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The following is intended to outline our general product direction. It is intended for information purposes only, and may not be incorporated into any contract. It is not a commitment to deliver any material, code, or functionality, and should not be relied upon in making purchasing decisions.The development, release, and timing of any features or functionality described for Oracle’s products remains at the sole discretion of Oracle.
Prinzessin Aura, General Klytus und der Planet Mongo
Dirk NitschkeSystems Infrastructure AmbassadorSun Microsystems GmbH
Flash Storage – Basis für aktuelle und zukünftige Storage Systeme von Oracle
KundenpräsentationDirk.Nitschke@Sun.COM Storagetechnology 2010 – 20100610
Agenda
• Das ewige Warten• Solid State Drives• Quiz I• Hardware von Oracle• Nutzung von Flash Storage• Software von Oracle• Integrierte Lösungen von Oracle• Quiz II
Das ewige Warten
KundenpräsentationDirk.Nitschke@Sun.COM Storagetechnology 2010 – 20100610
Das ewige Warten
• Warten auf das Ende eines Lesevorgangs von Daten von einem relativ langsamen Medium
• Warten auf das Ende eines Schreibvorgangs von Daten auf ein relativ langsames Medium
• Das Warten bezieht sich meist auf die Latenz des Mediums, weniger auf den Durchsatz
• Dieses Problem existiert sowohl für den Transfer zwischen CPU und Memory als auch zwischen Memory und Disk
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Lösungsansätze CPU ↔ Memory
• Verringerung der Anzahl der Zugriffe und Verringerung der Zugriffszeit durch Caching> Prozessorcache: L1, L2, L3> Cache liegt zwischen CPU und Memory> Cache-Algorithmen
• Man erhöhe die Zahl der arbeitenden Einheiten> Chip Multiprocessing (CMP)> Fine-Grained Multithreading (FG-MT)> Chip Multi Threading (CMT)
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Prozessor Parallelisierung
• Single Thread
• Chip Multiprocessing (CMP)
• Fine-Grained Multithreading(FG-MT)
C MC MC M
C MC MC M C MC MC M
C MC MC M C MC MC M
C MC MC M C MC MC M
C MC MC M C MC MC M
C MC MC M C MC MC M
C MC MC M C MC MC M
C MC MC M C MC MC M
C MC MC M C MC MC M
Memory LatencyCompute Time
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Chip Multithreading
• UltraSPARC T2 oder UltraSPARC T2+ CPU> Bis zu 8 Cores, 8 Threads
pro Core> Bis zu 4 CPUs pro Server
• Oracle's Sun Chip Multithreading Server> T5120, T5220> T5140, T5240, T5440> T6320, T6340
C MC MC M
C MC MC M C MC MC M
C MC MC M C MC MC M
C MC MC M C MC MC M
C MC MC M
C MC MC M C MC MC M
C MC MC M C MC MC M
C MC MC M C MC MC M
C MC MC M
C MC MC M C MC MC M
C MC MC M C MC MC M
C MC MC M C MC MC M
C MC MC M
C MC MC M C MC MC M
C MC MC M C MC MC M
C MC MC M C MC MC M
Whitepaper:http://www.oracle.com/us/products/servers-storage/servers/netra-carrier-grade/netra-t5220-server-architecture-wp-066002.pdf
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Lösungsansätze Memory ↔ Disk
• Verringerung der Anzahl der Zugriffe und Verringerung der Zugriffszeit durch Caching> File System Cache, Controller Cache und Disk Cache> Cache liegt zwischen Memory und Festplatte> Cache-Algorithmen
• Man erhöhe die Zahl der arbeitenden Einheiten> Spindeln> Storagecontroller> Volumemanagement (etwa Striping)
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Disk Kapazität und Umdrehungszahl
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
5000
10000
15000
9,1
9,1
18,2
18,2
36,4
73,4
73,4
146,8
146,8
181,5
300
300
400
450 600
73,4146,8300
400
450 600
250500
750
2000
Disk Capacity and RPMs
3.5" Disks / Storage Arrays
FC SAS-1 SATA
Year
RP
M
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Entwicklung IOPS
Jahr 2009 2004 2001 2010
Interface FC FC FC SATA-II
UPM 15000 15000 15000 7200
Kapazität 600GB 146GB 36GB 2000GB
3,4 3,5 3,6 8,5
2,0 2,0 2,0 4,2
122 58 51,8
204 96 68,1 140
163 77 59,95 140
184 180 176 78
84 52 43 49
SeagateST3600957FC
SeagateST3146854FC
SeagateST336752FC
SeagateST32000644NS
Avg. Seek Time Read (ms)
Avg. RotationalLatency (ms)
Minimum SustainableData Rate (MB/s)
Maximum, SustainableData Rate (MB/s)
Avg. SustainableData Rate (MB/s)
IOPS@4kiB Read
IOPS@1MiB Read
http://www.seagate.com/support/disc/manuals/fc/100139874b.pdfhttp://www.seagate.com/docs/pdf/datasheet/disc/ds_cheetah15k.4.pdfhttp://www.seagate.com/docs/pdf/datasheet/disc/ds_cheetah_15k_7.pdfhttp://www.seagate.com/docs/pdf/datasheet/disc/ds_constellation_es.pdf
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Warum ist das kritisch?
