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Hyper-V-Unterstützung für Datenträger mit großen Sektoren – Übersicht

 

Betrifft: Windows Server 2012 R2, Windows Server 2012

Hyper-V in Windows Server 2012 bietet ab sofort Unterstützung für Datenträger mit großen Sektoren, um Kompatibilität mit neuen Funktionen im Bereich der Speicherhardware zu gewährleisten.

In der Datenspeicherbranche wird das physische Format von Festplattenlaufwerken von Sektoren mit 512 Byte auf Sektoren mit 4096 Byte umgestellt (auch als 4K- oder 4-KB-Sektoren bezeichnet). Diese Umstellung hat verschiedene Gründe, u. a. beispielsweise eine höhere Speicherdichte und eine verbesserte Zuverlässigkeit.

In der Softwarebranche jedoch hängt ein Großteil der Produkte von Festplattensektoren mit einer Größe von 512 Byte ab. Eine Änderung der Sektorengröße führt in vielen Anwendungen zu Kompatibilitätsproblemen. Um die Auswirkungen auf die Branche möglichst gering zu halten, führen Festplattenhersteller für den Übergang Emulationslaufwerke mit 512 Byte (512e) ein. Diese Festplatten bieten einige der Vorteile, die auch die systemeigenen 4-KB-Festplatten bieten (z. B. eine verbesserte Formateffizienz und ein verbessertes Schema für Fehlerkorrekturcodes), verursachen aber weniger Kompatibilitätsprobleme als 4-KB-Sektoren auf Ebene der Festplattenschnittstelle.

Die Speicherbranche führt physische Festplatten mit 4 KB ein, um eine höhere Kapazität bereitzustellen. Es wird erwartet, dass dieses neue Format von Kunden weithin übernommen wird. Aktualisierungen des Hyper-V-Virtualisierungsstapels in Windows Server 2012 sorgen für Kompatibilität mit Speicherkonfigurationen, bei denen die zugrunde liegende physische Festplatte das neue 4-KB-Format nutzt.

Dieses Feature erfordert physische Festplattenlaufwerke im 512e- oder systemeigenen 4-KB-Format.

Hyper-V in Windows Server 2012 bietet folgende Vorteile:

512e-Laufwerke können Schreibvorgänge nur bezogen auf physische Sektoren ausführen – das heißt, ein an sie ausgegebener Schreibvorgang für einen 512-Byte-Sektor kann nicht direkt ausgeführt werden. Die innerhalb des Laufwerks ablaufenden Prozesse, die einen Schreibvorgang ermöglichen, umfassen folgende Schritte:

  1. Das Laufwerk liest den physischen 4-KB-Sektor in den internen Cache ein, der den logischen 512-Byte-Sektor beinhaltet, auf den der Schreibvorgang verweist.

  2. Die Daten im 4-KB-Puffer werden geändert, sodass sie den aktualisierten 512-Byte-Sektor einschließen.

  3. Das Laufwerk schreibt den Inhalt des aktualisierten 4-KB-Puffers zurück auf den physischen Sektor auf dem Laufwerk.

Diesen Prozess bezeichnet man als RMW (Read-Modify-Write). Der RMW-Prozess verursacht auf virtuellen Festplatten (Virtual Hard Disks, VHDs) Leistungseinbußen. Dies ist folgendermaßen zu erklären:

  1. Dynamische und differenzierende virtuelle Festplatten umfassen vor der Datennutzlast eine 512-Byte-Sektorbitmap. Zusätzlich sind Fußzeile/Kopfzeile/übergeordnete Locators auf einen 512-Byte-Sektor ausgerichtet. Der VHD-Treiber gibt aus diesem Grund in der Regel 512-Byte-Schreibvorgänge zur Aktualisierung dieser Strukturen aus, und dies führt zum oben beschriebenen RMW-Verhalten.

  2. Lese- und Schreibvorgänge werden von Anwendungen üblicherweise in Vielfachen von 4 KB ausgegeben (der Standardclustergröße von NTFS). Da sich vor dem Block mit der Datennutzlast der dynamischen und differenzierenden virtuellen Festplatten eine 512-Byte-Sektorbitmap befindet, sind die 4-KB-Blöcke nicht an der physischen 4-KB-Begrenzung ausgerichtet. Jeder 4-KB-Schreibvorgang, der vom aktuellen Parser zur Aktualisierung der Datennutzlastergebnisse ausgegeben wird, führt zu zwei Lesevorgängen für zwei Blöcke auf der Festplatte. Diese werden anschließend aktualisiert und wieder auf die zwei Datenträgerblöcke zurückgeschrieben.

Die Beeinträchtigung der Gesamtleistung für die Workloads liegt zwischen 30 % und 80 %, zeitweise sogar noch höher.

Hyper-V verringert die Leistungseinbußen bei 512e-Laufwerken im VHD-Stapel, indem die zuvor genannten Strukturen aufgefüllt und so an 4-KB-Begrenzungen im VHD-Format ausgerichtet werden. Auf diese Weise werden die Auswirkungen des RMW-Prozesses beim Zugriff auf Daten innerhalb der VHD-Datei verringert, gleiches gilt für die Aktualisierung der VHD-Metadatenstrukturen.

Da der aktuelle VHD-Treiber eine physische Sektorgröße von 512 Byte erfordert und E/A-Vorgänge von 512 Bytes ausgibt, ist er nicht mit diesen Laufwerken kompatibel. Deshalb kann der aktuelle VHD-Treiber keine VHD-Dateien auf physischen Laufwerken mit 4-KB-Sektoren öffnen. Mit Hyper-V können VHDs auf 4-KB-Datenträgern gespeichert werden, indem ein RMW-Softwarealgorithmus auf VHD-Ebene implementiert wird, um den 512-Byte-Zugriff und die Aktualisierungsanforderung an die VHD-Datei in entsprechende 4-KB-Zugriffe und -Aktualisierungen zu konvertieren.

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