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.