Was ist Storage Spaces Direct (S2D)?

Jede Fest­plat­te ist ir­gend­wann einmal voll. Storage Spaces Direct ist – ver­ein­facht gesagt – eine Methode, um mehrere Fest­plat­ten logisch zu­sam­men­zu­fü­gen, sodass sie für den Anwender wie ein einziges großes Laufwerk aussehen. Der Anwender braucht sich um den phy­si­schen Spei­cher­ort seiner Daten nicht mehr zu kümmern, da das S2D-Da­tei­sys­tem von den Servern au­to­ma­tisch verwaltet wird. Dies stellt hohe An­for­de­run­gen an die Aus­fall­si­cher­heit der ver­wen­de­ten Kom­po­nen­ten.

Storage Spaces Direct er­mög­licht es, die Da­ten­spei­cher ver­schie­de­ner Windows-Server zu einem Speicher-Cluster zu­sam­men­zu­fas­sen und dann in logische Laufwerke auf­zu­tei­len, die den Anwendern frei­ge­ge­ben werden. Dabei übernimmt die Software die Steuerung der Laufwerke, woraus sich bestimmte Vor­aus­set­zun­gen für die Hardware-Auswahl ergeben.

Storage Spaces Direct (S2D) ist ein Software Defined Storage in Windows Server 2016, läuft also nicht auf jedem PC mit Windows. Die Tech­no­lo­gie basiert auf den Storage Spaces, die Microsoft mit Windows Server 2012 ein­ge­führt hat, damals noch mit dem Scale-Out-File-Server (SOFS), einem Da­tei­ser­ver mit ho­ri­zon­ta­ler Ska­lie­rung.

Zur Nutzung von Storage Spaces Direct (S2D) benötigt man mehrere Fest­plat­ten in einem Server oder mehrere Server mit jeweils einer oder mehreren Fest­plat­ten. Die Server lassen sich über Ethernet mit­ein­an­der verbinden, d. h. es sind keine spe­zi­el­len Leitungen nötig. Als Laufwerke eignen sich klas­si­sche Fest­plat­ten (HDD), SSDs oder NVMe-Spei­cher­kar­ten.

Damit die ver­wen­de­ten Hardware-Kom­po­nen­ten ein­wand­frei zu­sam­men­spie­len, benötigen alle Geräte und Treiber von Microsoft für die Nutzung von Storage Spaces Direct ein Windows-Server-2016-Zer­ti­fi­kat. Microsoft liefert eine Liste vor­kon­fi­gu­rier­ter Server ver­schie­de­ner Her­stel­ler, die den Kriterien für Windows Server 2016 – hy­per­kon­ver­gen­te Systeme – ent­spre­chen. Zu­sätz­lich besteht die Mög­lich­keit, selbst geeignete Kom­po­nen­ten zu­sam­men­zu­stel­len. Verwenden Sie in diesem Fall Kom­po­nen­ten, die nach dem Software-Defined Data Center (SDDC) von Microsoft zer­ti­fi­ziert sind.

Die Min­dest­vor­aus­set­zung für die in den Servern ein­ge­setz­ten Pro­zes­so­ren erfüllen der Intel Nehalem oder der ver­gleich­ba­re AMD EPYC. Zu­sätz­lich zum Spei­cher­be­darf eines einzelnen Windows-Servers mit gleichen An­for­de­run­gen benötigt ein Storage-Spaces-Direct-Knoten 4 GB RAM je TB Cache-Laufwerk.

Fest­plat­ten und SSDs können über SAS oder SATA an­ge­schlos­sen sein. USB-Laufwerke werden nicht un­ter­stützt. Die Ver­wen­dung von RAID-Con­trol­lern ist ebenfalls nicht möglich, da die An­steue­rung der Hardware aus­schließ­lich über die Software-Schicht von Storage Spaces Direct erfolgt. Die Laufwerke müssen physisch am Server an­ge­schlos­sen sein, Netz­werk­spei­cher (NAS = Network Attached Storage) können nicht ein­ge­bun­den werden.