• Steigende Kapazität von Festplatten bei annähernd gleichbleibender Anzahl von IOPS@4kiB> Benötigte Kapazität wird mit weniger Disks abgebildet> Gesamtmenge an verfügbaren IOPS@4kiB wird kleiner
• Zahl der benötigten IOPS erhöht sich> mehr Benutzer, mehr Applikationen> „versteckte“ IOPS durch Datendienste wie zum Beispiel
Copy-on-Write Snapshots oder Replikation
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Was tun?
• Anzahl IOPS@4kiB wird hauptsächlich bestimmt durch die Average Seek Time und die Average Rotational Latency> Average Seek Time hat sich in den letzten Jahren fast
nicht verändert...> Average Rotational Latency kann nur durch Erhöhung
der RPM erreicht werden...
• Daher: Finde ein neues Speichermedium mit deutlich geringerer Seek Time und Latenz als eine Disk
Solid State Drives
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Solid State Drives
• Ein Solid State Drive ist ein Speichermedium ohne bewegliche Teile auf Basis von Halbleitern, das wie eine Festplatte angesprochen wird und Daten permanent speichern kann
• Üblicherweise verwendete Speicherbausteine> RAM> Flash Memory
• Übliche Ausprägungen von Flash Memory> Single Level Cell (SLC) NAND> Multi Level Cell (MLC) NAND
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Ein kurzer Vergleich
• RAM vs. Flash Memory> RAM hat eine geringere Latenz als Flash Memory > RAM ist teurer als Flash Memory> RAM ist flüchtig – benötigt Stromquelle oder „Backup“> Flash benötigt ausgeklügelte Algorithmen um dem
Verschleiss zu begegnen
• Single Level Cell (SLC) vs. Multi Level Cell (MLC)> Zwei Zustände vs. mehr als zwei Zustände (i.a. 4)> SLC schreibt schneller als MLC> SLC ist haltbarer als MLC> SLC ist teurer als MLC
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Die neue Storage-Hierarchie
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Quiz I
• Solid State Disk> Kapazität 11.25MB, 22.5MB,
33.75MB oder 45MB> Transferraten 1MB/s, 1.5MB/s,
3MB/s> Durchschnittliche Zugriffszeit 0.7ms> Maximale Zugriffszeit 1.4ms> Preis etwa $8800/MB
• Welches Unternehmen brachte 1978 die erste Solid State Disk mit obiger Spezifikation auf den Markt?
