Zoned Storage/Zoned Namespace
Leistungsschub für SSDs
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
SNIA-NVMe-Standard
Die ZNS-Technik ist mittlerweile Teil des NVMe-Standards der SNIA (Storage Networking Industry Assocication). Damit ist auch der Weg bereitet, um ZNS-Laufwerke künftig mit NVMe-over-Fabric-Storage-Arrays nutzen zu können. Die meisten großen Speichersystem-Anbieter evaluieren derzeit einen Einsatz von ZNS-SSDs in ihren Storage-Lösungen. Im SNIA-Standard ist unter anderem das Zoned Namespace Command Set definiert. Eine wichtige ZNS-Funktion ist der Write Pointer, der festlegt, an welcher Stelle in einer Zone die zuletzt geschriebene Logical Block Address (LBA) steht. Sobald die dieser Zone zugeordnete Anwendung die nächsten Daten schreiben möchte, verwendet sie den vom Write Pointer markierten nächsten freien Block in dieser Zone.
Der Standard enthält zudem Spezifikationen für die Größe der Zonen, aus der sich in Abhängigkeit von der Gesamtkapazität einer SSD die Anzahl ihrer Zonen ergibt. Für eine gleichzeitige Verarbeitung der IO-Anforderungen von mehreren Zonen unterstützt ZNS bis zu 14 parallele Streams. Auch die Vorgehensweise beim Ausführen von Schreib- und Leseoperationen ist genau festgelegt. Mit Zone Append und mit Zone Random Write Area (ZRWA) stehen zwei Mechanismen zur Verfügung, um zufällige Schreibvorgänge ausführen zu können. Diese Ergänzung, die dem ZNS-Grundgedanken des sequenziellen Schreibens eigentlich widerspricht, war notwendig, weil es Anwendungen gibt, die nicht sauber funktionieren, wenn sie nur sequenziell schreiben dürfen. Bei den Random Areas handelt es sich um eng begrenzte kleine Speicherbereiche, sodass sichergestellt bleibt, dass sich die Masse der Daten von ZNS-SSDs immer sequenziell schreiben lässt.
Industriekooperationen
Um Zoned-Storage-Techniken wie ZNS im Storage-Markt zu etablieren, hat Western Digital im Frühjahr 2022 eine Kooperation mit Samsung bekanntgegeben, die eine weitreichende Standardisierung von D2PF-Speichertechniken (Data Placement, Processing, and Fabric) zum Ziel hat. Bereits im vergangenen Jahr haben die beiden Unternehmen eine Initiative für Zoned-Storage-Geräte gestartet. Neben ZNS-SSDs umfasst sie auch SMR-HDDs (Shingled Magnetic Recording), die ebenfalls eine Zoned-Storage-Architektur mit sequenziellen Schreibvorgängen verwenden.
Aufgrund der Vorteile von ZNS-SSDs ist die Technik für Hyperscaler wie AWS, Microsoft Azure oder Google Cloud interessant. Die bessere Performance, höhere Zuverlässigkeit, längere Haltbarkeit und geringeren Kosten machen einen Einsatz von ZNS insbesondere mit kostengünstigen QLC-SSDs (Quad Level Cell) attraktiv. Die Hyperscaler verfügen über große Entwicklerteams und können die Zoned-Storage-Techniken an ihre eigenen Bedürfnisse anpassen, um die Speicherbereitstellung zu optimieren.
Um die ZNS-Technik darüber hinaus auch im Unternehmens-RZ zu etablieren, arbeitet Western Digital eng mit der Open-Source Community zusammen. Ein wichtiger Meilenstein ist die Implementierung von ZNS im Linux-Filesystem btrfs (B-tree FS), das unter anderem Funktionen wie Copy-on-Write, Snapshots und Cloning unterstützt. Die derzeit noch als experimentell ausgewiesene Integration ermöglicht es, von einem Host aus über btrfs sowohl auf ZNS-SSDs als auch auf SMR-HDDs schreiben zu können. Durch die btrfs-Implementierung können alle auf Linux-Hosts laufenden Anwendungen die Zoned-Storage-Technik ohne weitere Anpassungen nutzen.
Den größten Nutzen bieten jedoch Ende-zu-Ende-Implementierungen, bei denen auch die Anwendungen für Zoned Storage optimiert sind. Ein Beispiel ist die vom MySQL-Spezialisten Percona gemeinsam mit Western Digital entwickelte Datenbanklösung. Sie verwendet die Key-Value-Datenbank RocksDB, die über API-Plug-ins für verschiedene Filesysteme verfügt. Für die ZNS-Lösung hat man eine Kombination aus MyRocks und ZenFS gewählt. Als ZNS-SSDs kamen die Ultrastar DC ZN540 NVMe Drives von Western Digital zum Einsatz. Die von Percona durchgeführten Performance-Tests zeigten, dass die ZNS-Lösung bei einer hohen Schreibauslastung mehr als dreimal so viele Transaktionen pro Sekunde (TPS) verarbeiten konnte wie ein Datenbank-Server mit konventionellen SSDs. Bei einer gemischten Schreib-/Leseauslastung lagen die TPS etwa 60 Prozent über dem Wert des Vergleichssystems. Auch die Latenzzeiten lagen mit den ZNS-SSDs immer deutlich unter den mit konventionellen SSDs gemessenen Werten.
Speichertechnik mit Potenzial
Die für SSDs entwickelte Speichertechnik Zoned Namespaces und die auch mit SMR-HDDs eingesetzte Zoned-Storage-Technik bieten ein großes Potenzial für eine effiziente Nutzung von Speicherkapazitäten. Es wird vermutlich noch einige Zeit dauern, bis eine größere Zahl von Anwendungen ZNS-spezifische Erweiterungen erhält, um die Vorteile dieser neuen Technik optimal ausschöpfen zu können. Die Integration von ZNS in btrfs ist ein wichtiger Schritt, um im Linux-Markt Fuß zu fassen. Wie weit sich ZNS-SSDs auch in der Windows-Welt durchsetzen können, werden die kommenden Jahre zeigen.
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