Tiering - Storage Virtualisierung

Der Begriff Tiering kommt aus dem Englischen und bedeutet so viel wie Abstufen oder Staffelung. Diese Worte beschreiben die Technologie sehr gut. Bei Speichermedien gibt es Performance- und damit auch Preisunterschiede. Die SSDs (und NVMe) sind am schnellsten, leider aber auch am teuersten. Die SAS-Festplatten (heute meist mit 10k) sind am zweit-schnellsten, kostengünstiger als SSDs, aber trotzdem noch recht teurer bei großen Kapazitäten. Danach kommen die NL-SAS bzw. SATA-Festplatten mit 7.200 Umdr./min und dann Tape als Auslagerung.

Es wäre also die preislich günstigste Lösung bei bester Performance, wenn man die SSD-Platten nur für hochperformante Daten nutzen würde, die wichtigen und performanten Daten auf SAS Festplatten und alles andere wird auf den NL-SAS oder SATA-Platten.

Und genau das ist der Ansatz von Tiering: Maximale Leistung bei minimalen Kosten. Wichtige und performante Daten auf die erste Stufe (Tier 0) und selten genutzte Daten auf die dritte Stufe (Tier 2). Daten die zwischen maximaler Performance und seltener Nutzung liegen, kommen auf Tier 1. Übrig bleibt, was eigentlich nicht mehr genutzt wird (aber natürlich niemand löschen möchte, es könnte ja noch mal gebraucht werden), dies kommt auf Tier 3 oder sogar Tier 4. Tier 4 können dann z.B. die langsamen SATA-Platten sein, die zum Beispiel nur dann laufen, wenn auch wirklich Daten gebraucht werden. Neben der Kostenoptimierung kann also zusätzlich auch Energie eingespart werden.

Anmerkung zu SSDs:
Sie haben einen großen Nachteil: Auf SSDs kann nicht unendlich häufig geschrieben werden, einzelne Blöcke fallen bei vielen Schreibzugriffen schneller aus. Aber beim Tiering ist das kein Problem, eine Optimierung kann zusätzlich auch noch auf die Zugriffsart erfolgen. Schreibzugriffe gehen zum Beispiel erst immer auf Tier 1 und es erfolgt dann eine Umlagerung auf Tier 0, wenn häufig gelesen wird.

In die Richtung der Kosteneinsparung bei SSDs geht die Deduplizierung der Daten, gerade auf SSDs. Zusammen mit der Komprimierung eine häufig eingesetztes Verfahren, um Kosten zu sparen.

Kurz: Storage Tiering ist das Verschieben von Daten auf verschiedene Typen von Speichermedien nach vordefinierten Regeln.

Anmerkung zu den Tiers:
Als der Begriff Tiering mit den Abstufungen erfunden wurde, gab es noch keine SSDs. Daher wurde als Tier 1 die damals schnellsten FC- und SCSI-Platten festgelegt. Als dann die schnelleren SSDs auf den Markt kamen, behielten die anderen Stufen ihre Namen, die SSDs wurden zu Tier 0. Es muss auch nicht jede Tier-Stufe genutzt werden, auch Tier 0 in Verbindung mit Tier 2 ist meist möglich.

Anwendung: File Tiering

Beim File Tiering, also dem dateibasierten Verschieben, wird immer die ganze Datei betrachtet. Zum Beispiel in einem Fileserver: Es gibt Dateien die häufig genutzt werden, Dateien die selten genutzt werden und viele Daten die eigentlich nur einmal geschrieben werden, aber danach nie wieder genutzt werden. Da kann die Aufteilung auf die einzelnen Storage-Tiers sehr einfach erfolgen. Es muss nur die Änderungs- und Zugriffshäufigkeit der Datei ermittelt werden und dann eine Verschiebung auf die unterschiedlichen Plattengruppen vorgenommen werden. Dies wird schon sehr lange unter dem Begriff HSM (Hierarchisches Speicher-Management) eingesetzt. Die HSM-Funktion nutzt also das Tiering.
Ein manuelles File-Tiering ist auch möglich. Auf einem Fileserver muss nur nach alten und nicht genutzten Dateien gesucht werden und diese können dann verschoben werden. Dann tritt allerdings das Problem auf, das keine die Daten später wieder finden kann. Also braucht man doch eine HSM Software, die den Zugriff über die Tiers ermöglicht.

Anwendung: Block Tiering

Beim File-Tiering war die Unterscheidung noch sehr einfach, beim Block Tiering wird es komplizierter. Das File Tiering hat der Fileserver übernommen und der brauchte nur die Filesystem-Informationen auszuwerten. Beim Block Tiering übernimmt es das Speichersubsystem und das kennt weder Filesystem noch Dateien, es kennt nur Blöcke auf den Festplatten.

Und genauso wie im Filesystem ermittelt die Tiering-Anwendung im Speicher-Controller die Zugriffshäufigkeit von Blöcken und verschiebt mit diesen Informationen die Blöcke zwischen den Festplatten-Tiers.

Ein Beispiel einer Datenbank: Die Datenbanken bestehen auf der Festplatte aus Blöcken, die entweder häufig genutzt werden oder aus Blöcken die nur selten gelesen werden. Ermittelt der Controller eine kleine Nutzungsfrequenz, so werden die Blöcke auf SATA-Platten (oder NL-SAS) ausgelagert. Bei häufigen Zugriffen bleiben sie auf schnellen SAS-Platten oder werden später darauf verschoben. Ist auch SSD-Speicher oder NVMe vorhanden, so können extrem häufig gelesene Daten auch auf diese SSDs oder NVMe verschoben werden. Da SSDs aber nicht so häufig beschrieben werden sollen, werden alle Write-I/Os erstmal auf die SAS-Platten geschrieben und dann analysiert. Das Migrationsverhalten (Tiering) ist von außen konfigurierbar.

Welche Vorteile bringt diese Methode? Für die Performance wichtige Blöcke sind auf schnellen Platten, schnelle Platten sind aber teurer in der Anschaffung. Also sollten sie auch nur für hochperformante Daten genutzt werden, alles andere geht auf NL-SAS-Platten und spart teuren Speicherplatz. Auch SSDs lassen sich ideal einsetzen. Wenig Speicherplatz für extrem performante Daten und wenig Schreibzugriffe auf die SSDs. Ideale Bedingungen für die SSDs, der Speicherplatz wird passend genutzt und die Schreibzugriffe werden reduziert.

Beim Block Tiering ist allerdings keine manuelle Verschiebung der Blöcke möglich, dies muss eine Anwendung im Speicherkontroller vollständig erledigen. Probleme können auftreten, wenn der Anwender mit der Verteilung nicht einverstanden ist. Wird zum Beispiel eine Datenbank auf den nächtlichen Batchbetrieb automatisch optimiert, kann es sein das beim Online-Betrieb am Tag das Tiering nicht ideal ist. In den meisten Fällen lassen sich solche Schwankungen durch eine passende Konfiguration verhindern.