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STC Solid State Disk 4305
• StorageTek> Kapazität 11.25MB, 22.5MB,
33.75MB oder 45MB> Transferraten 1MB/s, 1.5MB/s,
3MB/s> Durchschnittliche Zugriffszeit 0.7ms> Maximale Zugriffszeit 1.4ms> Preis etwa $8800/MB
http://www.computerwoche.de/heftarchiv/1978/47/1197524/http://wikibon.org/wiki/v/A_brief_history_of_solid_state_disksFoto: StorageTek – Milestones In The Storage Industry, StorageTek 2005
Hardware von Oracle
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Hardware von Oracle
• Oracle's Sun Solid State Drive • Oracle's Sun Storage 6580/6780 Array • Oracle's Sun Flash Module• Oracle's Sun Storage F5100 Flash Array• Oracle's Sun Flash Accelerator F20 PCIe Card
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Sun Solid State Drives
• Standard Disk Drive> Single Level Cell NAND> 2.5'' SFF> 3Gb/s SATA> 32GB Kapazität> Random Read (4kB): 35000 IOPS> Random Write (4kB): 3300 IOPS> Sequential Read (1MB): 250MB/s> Sequential Write (1MB): 170MB/s> MTBF: 2M Stunden
Datenblatt: http://www.oracle.com/us/products/servers-storage/storage/disk-storage/043969.pdf
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Sun Storage 6580/6780 Array
• Dual Fibre Channel RAID Controller• Bis zu 32GB Cache• Bis zu 16 FC Hostports (8Gb/s)• Bis zu 448 Festplatten• Mischen von Plattentypen
> FC: 300GB, 450GB, 600GB@15K> SATA-II: 500GB, 750GB, 1TB, 2TB@7.2K> SSD: 73GB
Datenblatt: http://www.oracle.com/us/products/servers-storage/storage/disk-storage/034782.pdf
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Sun Flash Module
• Standard Flash Module> Single Level Cell NAND> SO-DIMM/JEDEC MO-258A> 3Gb/s SATA-II> 24GB Kapazität> 64MB DRAM Puffer> Zuverlässigkeit: 7x24x3 Jahre
• Zum Beispiel in Oracle's Sun Blade X6275 Server Modul oder...
Produktseite Sun Flash Module: http://www.oracle.com/us/products/servers-storage/storage/disk-storage043963.htmlProduktseite Sun Blade X6275: http://www.oracle.com/us/products/servers-storage/servers/blades/030651.htm
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Sun Storage F5100 Flash Array
• Standard Einschub (1RU)> Single Level Cell NAND> Bis zu 80 Sun Flash Module> 16 x4 SAS-1 Ports> 1920GB Kapazität / 4 Domains> Random Read (4kB): 1.6M IOPS> Random Write (4kB): 1.2M IOPS> Sequential Read (1MB): 12.8GB/s> Sequential Write (1MB): 9.7GB/s> Schutz des Caches durch Kondensatoren
Datenblatt: http://www.oracle.com/us/products/servers-storage/storage/disk-storage/043970.pdf
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Sun Flash Accelerator F20 PCIe Card
• Standard PCIe x8 Karte> Single Level Cell NAND> 96GB Kapazität / 4 Domains> 2 x4 SAS-1 Ports (intern)> Random Read (4kB): 100K IOPS> Random Write (4kB): 84K IOPS> Sequential Read (1MB): 1092 MB/s> Sequential Write (1MB): 501 MB/s> MTBF: 2M Stunden / Modul> Schutz des Caches durch Kondensatoren
Produktseite: http://www.oracle.com/us/products/servers-storage/storage/disk-storage/043966.htmlSpezifikationen: http://de.sun.com/products/disk/f20/specs.xml
Nutzung von Flash Storage
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Wie nutzt man Flash Storage?
• Auf einfache Weise> Flash Storage soll automatisch genutzt werden> Möglichst keine Anpassung von Applikationen notwendig
• Wirtschaftlich sinnvoll> Flash Storage besser als HDD in Bezug auf €/IOPS> Flash Storage besser als HDD in Bezug auf IOPS/W> Flash Storage schlechter als HDD in Bezug auf €/GB> Flash Storage schlechter als HDD in Bezug auf GB/W
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Flash As A Disk?
• Flash für RAID-Sets> Granularität: Volume> Ganz auf Flash oder Disks> Inaktive Bereiche und Daten nutzen
die Vorteile von Flash nicht
• Generischer Ansatz> Austausch Disks gegen „schnellere“ Disks> Im Server oder Storage System> Einfach umsetzbar
• Gezielt einsetzen!
Flash Flash Flash
Flash Flash Flash
Disk
DiskVolume 4
Disk
Disk
Disk
Disk
Volume 1Volume 4
Volume 3
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Flash As A Cache?
