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Dateifragmentierung, SANs, NAS und RAID

In diesem Dokument erklären wir das Verhalten und die Vorteile einer Implementierung der Diskeeper-Defragmentierungssoftware bei der Verwendung moderner Hardware, wie z. B. RAID, NAS und SANs. SANs, NAS-Systeme, Unternehmensserver und sogar High-End-Workstations oder multimediaorientierte Desktops verfügen im Allgemeinen über mehrere physikalische Festplattenlaufwerke, die in einer Form des fehlertoleranten Festplatten-Stripings (RAID) implementiert sind. Sinn und Zweck des fehlertoleranten Festplatten-Stripings ist die Bereitstellung von Redundanz und optimierter Performance durch die Verteilung der E/A-Belastung. Bei dieser Konstellation wird jedoch immer wieder irrtümlicherweise davon ausgegangen, dass die Fragmentierung keine negativen Auswirkungen hat. Auch das Vorhandensein von Schnittstellen, wie z. B. EIDE, SCSI, SATA, i-SCSI, Fibre Channel, entbindet nicht von der Notwendigkeit einer gründlichen Defragmentierung.

Im Folgenden werden wir zeigen, dass diese Systeme sehr wohl unter der Fragmentierung leiden. Der Grund hierfür liegt in den Auswirkungen der Fragmentierung auf die logische Zuweisung von Dateien und in einem unterschiedlichen Maße auf die physische Verteilung der Dateien.

Der Dateisystemtreiber NTFS.sys übernimmt die Zuweisung des logischen Speicherorts (was sich auf das Betriebssystem und den Defragmentierer auswirkt). Anschließend wird der eigentliche Schreibvorgang an den fehlertoleranten Gerätetreiber übergegeben (RAID-Hardware oder -Software), der dann je nach Funktionsweise das Ablegen der Dateien und Generieren von Paritätsinformationen übernimmt und die Daten schließlich an den (vom Hersteller bereitgestellten) Festplattentreiber weiterleitet.

Wie bereits angedeutet, werden die Festplatten aus Performance-Gründen in „Stripe Sets”, also Streifen, zerlegt. Bei einem Zugriff auf Daten in einem „Stripe Set” werden im Allgemeinen höhere Geschwindigkeiten beobachtet als bei dem gleichen Vorgang auf einer einzelnen Festplatte. Der Grund hierfür liegt in der Verteilung der E/A-Belastung über mehrere Festplatten. Diese Verteilung ermöglicht einem Betriebssystem das Durchführen mehrerer Suchvorgänge auf mehreren Festplatten gleichzeitig. Es können sogar mehrere Schreib-/Lesevorgänge gleichzeitig stattfinden.

Besonders gute Leistungen zeigen Stripe Sets in folgenden Situationen:

1. Notwendigkeit eines schnellen Benutzerzugriffs auf umfangreiche Datenbanken oder andere Datenstrukturen. 
2. Speichern von Programmbildern, DLLs oder Runtime-Bibliotheken für ein schnelles Laden. 
3. Anwendungen, die asynchrone, multithreaded E/As verwenden.

In folgenden Situationen bieten Stripe Sets keine Vorteile:

1. Bei der Verwendung von Programmen, die kleine Mengen sequentiell gespeicherter Daten abfragen. Wenn ein Programm beispielsweise je 8 K Daten anfordert, sind u. U. acht separate E/A-Abfragen notwendig, um alle Daten in einen 64 K-Streifen zu lesen oder zu schreiben. Der Speichermechanismus wird dabei allerdings nicht besonders gut genutzt. 
2. Bei der Verwendung von Programmen, die kleine Datenmengen mit synchronen, zufälligen Abfragen abrufen. Dies führt zu E/A-Engpässen, weil für jede Abfrage eine separate Operation erforderlich ist. Singlethreaded 16-Bit-Programme sind für dieses Problem besonders anfällig.

Selbstverständlich kann RAID eine sorgfältig geschriebene Anwendung, die asynchrone, multithreaded E/A-Techniken verwendet, optimal nutzen. Physikalische Elemente werden in der RAID-Umgebung von einer Anwendung weder direkt gelesen noch direkt geschrieben. Sogar Windows-Dateisysteme sehen sie als einzelne logische Festplatte. Diese logische Festplatte weist eine logische Cluster-Nummerierung (LCN, Logical Cluster Numbering) auf, wie das auch bei allen anderen, von Windows unterstützten Datenträgern der Fall ist. Sobald eine Anwendung Dateien in dieser virtuellen Umgebung liest oder schreibt (Erstellen neuer Dateien, Erweitern vorhandener Dateien, Löschen von Dateien), kommt es zu einer Fragmentierung. Aus diesem Grund hat die Fragmentierung dieser logischen Festplatte sehr wohl eine erhebliche negative Auswirkung auf die Systemleistung. Bei der Verarbeitung einer E/A-Abfrage durch das Dateisystem müssen eine Reihe von Attributen geprüft werden. Diese Prüfung geht mit einem relativ großen Zeitaufwand einher. Wenn eine Anwendung "unnötig" viele E/A-Abfragen ausgeben muss, wie das bei einer Fragmentierung der Fall ist, wird der Prozessor einer überhöhten Belastung ausgesetzt. Sobald die E/A-Abfrage ausgegeben wird, muss sie von der RAID-Hardware/Software bearbeiten werden, um festzulegen, welches physikalische Element die E/A-Abfrage weiterleiten soll. Der intelligente RAID-Cache auf dieser Ebene kann die negativen Auswirkungen der physikalischen Fragmentierung bis zu einem gewissen Grad ausgleichen. Die logische Fragmentierung des Betriebssystems lässt sich dadurch jedoch nicht beseitigen.

Jetzt stellt sich die Frage, was Diskeeper in dieser Situation bewirken kann. Diskeeper interpretiert RAID-Umgebungen genau so wie das Dateisystem. Das bedeutet, dass Diskeeper die logische Festplatte defragmentiert, um die Geschwindigkeit und Performance in einer RAID-Umgebung zu optimieren. Erreicht wird dies durch das Verhindern der Ausgabe unnötiger E/A-Abfragen durch das Dateisystem. Das Dateisystem gibt diese unnötigen E/A-Abfragen aus, weil es die Dateien und den freien Speicherplatz als nebeneinander liegend interpretiert. Dementsprechend braucht es weniger Zeit zum Prüfen der Dateiattribute, so dass mehr Prozessorzeit auf wichtige Aufgaben für Benutzer und Anwendung verwendet werden kann. Darüber hinaus füllen die E/A-Abfragen je nach RAID-System den gesamten 64 K-Chunk (RAID-Stripe), so dass die E/A-Abfragen das RAID-System optimal nutzen können.

Um die Auswirkung der Fragmentierung auf ein RAID-System zu messen, können Sie Performance-Überwachungstechnologien verwenden und verschiedene Faktoren, wie die durchschnittliche Länge der Festplattenwarteschlange, verteilte E/As und % Festplattenzeit prüfen. Weitere Informationen zur Feineinstellung der Festplattenleistung finden Sie in den Online-Ressourcen von Microsoft.

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