Grundlegendes zum Speicherpoolcache

Gilt für: Azure Stack HCI, Versionen 22H2 und 21H2; Windows Server 2022, Windows Server 2019

„Direkte Speicherplätze“, die grundlegende Speichervirtualisierungstechnologie hinter Azure Stack HCI und Windows Server, bietet einen integrierten serverseitigen Cache, sodass Sie die Speicherleistung maximieren und gleichzeitig die Kosten senken können. Es handelt sich dabei um einen großen, permanenten Echtzeit-Lese- und -Schreibcache, der bei der Bereitstellung automatisch konfiguriert wird. In den meisten Fällen ist keine manuelle Verwaltung erforderlich. Die Funktionsweise des Caches hängt davon ab, welche Laufwerkstypen vorhanden sind.

Laufwerkstypen und Bereitstellungsoptionen

Für „Direkte Speicherplätze“ können derzeit vier Arten von Laufwerken verwendet werden:

Art des Laufwerks	BESCHREIBUNG
	PMem bezieht sich auf persistenten Speicher. Dabei handelt es sich um eine neue Art von Hochleistungsspeicher mit geringen Wartezeiten.
	NVMe-Laufwerke (Non-Volatile Memory Express) sind Solid State Drives, die direkt auf dem PCIe-Bus angeordnet sind. Häufig verwendete Formfaktoren sind 2,5" U.2, PCIe Add-In-Card (AIC) und M.2. NVMe ermöglicht einen höheren IOPS- und E/A-Durchsatz mit geringerer Latenz als alle anderen Laufwerkstypen, die derzeit unterstützt werden. Eine Ausnahme davon bildet PMem.
	SSD steht für „Solid State Drives“, die über herkömmliche SATA- oder SAS-Verbindungen verbunden sind.
	HDD steht für rotierende, magnetische Festplattenlaufwerke (Hard Disk Drives), die eine hohe Speicherkapazität zu geringen Kosten bieten.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diese Speichergeräte zu kombinieren. Wir verwenden zwei Kategorien zur Unterteilung: „nur Flash“ und „Hybrid“. Nur-HDD-Bereitstellungen werden nicht unterstützt.

Optionen bei Nur-Flash-Bereitstellungen

Nur-Flash-Bereitstellungen zielen auf die Maximierung der Speicherleistung ab und umfassen keine Festplattenlaufwerke.

Optionen bei Hybridbereitstellungen

Hybridbereitstellungen zielen auf ein ausgewogenes Verhältnis von Leistung und Kapazität oder auf eine Maximierung der Kapazität ab und umfassen Festplattenlaufwerke.

Cachelaufwerke werden automatisch ausgewählt

Bei Bereitstellungen mit mehreren Laufwerkstypen werden von „Direkte Speicherplätze“ automatisch alle schnellsten Laufwerke für die Zwischenspeicherung verwendet. Alle weiteren Datenträger werden zur Bereitstellung der Kapazität verwendet.

Welche Laufwerke am schnellsten sind, wird anhand der folgenden Hierarchie ermittelt.

Wenn Sie beispielsweise über NVMe-Laufwerke und SSDs verfügen, wird auf den NVMe-Laufwerken die Zwischenspeicherung für die SSDs durchgeführt.

Wenn Sie über SSDs und HDDs verfügen, übernehmen die SSDs die Zwischenspeicherung für die HDDs.

Wenn alle Laufwerke denselben Typ haben, wird nicht automatisch ein Cache konfiguriert. Sie können manuell konfigurieren, dass Laufwerke mit höherer Belastbarkeit als Cache für Laufwerke desselben Typs dienen, die für geringere Belastungen ausgelegt sind. Informationen hierzu finden Sie im Abschnitt Manuelle Konfiguration.

Cacheverhalten wird automatisch festgelegt

Das Verhalten des Caches wird automatisch anhand des Typs von Laufwerken ermittelt, für die die Zwischenspeicherung durchgeführt wird. Bei der Zwischenspeicherung für Flashlaufwerke (z. B. NVMe-Zwischenspeicherung für SSDs) werden nur Schreibvorgänge zwischengespeichert. Bei der Zwischenspeicherung für rotierende Festplattenlaufwerke (z. B. auf SSDs für HDDs) werden sowohl Lese- als auch Schreibvorgänge zwischengespeichert.

