Was ist Block-Storage?

Block-Storage ist eine Daten-Storage-Methode, die Informationen in Einheiten fester Größe aufteilt, die als Blöcke bezeichnet werden und denen jeweils eine eindeutige Kennung zugewiesen wird. In SAN-, iSCSI- und lokalen Festplattenumgebungen wird jeder Block häufig als eigenständiges Storage-Volume verwendet.

Branchenforschung prognostiziert, dass die globale Kapazität aktiver Rechenzentren zwischen 2025 und 2035 um das Sechsfache steigen wird. Anwendungen, die von Datenbanken, virtuellen Maschinen und Transaktionsverarbeitung abhängen, erfordern Storage, der in Mikrosekunden und nicht in Millisekunden reagiert. Herkömmliche dateibasierte Ansätze bringen oft Overhead mit sich, der die Performance im großen Maßstab verlangsamt. 

Block-Storage erfüllt diese Anforderungen direkt. Bei dieser Daten-Storage-Methode werden Informationen in Einheiten fester Größe unterteilt, die als Blöcke bezeichnet werden und denen jeweils eine eindeutige Kennung zugewiesen wird. Im Gegensatz zu Datei-Storage, der Daten in hierarchischen Verzeichnissen organisiert, oder Objekt-Storage, der Daten mit umfangreichen Metadaten verpackt, werden bei Block-Storage alles außer den Rohdaten und einer minimalen Adresse entfernt. Das Ergebnis ist eine schlanke, leistungsstarke Architektur, die auf Geschwindigkeit optimiert ist. 

Da jeder Block als unabhängiges Storage-Volume fungiert, behandeln Betriebssysteme sie auf die gleiche Weise wie eine lokal angeschlossene Festplatte. Dadurch ist Block-Storage die Grundlage für Storage Area Networks (SANs), Cloud-Computing-Instanzen und praktisch jede Workload, bei der geringe Latenz und hoher Durchsatz nicht verhandelbar sind.

Wie funktioniert Block-Storage?

Bei Block-Storage enthält jeder Block eine bestimmte Menge an Daten, in der Regel 256 KB bis 4 MB. Jeder Block stellt einen Teil einer Datei dar, der nicht in einer bestimmten hierarchischen Reihenfolge organisiert ist. Die Daten auf Blöcken, die nebeneinander liegen, haben möglicherweise gar nichts miteinander zu tun.

Jeder Block hat eine eigene eindeutige Kennung – eine logische Blockadresse (LBA), die ihn von anderen Blöcken unterscheidet. Wenn eine Datei abgerufen werden muss, sendet eine Anwendung eine Anfrage, und das Storage-System zieht eine Nachschlagetabelle zu Rate, in der die Adresse jedes Blocks seinem physischen Speicherort zugeordnet wird. Die relevanten Blöcke befinden sich möglicherweise auf mehreren Geräten und werden in der richtigen Reihenfolge neu zusammengesetzt. Der gesamte Prozess ist für die Anwendung transparent.

Außer der Kennung enthalten die Blöcke keine Metadaten. Da es keine Metadaten gibt, ist Block-Storage sehr effizient, da fast die gesamte Storage-Kapazität des Blocks für die eigentlichen Daten verwendet wird. So wird kein Speicherplatz verschwendet. Dadurch ist Block-Storage ideal für Workloads, die eine schnelle Skalierung und eine schnelle Lese-/Schreib-Performance erfordern.

Storage-Protokolle

Block-Storage-Geräte kommunizieren über mehrere Protokolle mit Servern:

• Fibre Channel (FC): Ein dediziertes Hochgeschwindigkeits-Fabric-Protokoll, das einen Durchsatz von bis zu 128Gbpss bietet. FC bleibt der Standard für geschäftskritische SAN-Umgebungen, in denen Performance und Zuverlässigkeit im Vordergrund stehen.
• iSCSI: Verkapselt SCSI-Befehle in TCP/IP-Paketen und ermöglicht so den Block-Storage-Zugriff über Standard-Ethernet-Netzwerke. Erschwinglicher als FC, mit 10/25/100-GbE-Optionen, die die Performance-Lücke schließen.
• NVMe over Fabrics (NVMe-oF): Verlängert die Architektur von NVMe mit niedriger Latenz und hoher Warteschlangentiefe über Netzwerk-Fabrics hinweg und bietet nahezu lokale Performance für Shared Storage.
• Fibre Channel over Ethernet (FCoE): Konvergiert FC- und Ethernet-Datenverkehr in einem einzigen Netzwerk, reduziert die Komplexität der Infrastruktur und erhält gleichzeitig die Zuverlässigkeit auf FC-Ebene.