Zum Speichern von Daten, die häufig abgerufen oder verändert werden, empfiehlt es sich, SSDs in die Server ein­zu­bau­en. Dabei müssen En­ter­pri­se-SSDs verwendet werden, die Power Loss Pro­tec­tion un­ter­stüt­zen, also beim Ausfall der Strom­ver­sor­gung keine Fehler im Da­tei­sys­tem erzeugen. Beim Einsatz von SSDs oder NVMe müssen alle ein­ge­bau­ten Laufwerke in einem Knoten vom selben Typ sein.

Zur Kom­mu­ni­ka­ti­on innerhalb eines Clusters müssen die einzelnen Knoten min­des­tens über ein 10-GBit-Netzwerk verbunden sein. Die ver­wen­de­ten Netz­werk­kar­ten müssen RDMA (Remote Direct Memory Access) mit den Pro­to­kol­len RoCE oder iWARP un­ter­stüt­zen. Für die Anbindung der Ar­beits­sta­tio­nen ans Netzwerk gelten die üblichen Spe­zi­fi­ka­tio­nen für Windows-Server-basierte Netze.

Storage Spaces Direct eignet sich bestens, wenn es darum geht, Spei­cher­ka­pa­zi­tä­ten im Netzwerk möglichst flexibel zu erweitern und hohe Da­ten­si­cher­heit bei Hardware-Ausfällen zu ge­währ­leis­ten. Daten lassen sich so an ver­schie­de­nen Fir­men­stand­or­ten gleich­zei­tig zur Verfügung stellen – eine schnelle Netz­werk­ver­bin­dung zwischen den Stand­or­ten vor­aus­ge­setzt.

Ein weiterer Ein­satz­be­reich sind virtuelle Maschinen auf Basis der Hyper-V-Tech­no­lo­gie im Netzwerk, die mithilfe von Storage Spaces Direct we­sent­lich besser ska­lier­bar sind. Mehrere virtuelle Maschinen können so bei­spiels­wei­se auf die gleichen Daten zugreifen.

Storage Spaces Direct (S2D) ist eine Software-Defined-Storage-Lösung, bei der eine Software die Ver­wal­tung der Hardware-Spei­cher­me­di­en übernimmt. Auf diese Weise lassen sich Spei­cher­ka­pa­zi­tä­ten und tech­ni­sche Vorteile der einzelnen Da­ten­trä­ger zentral bündeln, auch wenn diese räumlich getrennt an ver­schie­de­nen Servern an­ge­schlos­sen sind. Server und Speicher werden dabei zu einem Storage-Space-Direct-Cluster zu­sam­men­ge­fasst.

Beim Einsatz un­ter­schied­li­cher Spei­cher­tech­no­lo­gien ent­schei­det die Software selbst­stän­dig, welche Daten auf welcher Hardware abgelegt werden. Besonders häufig genutzte Dateien werden, falls vorhanden, auf schnellen NVMe-Speichern abgelegt, re­gel­mä­ßig be­ar­bei­te­te Dateien auf SSDs und Si­che­rungs­da­tei­en sowie nur selten ab­ge­ru­fe­ne Daten auf klas­si­schen Fest­plat­ten. Auch als Cache sollten idea­ler­wei­se SSD- oder NVMe-Speicher verwendet werden. Für Anwender im Netzwerk erscheint der ganze Cluster als eine Netz­werk­frei­ga­be. Sie brauchen sich nicht darum zu kümmern, welche Daten auf welcher Hardware liegen.

Die Ad­mi­nis­tra­ti­on erfolgt auf dem Server über das grafische Tool „Server Manager“ des Windows-Server-2016-Be­triebs­sys­tems oder über die Kom­man­do­zei­le. Bei der In­stal­la­ti­on des Storage-Spaces-Direct-Clusters werden zunächst alle Fest­plat­ten der ver­schie­de­nen Server zu einem Storage Pool zu­sam­men­ge­fasst. Wichtig ist, dass nur die Laufwerke, auf denen Nut­zer­da­ten ge­spei­chert werden, in den Cluster auf­ge­nom­men werden. Die Be­triebs­sys­tem­lauf­wer­ke der Server bleiben weiterhin un­ab­hän­gig.