• Flash als zusätzlicher Cache> Kann die Latenz des gesamten Storage Systems
verringern
• Fragen:> Wie wird dieser Cache eingebunden?> Cache-Algorithmen?
• Antwort: Da brauchen wir wohl ein wenig Software!
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Disk oder Cache?
• Wie immer lautet die Antwort: Es kommt darauf an!• Die gute Nachricht: Oracle hat für beides Lösungen!
Software von Oracle
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Software von Oracle
• Oracle Database 11gR2• Oracle's Sun QFS Software• Oracle Solaris ZFS
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Oracle Database 11gR2 in aller Kürze
System Global Area (SGA)
BufferPools
RedoLogs
Indices /Tables
• Benutzer möchte Daten ändern
• Änderung der Daten; Eintrag im Redo Log
• Rückgabe Ergebnis; Daten im Buffer Pool
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Oracle Database – Redo Logs
• Liste von Änderungen> Meist nur Sequential Write> Wird beim Recovery bzw.
vom Archiver gelesen> Sollte möglichst schnell
geschrieben werden
• Flash Storage als Disk!> Einfach umsetzbar> Kann Antwortzeit und
Bandbreite verbessern
System Global Area (SGA)
BufferPools
RedoLogs
Indices /Tables
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Oracle Database – Indizes
• Inhaltsverzeichnis> Meist Random r/w> Häufiger Zugriff> Kann gross werden> Möglichst viele IOPS
• Flash Storage als Disk!> Erfordert Trennung von
Tabellen und Indizes> Kann Antwortzeit und
Bandbreite verbessern
System Global Area (SGA)
BufferPools
RedoLogs
TablesIndices
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Oracle Database 11gR2 Flash Cache
• Daten werden aus Buffer Pool verdrängt
• Flash Cache ist ein L2 Cache für Datenblöcke
• Flash Storage als Cache!> Kann Antwortzeit und
Bandbreite verbessern> Nur Solaris und Oracle
Enterprise Linux
System Global Area (SGA)
BufferPools
RedoLogs
TablesIndices
FlashCache
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Sun QFS Software
• Sun QFS ist ein Dateisystem• Separation von Meta Daten
> Meta Daten des Dateisystems werden auf anderen Devices abgespeichert als die Datenblöcke der Dateien
> SSD für die Meta Daten
separation
Mixed Data BlocksMeta Data
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Sun QFS Software
• Striped Group Affinity> Eine Datei oder ein Verzeichnis kann einer Gruppe von
Devices zugeordnet werden. Die Datei wird dann auf diese Devices geschrieben.
> SSD für gewisse Dateien und Verzeichnisse
/qfs/dir1/fileGruppe 1
Gruppe 2/qfs/dir2/file QFS
File
syst
em
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Solaris ZFS
• Storage Pools• Integriertes Volume Management• Durchgängige Datenintegrität• Transaktionsbasiert mit Redirect-on-Write• Selbstheilungsfähigkeiten• Integrierte Datendienste• Einfache Administration• Hybrid Storage Pool!?
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ZFS – Hybrid Storage Pool
• Automatische Integration von DRAM, Flash Speicher und Disk
• Eigene Devices für unterschiedliche Aufgaben
• ARC, L2ARC, ZIL und Disk Storage Pool
Old Model Storage Pool New Model Storage Pool Hybrid Storage Pool (ZFS)
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ZFS Hybrid Storage Pool – ARC
• Der Adaptive Replacement Cache (ARC) von ZFS befindet sich im DRAM des Servers. Der ARC wird auch als Lesecache von ZFS verwendet.