Lesegeschützte Zwischenspeicherung für reine Flash-Bereitstellungen

Die Zwischenspeicherung kann in einem Szenario mit einer Nur-Flash-Bereitstellung (z. B. mit NVMe als Cache) verwendet werden, um die Leistung von SSDs zu erhöhen. Bei der Zwischenspeicherung für Nur-Flash-Bereitstellungen werden nur Schreibvorgänge zwischengespeichert. Dadurch wird die Belastung von Kapazitätslaufwerken reduziert, weil viele Schreibvorgänge und erneute Schreibvorgänge im Cache zusammengefügt werden können und die Aufhebung der Bereitstellung nur bei Bedarf durchgeführt wird. So wird der Gesamtdatenverkehr für die Kapazitätslaufwerke verringert und deren Lebensdauer erhöht. Aus diesem Grund empfehlen wir Ihnen, für den Cache Laufwerke mit längerer Lebensdauer und Schreibvorgangoptimierung auszuwählen. Die Kapazitätslaufwerke verfügen in Bezug auf Schreibvorgänge ggf. über eine kürzere Lebensdauer.

Weil Lesevorgänge keine signifikante Auswirkung auf die Lebensdauer des Flashspeichers haben und SSDs generell eine niedrigere Leselatenz aufweisen, werden Lesevorgänge nicht zwischengespeichert, sondern direkt von den Kapazitätslaufwerken bereitgestellt (sofern die Daten nicht so neu sind, dass das De-Staging noch nicht durchgeführt wurde). Der Cache kann in diesem Fall ausschließlich für Schreibvorgänge genutzt werden, sodass sich die Effektivität erhöht.

Dies führt dazu, dass Merkmale von Schreibvorgängen, z. B. die Schreiblatenz, von den Cachelaufwerken diktiert werden, während die Merkmale von Lesevorgängen von den Kapazitätslaufwerken vorgegeben werden. Beide sind jeweils konsistent, vorhersagbar und einheitlich.

Zwischenspeicherung von Lese-/Schreibvorgängen für Hybridbereitstellungen

Bei der Zwischenspeicherung für Festplattenlaufwerke werden sowohl Lese- als auch Schreibvorgänge zwischengespeichert, um in beiden Fällen Latenzwerte wie bei Flashspeicher zu erzielen (häufig ca. um den Faktor 10 verbessert). Im Lesecache werden Daten gespeichert, die vor kurzer Zeit und häufig gelesen werden, um den Zugriff zu beschleunigen und zufälligen Datenverkehr für die HDDs möglichst gering zu halten. (Da es aufgrund von Suchvorgängen und Rotationsbewegungen zu Verzögerungen kommt, ist die Latenz und verlorene Zeit durch zufällige Zugriffe auf eine HDD nicht zu vernachlässigen.) Schreibvorgänge werden zwischengespeichert, um Datenverkehrsspitzen aufzufangen und, wie zuvor, das Schreiben und erneute Schreiben zusammenzufügen und so den Gesamtdatenverkehr für die Kapazitätslaufwerke zu verringern.

Von „Direkte Speicherplätze“ wird ein Algorithmus implementiert, mit dem die Zufälligkeit von Schreibvorgängen vor dem De-Staging beseitigt wird. Für Datenträger wird ein E/A-Muster emuliert, dass sequenziell erscheint, obwohl der tatsächliche E/A-Ablauf der Workload (z. B. virtuelle Computer) zufälliger Art ist. Auf diese Weise werden die IOPS-Rate und der Durchsatz für die HDDs erhöht.

Zwischenspeichern in Bereitstellungen mit NVMe, SSDs und HDDs

Wenn Laufwerke aller drei Typen vorhanden sind, übernehmen die NVMe-Laufwerke die Zwischenspeicherung sowohl für die SSDs als auch für die HDDs. Das Verhalten ist hierbei wie oben beschrieben: für die SSDs werden nur Schreibvorgänge zwischengespeichert, und für die HDDs sowohl Lese- als auch Schreibvorgänge. Die Last der Zwischenspeicherung für die HDDs ist gleichmäßig auf die Cachelaufwerke verteilt.

Zusammenfassung

In der folgenden Tabelle ist angegeben, welche Laufwerke zum Zwischenspeichern verwendet werden, welche als Kapazitätslaufwerke eingesetzt werden und welches Cacheverhalten für jede Bereitstellungsmöglichkeit gilt.

Serverseitige Architektur

Der Cache wird auf Laufwerksebene implementiert: Einzelne Cachelaufwerke innerhalb eines Servers sind an mindestens ein Kapazitätslaufwerk auf demselben Server gebunden.

Da sich der Cache unterhalb der restlichen Elemente des per Software definierten Speicherstapels von Windows befindet, verfügt er über keinerlei Informationen zu vorhandenen Konzepten wie Speicherplätzen oder Fehlertoleranz (und dies ist auch nicht erforderlich). Sie können sich dies wie die Erstellung von „Hybridlaufwerken“ (teilweise Flash, teilweise Datenträger) vorstellen, die dann für das Betriebssystem bereitgestellt werden. Wie bei einem richtigen Hybridlaufwerk auch, ist die Echtzeitverschiebung von heißen und kalten Daten zwischen den schnelleren und langsameren Teilen der physischen Medien von außen nahezu unsichtbar.

