nutzer, ob privat oder gewerblich, niemals weniger Daten erzeugen und speichern werden, haben heutige Infrastrukturen Probleme, diesen Bedarf zu befriedigen.

Die 2019 eingeführte Zoned-Storage-Initiative bietet Entwicklern und Herstellern die Werkzeuge und Ressourcen, um Daten möglichst intelligent auf Speichermedien zu platzieren. Momentan existieren zwei Zoned-Storage-Technologien: Shingled Magnetic Recording (SMR) für rotierende Festplatten und Zoned-Namespaces (ZNS) für SSDs. Beide Standards werden von der gleichen Software unterstützt, die auf Linux basiert. Zoned-Storage fasst Open-Source-Werkzeuge, Bibliotheken und Ressourcen zusammen. Technische Dokumentationen können auf der Webseite ZonedStorage.io abgerufen werden. Auf Basis der Blockverwaltung in Zonen können sowohl Server- als auch Speicheranwendungen effizient skalieren, um sehr hohe Speicherkapazitäten in SMR-Festplatten und ZNS für NVMe-SSDs voll auszunutzen.

Zoned-Storage mit SMR

SMR ermöglicht Festplatten mit den höchsten Kapazitäten, die heute verfügbar sind. Die Technik ist ähnlich wie Ziegeln auf einem Dach gemustert. Durch Überlappen dieser Ziegel, also der Datenspuren auf dem Speichermedium, lässt sich eine höhere Dichte und Kapazität auf derselben Fläche erzielen. Überlappende Spuren werden für eine effektivere Organisation und schnellere Aktualisierungsfähigkeit in Zonen mit festen Kapazitäten gruppiert. Zu den verfügbaren SMR-Typen gehören geräteverwaltete SMR (DMSMR) und vom Rechner verwaltete SMR (HMSMR). Beide wurden für unterschiedliche Anwendungen entwickelt. Beide Typen zeichnen die Daten serialisiert auf der Festplatte auf. Laufwerke für rechnerverwaltete SMR werden momentan speziell für den Rechenzentrumsbetrieb entwickelt und bringen hierfür eine optimierte Leistung, Skalierbarkeit und Intelligenz bei der Datenplatzierung.

Zoned-Storage mit ZNS

ZNS unterteilt Flash-Medien in Zonen, jede Zone wird als eigener Namespace behandelt. Die Zonen können nur sequentiell geschrieben werden, ähnlich wie die Daten, die sequentiell in die Spuren von SMR-Festplatten geschrieben werden. Cloud-Anbieter können so Arbeitslasten oder Datentypen in verschiedene Zonen einordnen, so dass Nutzungsmuster vieler Benutzer oder Arbeitslasten vorhersehbar werden. Als Ergebnis erhalten die Hersteller SSDs, die eine höhere Dichte bieten und damit weitaus effizienter sind.

Zoned-Storage-Geräte sollen die Notwendigkeit der Speicherbereinigung eliminieren und die für Overprovisioning reduzieren, ohne die Leistung, Haltbarkeit oder die Gesamtqualität der Dienste zu beeinträchtigen. Als jüngster Meilenstein wurde die Spezifikation des ZNS-Befehlssatzes vom NVM Express-Konsortium durchgewunken. Hiermit ist nun ZNS eine Erweiterung des NVMe-Standards. Mit diesem Standard werden in Zukunft ZNS-basierte NVMe-SSDs integraler Bestandteil der Zoned-Storage-Welt und ergänzen damit SMR-HDDs.

Durch Nutzung des sequentiellen Zoned-Storage-Modells ermöglicht ZNS dem Rechner und der SSD, die Datenplatzierung auf dem Medium zu koordinieren. Dies soll für bessere Haltbarkeit, höhere Dichte und bessere Lieferzeiten sorgen. Da Rechenzentren gezwungen sind, immer weiter zu skalieren, wird ZNS zusammen mit SMR als Basis für die Erfüllung des wachsenden Speicherbedarfs von entscheidender Bedeutung sein. Führt die ZNS-Spezifikation eine neue Blockschnittstelle für SSDs ein, sind viele der zur Übernahme des Modells erforderlichen Softwareänderungen bereits verfügbar. Mit kleinen Modifikationen am Stack können Nutzer von vom Rechner verwalteten SMR-Festplatten ZNS-SSDs in ihren Rechenzentren bereitstellen. Neue Anwender können das vorhandene Software-Ökosystem und die verfügbaren offenen Werkzeuge nutzen.

Zoned-Storage-Initiative mit vereinfachten Schnittstellen

Durch die Vereinheitlichung der Zonenblock-Schnittstelle für Festplatten und SSDs müssen Software-Entwickler nur eine einzige Schnittstelle unterstützen, um die Speicherbereitstellung zu beschleunigen und am Ende die Vorteile von Zoned-Storage zu nutzen. Ist der Aufwand bei der Einführung zunächst beträchtlich, sollten sich diese Investitionen mit der einfacheren Erweiterung der Umgebung auszahlen. Die Zoned-Storage-Initiative und ihre Standards bieten Rechenzentren die Möglichkeit, bereits heute mit der Einführung von SMR-Festplatten und ZNS-SSDs zu beginnen. Durch die Nutzung des einheitlichen Software-Stacks für SMR-Festplatten und ZNS-SSDs können Cloud-Anbieter und RZ-Architekturen diese Investition schnell amortisieren und gleichzeitig Skalierbarkeit für das zu erwartende Datenwachstum ermöglichen.

In der DV kommen wir in der allernächsten Zukunft nicht darum herum, uns auf ZByte-Mengen an Daten vorzubereiten. Wir benötigen Werkzeuge, Daten mit exponentiellem Wachstum zu speichern und aus diesen gleichzeitig mehr Gewinn zu generieren. Vorhandene Architekturen müssen ergänzt und notfalls ersetzt werden, um Technologien einzusetzen, die all das ermöglichen. Zoned-Storage bietet die Basis für Rechenzentren, um sich auf diese Flut vorzubereiten.

Unter ZonedStorage.io finden sich alle Werkzeuge und Dokumentationen, die man für diese Vorbereitung und Einführung benötigt.

Gruß
Doc Storage

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Kommentare (1)
20.11.2020 - LHL

Ich ... hab's nicht verstanden, wo hier der Vorteil sein soll. Irgendwie sind hier im Artikel - für meinen Begriff - auch seltsame Zusammenhänge hergestellt worden. Warum sollten sich Software-Entwickler um Plattenarchitekturen kümmern müssen? Sie schreiben ihre Daten in Filesysteme, Datenbanken oder Objektstorage.
Wie schön, dass Shedled und Shingled beide mit S anfangen - ob Schuppen oder Schindeln - SMR passt immer. Das damit eine höhere Speicherdichte erzeugt wird ist bekannt, aber was hat das mit Zonen zu tun? Warum sollen sich bei SSDs durch Zonen (innerhalb einer SSD oder Gruppierung von SSDs?) die Speicherdichten erhöhen? Die Controller sorgen doch bereits jetzt für optimierte Schreibzyklen? Soll ich durch ZNS aus einer 8TB SSD-Festplatte plötzlich eine 9TB Festplatte bekommen? ... wie gesagt, ich bin aus diesem Artikel irgendwie nicht schlau geworden ... wohl zu spät am Freitag


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