• Der optionale Second Level ARC (L2ARC) stellt eine Erweiterung des Lesecaches von ZFS dar und befindet sich auf eigenen Storage Devices> Hierfür ist Flash Speicher sinnvoll und günstiger als
DRAM> Geringere Latenz für Random Reads im Vergleich zu
Disks
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ZFS Hybrid Storage Pool – ZIL
• ZFS ist transaktionsorientiert und schreibt Gruppen von Transaktionen asynchron auf Disks
• Für Schreiboperationen werden die Transaktionen im ARC gehalten
• Für synchrone Schreiboperationen müssen die Transaktionen zusätzlich in nicht flüchtigem Speicher gehalten werden – im ZFS Intent Log (ZIL)> Hierfür ist Flash Speicher sinnvoll und leistungsfähiger
als Disks> Geringere Latenz für Synchronous Writes im Vergleich
zu Disks
Integrierte Lösungen von Oracle
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Integrierte Lösungen von Oracle
• Oracle's Sun Storage 7000 Series• Sun Oracle Database Machine und Exadata
Storage Server
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Oracle's Sun Storage 7000 Series
• Bitte hören Sie sich Rainer Hartwichs Vortrag an!Oracle's Sun Storage 7000 Unified Storage System
• Freitag, 11. Juni 2010, 9:00 Uhr
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Datenbankperformance
• Datenbankperformance wird meist durch den Storage begrenzt> Random IO Engpass beschränkt OLTP Anwendungen> Bandbreiten Engpass beschränkt Data Warehousing> Engpass im Server, SAN oder Storagesystem
• Lösungsansatz (Déjà-vu?)> „Best I/O is No I/O“: Reduziere die Last durch geschickte
Definition von Teilaufgaben> Verteile diese Last auf mehrere> Nutze Caching auf intelligente Weise
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Klassische DB/DW Architektur
• Database Server führt alle Berechnungen durch• Storage weiss nichts über die Daten
All Processing
Database Server
∙∙∙
All Processing
Clustered DB Servers StandardNon-intelligent Storage
Inter-connect
All Processing
Database Server
All Processing
All Processing
Database Server
All Processing
SAN
Sun Oracle Exadata Storage Server
Data Intensive Processing
Classical Storage System
Store and RAID Protection
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Sun Oracle Database Machine Grid
• Datenintensiven Aufgaben an Storage Server geben• Entlastung DB Server und geringerer Datenverkehr
All Processing
Oracle Database Server
∙∙∙
Compute Intensive Processing
Clustered DB Servers Massively ParallelIntelligent Storage
High SpeedInterconnect
All Processing
Oracle Database Server
Compute Intensive Processing
All Processing
Oracle Database Server
Compute Intensive Processing
Sun Oracle Exadata Storage Server
Data Intensive Processing
Sun Oracle Exadata Storage Server
Data Intensive Processing
Sun Oracle Exadata Storage Server
Data Intensive Processing
Sun Oracle Exadata Storage Server
Data Intensive Processing
Sun Oracle Exadata Storage Server
Data Intensive Processing
∙∙∙
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Sun Oracle Database Machine
• Vorkonfigurierte Kombination aus Server, Storage und Software, dadurch sehr schnell einsatzbereit
• Alles bekannt: Oracle Database 11gR2 • Datenbank-Grid und Storage-Grid• Fokus auf Performanz, Redundanz,
Skalierbarkeit• Ideal für Data Warehousing, OLTP und
KonsolidierungProduktseite: http://www.oracle.com/us/products/database/database-machine/index.htmlWhitepaper: http://www.oracle.com/technology/products/bi/db/exadata/pdf/exadata-technical-whitepaper.pdf
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Hardware Übersicht – Full Rack
• 14* Exadata Storage Server• 8* Oracle Database Server• 3* Infiniband Switches• 1* Ethernet Switch• 1* Keyboard, Video, Mouse• Redundante Power Distributions Units• 19'' Rack
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Hardware Details
• Oracle Database Server> 2* Intel Xeon E5540@2.53GHz quad-core> 72GB Memory> 4* 146GB SAS> 1* Dual Inifiniband HCA