Wenn sichergestellt ist, dass die Resilienz in Direkte Speicherplätze mindestens auf Serverebene angeordnet ist (Datenkopien also immer auf unterschiedliche Server geschrieben werden und maximal eine Kopie pro Server vorliegt), profitieren die Daten im Cache von der gleichen Resilienz wie für Daten außerhalb des Cache.

Bei Verwendung der Drei-Wege-Spiegelung werden drei Kopien aller Daten auf unterschiedliche Server geschrieben, auf denen sie dann im Cache angeordnet werden. Unabhängig davon, ob dafür später das De-Staging durchgeführt wird, sind immer drei Kopien vorhanden.

Laufwerkbindungen sind dynamisch

Die Bindung zwischen Cache- und Kapazitätslaufwerken kann ein beliebiges Verhältnis von 1:1 bis 1:12 oder höher aufweisen. Dieses Verhältnis wird jeweils dynamisch angepasst, wenn Laufwerke hinzugefügt oder entfernt werden, z. B. beim zentralen Hochskalieren oder nach Ausfällen. Dies bedeutet, dass Sie Cache- oder Kapazitätslaufwerke jederzeit einzeln hinzufügen können.

Wir empfehlen Ihnen, aus Symmetriegründen als Anzahl von Kapazitätslaufwerken ein Vielfaches der Anzahl von Cachelaufwerken zu wählen. Wenn Sie beispielsweise über vier Cachelaufwerke verfügen, ist die Leistung bei Verwendung von acht Kapazitätslaufwerken ausgeglichener (Verhältnis 1:2) als bei Verwendung von sieben oder neun Laufwerken.

Vorgehensweise bei Ausfällen von Cachelaufwerken

Wenn ein Cachelaufwerk ausfällt, gehen alle Schreibvorgänge, für die die Bereitstellung noch nicht aufgehoben wurde, auf dem lokalen Server verloren. Dies bedeutet, dass nur noch die anderen Kopien (auf anderen Servern) vorliegen. Wie nach anderen Laufwerksausfällen auch, ist für Speicherplätze eine automatische Wiederherstellung möglich und wird auch durchgeführt, indem die intakten Kopien herangezogen werden.

Für kurze Zeit werden die Kapazitätslaufwerke, die an das ausgefallene Cachelaufwerk gebunden waren, als fehlerhaft angezeigt. Nachdem die Cachebindung wiederhergestellt (automatisch) und die Reparatur der Daten durchgeführt wurde (automatisch), werden sie wieder als fehlerfrei angezeigt.

Dieses Szenario ist der Grund, warum mindestens zwei Cachelaufwerke pro Server benötigt werden, um die Leistung aufrechtzuerhalten.

Sie können das Cachelaufwerk dann genau wie alle anderen Laufwerke austauschen.

Beziehung zu anderen Caches

Der softwaredefinierte Speicherstapel von Windows enthält noch mehrere andere Caches. Beispiele hierfür sind der Speicherplätze-Zurückschreibcache und der Cache für In-Memory-Lesevorgänge des freigegebenen Clustervolumes (Cluster Shared Volume, CSV).

Für Azure Stack HCI sollte das Standardverhalten des Speicherplätze-Zurückschreibcaches nicht geändert werden. Beispielsweise sollten Parameter wie -WriteCacheSize im Cmdlet New-Volume nicht verwendet werden.

Ob Sie den CSV-Cache nutzen, ist allein Ihre Entscheidung. Er ist in Azure Stack HCI standardmäßig aktiviert, aber es kommt zu keinem Konflikt mit dem Cache, der in diesem Thema beschrieben wird. In bestimmten Szenarien können hiermit wertvolle Leistungssteigerungen erzielt werden. Weitere Informationen finden Sie unter Verwenden des CSV-In-Memory-Lesecaches mit Azure Stack HCI.

Manuelle Konfiguration

Für die meisten Bereitstellungen ist die manuelle Konfiguration nicht erforderlich. Falls Sie sie durchführen möchten, helfen Ihnen die Informationen in den folgenden Abschnitten weiter.

Wenn Sie nach dem Setup Änderungen am Cachegerätemodell vornehmen müssen, können Sie das Dokument mit den Supportkomponenten des Integritätsdiensts bearbeiten. Dies ist in der Übersicht über den Integritätsdienst beschrieben.

Angeben des Cachelaufwerk-Modells

Bei Bereitstellungen, bei denen alle Laufwerke den gleichen Typ haben, z. B. Bereitstellungen nur mit NVMe- oder SSD-Komponenten, wird kein Cache konfiguriert, da Windows für Laufwerke des gleichen Typs nicht automatisch zwischen Merkmalen wie der Schreibbelastbarkeit unterscheiden kann.