Die nutzbaren Fest­plat­ten und Halb­lei­ter­spei­cher werden au­to­ma­tisch erkannt und hin­zu­ge­fügt. Auf diese Weise kann man später weitere Fest­plat­ten und Server in den Cluster aufnehmen und die Spei­cher­ka­pa­zi­tät be­darfs­ge­recht skalieren. In jeden Knoten lassen sich zu­sätz­lich zur Sys­tem­fest­plat­te noch bis zu vier Da­ten­lauf­wer­ke und zwei Cache-Laufwerke einbauen.

Auf dem neu ein­ge­rich­te­ten Cluster werden dann virtuelle Disks angelegt, die hier als Cluster Shared Volume (CSV) be­zeich­net werden. Diese CSVs werden an­schlie­ßend for­ma­tiert, wobei zwei Da­tei­sys­te­me möglich sind. Microsoft empfiehlt das CSV-ReFS (Resilient File System), das besser auf die Storage-Spaces-Direct-Tech­no­lo­gie ab­ge­stimmt ist als das CSV-NTFS auf Basis des klas­si­schen NTFS für Fest­plat­ten. Die CSVs können sich über mehrere Hardware-Laufwerke er­stre­cken, was für den Anwender jedoch keine Rolle spielt und aus­schließ­lich vom System verwaltet wird.

Jeder einzelne Storage-Spaces-Direct-Knoten kann eine gesamte Spei­cher­ka­pa­zi­tät von bis zu 100 TB haben. Ein Storage Pool aus mehreren Servern kann nur eine Ma­xi­mal­ka­pa­zi­tät von 1 PB (PetaByte = 1.024 TB) nutzen, obwohl Storage Spaces Direct (S2D) bis zu 16 Server zulässt.

Die Netz­werk­kom­mu­ni­ka­ti­on zwischen den einzelnen Knoten erfolgt über das SMB3-Protokoll, eine Wei­ter­ent­wick­lung des Server Message Block (SMB) mit SMB Direct und SMB Mul­tich­an­nel.

Storage Spaces Direct bietet mit dem Failover Cluster Feature in Windows Server 2016 eigene Methoden, um die ge­spei­cher­ten Daten vor Hardware-Ausfällen zu schützen. Fällt eine Fest­plat­te oder ein ganzer Knoten aus, gehen keine Daten verloren und das System als Ganzes bleibt weiterhin lauffähig. Anwender bekommen in den meisten Fällen von dem Hardware-Ausfall nichts mit.

Sind nur zwei Knoten zu einem Cluster zu­sam­men­ge­fasst, erfolgt eine Zwei-Wege-Spie­ge­lung, die die Daten beider Knoten syn­chro­ni­siert, sodass ein Knoten oder eine Fest­plat­te komplett ausfallen kann. Ab drei Knoten empfiehlt sich eine Drei-Wege-Spie­ge­lung. In diesem Szenario kann einer von drei Knoten komplett ausfallen und auf einem weiteren mehrere Fest­plat­ten den Dienst ver­wei­gern. Al­ler­dings darf gleich­zei­tig nie mehr als die Hälfte aller Da­ten­lauf­wer­ke betroffen sein, da sonst die Da­ten­kon­sis­tenz nicht mehr ge­währ­leis­tet ist. Das gilt nicht für den Ausfall einer Be­triebs­sys­tem­fest­plat­te, die mit einem Ser­ver­aus­fall gleich­zu­set­zen ist.

• Gute Ska­lier­bar­keit, weitere Server lassen sich pro­blem­los hin­zu­fü­gen.
• Hoch­ver­füg­bar­keit durch Spie­ge­lung der Daten; Hardware-Ausfälle führen nicht zu Da­ten­ver­lus­ten.
• Im Gegensatz zu ähnlichen Lösungen anderer Her­stel­ler kann Standard-Server-Hardware ein­ge­setzt werden, solange diese von Microsoft zer­ti­fi­ziert ist.
• Das System ist optimiert für SQL-Server und Vir­tua­li­sie­run­gen mit Hyper-V.