• Sun Oracle Exadata Storage Server> 2* Intel Xeon E5540@2.53GHz quad-core> 24GB Memory> 12* 3.5'' SAS oder SATA> 1* Dual Infiniband HCA> 4* Flash Accelerator F20 (384GB Flash)
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Einige Exadata Software Features
• Exadata Smart Scan Processing> Verteilung der Last> Reduktion der zu transferierenden Datenmenge> Teile der SQL Verarbeitung werden auf Exadata Storage
Server ausgelagert. Dieser liefert nur die passenden Zeilen und Spalten zurück. Datenbankserver konsolidiert die einzelnen Resultate
• Exadata Storage Index> Reduktion der zu verarbeitenden Datenmenge> Index mit Minimum- und Maximumwerten für Spalten
(typischerweise ein Indexeintrag für 1MB Daten auf Disk)
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Einige Exadata Software Features
• Exadata Hybrid Columnar Compression> Reduktion der gespeicherten Datenmenge> Legt man Daten zeilenweise ab und haben die Spalten
unterschiedliche Datentypen, so erreicht man meist nur geringe Kompressionsraten
> Legt man Daten spaltenweise ab, so erzielt man im allgemeinen bessere Kompressionsrate, allerdings ist die Performanz der Datenbank schlechter
> Exadata Hybrid Columnar Compression ist eine Mischung aus spalten- und zeilenorientierter Speicherung – gute Kompressionsrate, wenig
Whitepaper: http://www.oracle.com/technology/products/bi/db/exadata/pdf/ehcc_twp.pdf
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Einige Exadata Software Features
• Exadata Smart Flash Cache> Intelligentes Caching> 384GB Flash je Exadata Storage Server> Oracle Database Server sendet Informationen an den
Exadata Storage Server anhand derer entschieden wird, welche Daten im Exadata Flash Cache gehalten werden sollen und welche nicht
> Wer dem Automatismus nicht traut: Objekte können auch manuell an den Cache gebunden werden oder permanent auf Flash gespeichert werden
Whitepaper: http://www.oracle.com/technology/products/bi/db/exadata/pdf/Exadata_Smart_Flash_Cache_TWP_v5.pdf
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Database Machine – Spezifikationen
SAS 21GB/s 10.5GB/s 4.5GB/s
SATA 12GB/s 6GB/s 2.5GB/s
SAS 50000 25000 10800
SATA 20000 10000 4300
50GB/s 25GB/s 11GB/s
1000000 500000 225000
SAS 100TB 50TB 21TB
SATA 336TB 168TB 72TB
SAS 28TB 14TB 6TB
SATA 100TB 50TB 21TB
5TB/h 2.5TB/h 1TB/h
Full Rack Half Rack Quarter Rack
Raw Disk Data Bandwidth1,3
Disk IOPS2,3
Raw Flash Data Bandwidth1,3
Flash IOPS2,3
Raw Disk Capacity4
Raw Flash Capacity4
User Data5
(assuming no compression)
Ladeperformance3
(1) – Bandwidth is peak physical disk scan bandwidth, assuming no compression.(2) – IOPS – Based on IO requests of size 8K.(3) – Actual performance will vary by application(4) – Raw capacity calculated using 1 GB = 1000 x 1000 x 1000 bytes and 1 TB = 1000 x 1000 x 1000 x 1000 bytes.(5) – User Data: Actual space for end-user data, computed after single mirroring (ASM normal redundancy) and after allowing space for database structures such as temp, logs, undo, and indexes. Actual user data capacity varies by application. User Data capacity calculated using 1 TB = 1024 * 1024 * 1024 * 1024 bytes.
Übersicht: http://www.oracle.com/technology/products/bi/db/exadata/pdf/exadata-storage-technical-overview.pdf
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Zusammenfassung
• Oracle bietet Flash Storage Hardware für unterschiedliche Anwendungsfälle
• Oracle bietet die Software für die intelligente Integration von Flash Storage in die Storage Hierarchie
• Oder kurz:
Prinzessin Aura, General Klytus und der Planet MongoDirk NitschkeSystems Infrastructure AmbassadorSun Microsystems GmbH
KundenpräsentationDirk.Nitschke@Sun.COM Storagetechnology 2010 – 20100610
Ach ja: Quiz II
• Wer ist Herrscher auf dem Planeten Mongo und wer sind Prinzessin Aura und General Klytus?
KundenpräsentationDirk.Nitschke@Sun.COM Storagetechnology 2010 – 20100610
Flash Gordon
• Kaiser Ming der Gnadenlose ist Herrscher von Mongo.
• Prinzessin Aura ist seine Tochter.• General Klytus ist der Chef des Geheimdienstes auf
Mongo.