Block-Storage vs. Datei-Storage vs. Objekt-Storage

Block-Storage zeichnet sich dadurch aus, dass Anwendungen einen direkten, Low-Level-Zugriff auf Storage-Volumes mit vorhersehbarer Performance erfordern. Datei-Storage ist sinnvoller für gemeinsame Zusammenarbeits-Workflows. Objekt-Storage ist die erste Wahl für riesige unstrukturierte Daten – z. B. Medienarchive, Backups und KI-AI Trainingsdatensätze.

Viele Unternehmen nutzen alle drei. Eine typische Umgebung kann Datenbanken auf Block-Storage ausführen, Projektdateien über NAS freigeben und kalte Daten in einem Objekt-Storage archivieren.

Beispiele für Block-Storage

Block-Storage wird direkt vom Betriebssystem genutzt und ist als Volumes verfügbar. Er kann eine Vielzahl von Aufgaben übernehmen. Tatsächlich ist Block-Storage für die meisten Anwendungen die beliebteste Art von Storage.

Einige beliebte Anwendungsfälle für Block-Storage sind:

• Datenbank-Storage: Eine Datenbank enthält in der Regel viele Tabellen, die ihrerseits Datensammlungen darstellen. Die Verwendung von Blockdateien zum Speichern dieser Daten ist ideal, da sie einen schnellen Datenzugriff ermöglichen. Da Schnelligkeit für eine Datenbank entscheidend ist, ist die Organisation der Daten in Blöcken die beste Lösung.
• Disaster Recovery: Im Falle einer Katastrophe ist es oft notwendig, Daten aus Backups wiederherzustellen. Organisationen verwenden häufig Block-Storage, um Backups von Daten auf Blockebene zu erstellen. Auf diese Weise können die Daten schnell und einfach wiederhergestellt werden, ohne dass eine zeitaufwendige Wiederherstellung einzelner Dateien erforderlich ist.
• Geschäftskritische Anwendungen: Unternehmenskritische Anwendungen wie Oracle, Microsoft Exchange, SAP und Microsoft SharePoint erfordern hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit. Durch den Einsatz von Block-Storage kann dank der schnellen Lese-/Schreib-Performance von Block-Storage sichergestellt werden, dass diese Anwendungen immer verfügbar sind.

Vorteile von Block-Storage

Wie jede Technologie hat auch Block-Storage Vor- und Nachteile. Die Vorteile von Block-Storage liegen jedoch auf der Hand: Er eignet sich am besten für hohe Performance und schnellen Datenzugriff.

Hier sind die wichtigsten Vorteile der Verwendung von Block-Storage:

• Geringe Latenz und hohe IOPS: Moderne All-Flash-Block-Storage-Arrays bieten Reaktionszeiten von unter 150 Mikrosekunden und können Millionen von IOPS aufrechterhalten. Dies ist entscheidend für latenzempfindliche Anwendungen wie Finanzhandelsplattformen, Echtzeitanalysen und elektronische Patientenakten im Gesundheitswesen.
• Fähigkeit, inkrementelle Änderungen vorzunehmen: Mit Block-Storage ist es möglich, eine Datei zu ändern, ohne alle aktuellen Daten entfernen zu müssen, wie es bei einem herkömmlichen Dateisystem der Fall wäre. Sie können beispielsweise Änderungen vornehmen, indem Sie Blöcke ersetzen, löschen oder einfügen. Dies macht sie ideal für häufig aktualisierte Dateien, wie sie z. B. in Datenbanken verwendet werden.
• Unabhängigkeit des Betriebssystems: Block-Volumes können mit jedem Dateisystem formatiert werden – NTFS, ext4, XFS, ZFS – wodurch Block-Storage gleichzeitig mit Windows, Linux und anderen Umgebungen kompatibel ist.
• Hochverfügbarkeit: Block-Storage-Systeme verwenden in der Regel RAID-Arrays, synchrone Replikation und active-active-Clustering, um einzelne Ausfallpunkte zu eliminieren und die Betriebszeit bei Hardwareausfällen aufrechtzuerhalten.

Nachteile von Block-Storage

Natürlich hat Block-Storage auch Nachteile. Es wird nicht bestritten, dass er teurer sein kann als andere Storage-Formen, und er ist möglicherweise nicht die beste Lösung für alle Workloads.