Wenn Sie Laufwerke mit höherer Belastbarkeit als Cache für Laufwerke des gleichen Typs mit geringerer Belastbarkeit verwenden möchten, können Sie angeben, welches Laufwerksmodell mit dem Parameter -CacheDeviceModel des Enable-ClusterS2D-Cmdlets verwendet werden soll. Alle Laufwerke dieses Modells werden für die Zwischenspeicherung verwendet.

Beispiel

Erstellen Sie zuerst eine Liste mit den physischen Datenträgern:

Get-PhysicalDisk | Group Model -NoElement

Hier ist eine Beispielausgabe angegeben:

Count Name
----- ----
    8 FABRIKAM NVME-1710
   16 CONTOSO NVME-1520

Geben Sie anschließend den folgenden Befehl ein, und geben Sie dabei das Modell des Cachegeräts an:

Enable-ClusterS2D -CacheDeviceModel "FABRIKAM NVME-1710"

Sie können überprüfen, ob die gewünschten Laufwerke für die Zwischenspeicherung verwendet werden, indem Sie Get-PhysicalDisk in PowerShell ausführen und sicherstellen, dass für die Usage-Eigenschaft der Wert "Journal" angegeben ist.

Optionen bei manuellen Bereitstellungen

Bei der manuellen Konfiguration haben Sie die folgenden Bereitstellungsoptionen:

Festlegen des Cacheverhaltens

Es ist möglich, das Standardverhalten des Caches außer Kraft zu setzen. Beispielsweise können Sie auch bei einer reinen Flash-Bereitstellung festlegen, dass Lesevorgänge zwischengespeichert werden sollen. Wir raten Ihnen von einer Änderung des Verhaltens ab, sofern Sie nicht sicher sind, dass die Standardeinstellung für Ihre Workload nicht geeignet ist.

Verwenden Sie für die Außerkraftsetzung des Verhaltens das Cmdlet Set-ClusterStorageSpacesDirect und die zugehörigen Parameter -CacheModeSSD und -CacheModeHDD. Mit dem Parameter CacheModeSSD wird das Cacheverhalten bei der Zwischenspeicherung für SSDs festgelegt. Mit dem Parameter CacheModeHDD wird das Cacheverhalten bei der Zwischenspeicherung für HDDs festgelegt.

Sie können Get-ClusterStorageSpacesDirect verwenden, um zu überprüfen, ob das Verhalten festgelegt wurde.

Beispiel

Rufen Sie zuerst die Einstellungen für „Direkte Speicherplätze“ ab:

Get-ClusterStorageSpacesDirect

Hier ist eine Beispielausgabe angegeben:

CacheModeHDD : ReadWrite
CacheModeSSD : WriteOnly

Gehen Sie nun wie folgt vor:

Set-ClusterStorageSpacesDirect -CacheModeSSD ReadWrite

Get-ClusterS2D

Hier ist eine Beispielausgabe angegeben:

CacheModeHDD : ReadWrite
CacheModeSSD : ReadWrite

Anpassen der Cachegröße

Die Größe des Caches sollte so gewählt werden, dass sie für den Arbeitssatz (die Daten, die aktiv gelesen oder geschrieben werden) Ihrer Anwendungen und Workloads ausreicht.

Dies ist insbesondere bei Hybridbereitstellungen mit Festplattenlaufwerken wichtig. Wenn der aktive Arbeitssatz die Größe des Caches übersteigt oder sich zu schnell verändert, kommt es vermehrt zu Lesecachefehlern, und die Aufhebung der Bereitstellung von Schreibvorgängen muss aggressiver erfolgen, wodurch die Gesamtleistung beeinträchtigt wird.

Sie können das integrierte Hilfsprogramm „Leistungsmonitor“ (PerfMon.exe) unter Windows verwenden, um die Rate an Cachefehlern zu untersuchen. Genauer gesagt: Sie können den Wert Cache Miss Reads/sec des Indikatorsatzes Cluster Storage Hybrid Disk mit dem IOPS-Gesamtwert für Lesevorgänge Ihrer Bereitstellung vergleichen. Jeder „Hybriddatenträger“ entspricht einem Kapazitätslaufwerk.

Beispielsweise führen zwei Cachelaufwerke, die an vier Kapazitätslaufwerke gebunden sind, zu vier „Hybriddatenträger“-Objektinstanzen pro Server.

Es gibt keine allgemeingültige Regel, aber wenn es für zu viele Lesevorgänge zu Cachefehlern kommt, reicht die Größe ggf. nicht aus, und Sie sollten erwägen, zur Erweiterung des Caches mehr Cachelaufwerke hinzuzufügen. Sie können Cache- oder Kapazitätslaufwerke jederzeit einzeln hinzufügen.

Nächste Schritte

Weitere Informationen zum Speicher finden Sie unter:

• Fehlertoleranz und Speichereffizienz
• Quorum für Cluster und Pools