Was ist ein SSD VPS? Flash-Speicher erklärt

Was ist ein SSD VPS?

Ein SSD VPS ist ein virtueller privater Server, dessen Datenträger auf Flash-Speicher statt auf einer rotierenden Festplatte basiert. SSD steht für Solid State Drive: ein Speicher, der aus NAND-Flash-Chips besteht und keine beweglichen Teile enthält. VPS steht für Virtual Private Server: ein isolierter Bereich auf einem physischen Hostsystem, auf dem ein eigenes Betriebssystem läuft und der Ihnen wie ein vollständiger Server bereitgestellt wird. Zusammengenommen verspricht diese Bezeichnung eine Sache: Wenn Ihr Server einen Datenblock liest, muss sich vorher kein mechanisches Bauteil bewegen.

Das ist die vollständige Definition. Im Folgenden geht es darum, was diese Bezeichnung nicht erklärt. Die Angabe „SSD-Hosting“ auf einer Preisseite sagt nur wenig über das dahinterliegende Speicher-Array aus.

Wenn Sie noch klären, wie sich ein VPS von einer einfachen virtuellen Maschine unterscheidet, lesen Sie zuerst den Unterschied zwischen einem VPS, einer VM und einer VPC.

Warum Hoster die Speichergeschwindigkeit statt der Speicherkapazität angeben

Auf einer Tarifseite werden CPU-Kerne, Arbeitsspeicher, Festplattengröße und Bandbreite aufgeführt. Danach steht dort noch ein Wort zum Datenträger, das überhaupt keine Größenangabe ist. Hoster tun das, weil die Kapazität schon seit Jahren nicht mehr die entscheidende Kennzahl für Speicher ist. Die beiden Werte, die bestimmen, wie schnell sich ein Server anfühlt, sind IOPS (Eingabe-/Ausgabeoperationen pro Sekunde) und Latenz (wie lange eine Operation bis zur Antwort benötigt).

Der Grund liegt im mechanischen Unterschied. Eine Festplatte speichert Daten auf rotierenden Plattern und liest sie mit einem Kopf an einem beweglichen Arm. Um einen Block an einer anderen Stelle des Platterns zu erreichen, muss der Arm suchen. Anschließend muss sich die Platte drehen, bis der richtige Sektor unter dem Lesekopf liegt. Bei 7200 Umdrehungen pro Minute dauert eine halbe Umdrehung im Durchschnitt etwa 4 ms. Die Suchbewegung benötigt zusätzlich mehrere Millisekunden. Flash hat weder einen Arm noch ein Platter. Ein Lesevorgang ist daher eine elektrische Abfrage, die innerhalb von einigen zehn Mikrosekunden beantwortet wird.

[
  {
    "device": "7200 rpm hard disk",
    "random_read_iops": "125",
    "read_latency_ms": 8
  },
  {
    "device": "SATA SSD",
    "random_read_iops": "90,000",
    "read_latency_ms": 0.15
  },
  {
    "device": "NVMe SSD",
    "random_read_iops": "600,000",
    "read_latency_ms": 0.08
  }
]

Eine Festplatte mit 7200 rpm ist für ungefähr 125 zufällige 4k-Lesevorgänge pro Sekunde ausgelegt. Einer dieser Lesevorgänge benötigt etwa 8 ms bis zur Antwort. Ein NVMe-Laufwerk ist für nahezu 600,000 derselben Lesevorgänge ausgelegt. Jeder Vorgang dauert dabei etwa 0.08 ms. Die SATA-SSD dazwischen ist für nahezu 90,000 ausgelegt. Betrachten Sie diese Werte als Größenordnungen, nicht als prozentuale Verbesserung.

Zu diesen Daten gibt es zwei wichtige Hinweise. Es handelt sich um veröffentlichte Spezifikationen für vollständige Laufwerke der jeweiligen Klasse. Das sind also Herstellerangaben und keine Messwerte von einem VPS. Außerdem erhalten Sie nie ein vollständiges Laufwerk. Ihr Volume ist ein Anteil an einem Gerät oder an einem Array und läuft auf derselben Hardware neben den Volumes anderer Kunden.

Die beiden Spalten beantworten außerdem unterschiedliche Fragen. Lesen Sie sie daher gemeinsam. Die Latenz gibt an, wie lange Sie auf eine Operation warten. IOPS geben an, wie viele Operationen das Laufwerk gleichzeitig bearbeiten kann. Flash erreicht seine hohen IOPS-Werte durch Parallelverarbeitung. Viele Flash-Chips beantworten gleichzeitig viele Anfragen, während eine tiefe Warteschlange sie ausgelastet hält. Ein einstufiges Programm, das einen Lesevorgang startet, darauf wartet und erst danach den nächsten startet, wird die Spitzenwerte dieser Tabelle nie erreichen. Es sieht stattdessen die Werte der Latenzspalte.