Folgendes sind einige der Nachteile von Block-Storage:

• Höhere Kosten: Block-Storage-Infrastrukturen, insbesondere Fibre Channel SANs, erfordern spezielle Hardware, einschließlich HBAs, FC-Switches und dedizierter Verkabelung. Cloud-Block-Storage kostet auch tendenziell mehr pro GB als Objekt- oder Dateialternativen. Block-Storage kann teurer sein als andere Arten von Storage. So können beispielsweise Kauf und Wartung von SANs kostenintensiv sein.
• Komplexität des Managements: Die Konfiguration und Wartung von SANs, LUN-Maskierung, Zonenerstellung und Multipath-I/O erfordert spezielle Fähigkeiten. Unternehmen ohne dedizierte Storage-Administratoren können den operativen Overhead als erheblich empfinden.
• Begrenzte Metadaten: Die minimalen Metadaten von Block Storage erschweren die Suche oder Klassifizierung von Daten auf der Storage-Ebene. Anwendungen müssen das Metadaten unabhängig voneinander verwalten.
• Skalierbarkeitsobergrenzen für unstrukturierte Daten: Während Block-Storage für strukturierte Workloads gut skaliert werden kann, wird es schwieriger, ihn im Petabyte-Bereich zu verwalten. Objekt-Storage ist in der Regel kostengünstiger für massive unstrukturierte Datensätze.

Best Practices für die Implementierung

Die effektive Bereitstellung von Block-Storage erfordert eine Planung in Bezug auf Performance, Verfügbarkeit und Wachstum:

1. Bewerten Sie zunächst die Workload-Anforderungen. Ordnen Sie das I/O-Profil jeder Anwendung zu – zufällig vs. sequentiell, leselastig vs. schreiblastig, Latenzempfindlichkeit. Dies bestimmt, ob FC-, iSCSI- oder NVMe-oF-Konnektivität sinnvoll ist.
2. Design für Redundanz von Anfang an. Implementieren Sie RAID-Schutz, Multipath-I/O und Dual-Fabric-SAN-Konfigurationen. Für geschäftskritische Workloads sollten Sie eine active-activeReplikation über Standorte hinweg in Betracht ziehen.
3. Passen Sie Ihre Volumes an. Die Überversorgung verschwendet Kapazität und Budget. Unterversorgung führt zu Engpässen. Moderne Plattformen mit Thin Provisioning und Datenreduktion (Deduplizierung und Komprimierung) helfen dabei, die effektive Kapazität zu optimieren.
4. Planen Sie Wachstum mit mehrstufigem Storage. Tieren Sie Hochleistungs-Workloads auf NVMe-Flash und Daten mit geringerer Priorität auf kapazitätsoptimierten Medien.
5. Automatisieren Sie nach Möglichkeit. Verwenden Sie Storage-Management-APIs, Infrastructure-as-Code-Tools und AIOps-Plattformen, um die manuelle Konfiguration zu reduzieren und die Bereitstellung zu beschleunigen.

Die Zukunft von Block-Storage

Block-Storage entwickelt sich neben den unterstützten Workloads weiter. Mehrere Trends prägen ihren kurzfristigen Verlauf:

• Die Einführung von NVMe-oF beschleunigt sich. Während Rechenzentren auf 25/100/400-GbE-Fabrics aufrüsten, ersetzt NVMe over Fabrics herkömmliche Protokolle für neue Implementierungen und liefert eine nahezu lokale NVMe-Performance über Netzwerkentfernungen.
• Einheitliche Storage-Plattformen verwischen die Grenzen. Moderne Arrays bieten jetzt Block-, Datei- und Objekt-Storage von einer einzigen Plattform aus, sodass keine separaten Silos verwaltet werden müssen.
• Storage-as-a-Service-Modelle gewinnen an Boden. Die verbrauchsbasierte Preisgestaltung für lokalen Block-Storage eliminiert große Investitionsausgaben und gleicht die Kosten mit der tatsächlichen Nutzung ab.

Wie Everpure helfen kann 

Es ist kein Geheimnis, dass Daten von Tag zu Tag wichtiger werden, aber herkömmliche Storage-Lösungen können mit der Entwicklung nicht mehr mithalten. Sie sind nicht nur langsam und unzuverlässig, sondern können auch teuer sein.

Everpure bietet einen besseren Weg. Unsere All-Flash-Block-Storage-Produkte wie FlashArray//C™, FlashArray//X™ und FlashArray//XL™ sind auf Performance, Einfachheit und Zuverlässigkeit ausgelegt. 

Ein All-Flash-Array (AFA) enthält nur Flash-Speicherlaufwerke anstelle von rotierenden Plattenlaufwerken und bietet:

• Geschwindigkeit: Schnellere Lese-/Schreib- und Zugriffszeiten für Speicher sorgen für eine bessere Performance und Geschwindigkeit. 
• Portabilität: Da Solid-State-Laufwerke (SSDs) deutlich kleiner sind als herkömmliche Festplattenlaufwerke (HDDs), bietet Flash-Storage einen Vorteil in Bezug auf den Platzbedarf für Speicherkapazität.
• Langlebigkeit: SSDs sind Stößen und Stürzen gegenüber weniger anfällig als rotierende Plattenlaufwerke.

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