SSD, NVMe, SATA und PCIe: vier Begriffe auf vier verschiedenen Ebenen

Käufer verwechseln diese Begriffe, weil jeder eine andere Komponente des Systems beschreibt.

• SSD bezeichnet das Speichermedium. Die Daten liegen auf NAND-Flash-Chips und nicht auf magnetischen Plattern.
• SATA ist eine Schnittstelle, die in der Ära mechanischer Festplatten entwickelt wurde. Sie erreicht maximal 6 Gbit/s, was einem realen Durchsatz von etwa 550 MB/s entspricht. Ihre Befehlswarteschlange kann 32 ausstehende Befehle aufnehmen.
• NVMe (non-volatile memory express) ist ein speziell für Flash entwickeltes Protokoll. Es unterstützt viele Warteschlangen mit jeweils Tausenden von Befehlen. Dadurch können mehrere CPU-Kerne gleichzeitig mit dem Laufwerk kommunizieren, ohne sich eine einzelne enge Warteschlange teilen zu müssen.
• PCIe (peripheral component interconnect express) ist der Bus, über den NVMe läuft. Es handelt sich um dieselbe Art von Lanes, an die auch eine Grafikkarte angeschlossen wird.

Eine SATA-SSD und eine NVMe-SSD speichern Daten beide auf Flash. Sie unterscheiden sich in der verwendeten Schnittstelle. Eine SATA-SSD ist dennoch deutlich schneller als jede Festplatte. Die Befehlswarteschlange mit 32 Einträgen begrenzt jedoch, wie viel parallele Arbeit sie verarbeiten kann. Gerade für parallele Arbeit ist Flash besonders gut geeignet. Welche Variante den Aufpreis wert ist, hängt von Ihrer Arbeitslast ab. Die Entscheidung zwischen NVMe- und SATA-SSD erläutert die Unterschiede ausführlich.

Lokaler Flash-Speicher oder netzwerkgebundener Speicher?

Unter demselben Begriff werden zwei sehr unterschiedliche Varianten angeboten.

Lokaler Speicher bedeutet, dass sich die Flash-Laufwerke im selben physischen Host wie Ihre VPS befinden. Eine Anfrage läuft innerhalb eines Rechners über PCIe und kommt direkt zurück. Dadurch bleibt die Latenz im Bereich von einigen Dutzend Mikrosekunden.

Netzwerkgebundener Speicher bedeutet, dass Ihre virtuelle Festplatte auf einem separaten Storage-Cluster liegt, häufig auf Ceph oder einem SAN (storage area network). Jeder Lese- und Schreibvorgang muss ein Netzwerk durchqueren, um den Speicher zu erreichen. Anbieter bezeichnen das meist als "cloud block storage" oder "elastic volumes". Der Flash-Speicher ist real. Die Netzwerkübertragung ist es ebenfalls. Sie kommt zu jedem einzelnen Vorgang hinzu. Dadurch liegt die Latenz bei mehreren hundert Mikrosekunden oder im niedrigen Millisekundenbereich statt bei einigen Dutzend Mikrosekunden.

Keine der beiden Varianten ist grundsätzlich falsch. Netzwerkgebundener Speicher übersteht den Ausfall eines Hosts, weil sich die Daten nie auf diesem Host befanden. Der Anbieter kann Ihren Server auf anderer Hardware starten, und die Festplatte folgt ihm. Lokaler NVMe-Speicher ist schneller und an eine physische Maschine gebunden. Ein Hardwareausfall bedeutet dort daher, dass eine Wiederherstellung aus dem Backup erforderlich ist. Fragen Sie, welche Variante ein Tarif verwendet. Das tut fast niemand.

Wie sich der Unterschied auf einem echten Server bemerkbar macht

Serverarbeit besteht überwiegend aus kleinen, zufälligen Lese- und Schreibzugriffen, nicht aus langen sequenziellen Übertragungen. Deshalb ist der MB/s-Wert in den Marketingangaben die am wenigsten nützliche Zahl auf der Seite.

• Datenbank-Commits. Eine Datenbank, die Dauerhaftigkeit garantiert, führt bei einem Commit fsync aus und wartet anschließend, bis das Laufwerk bestätigt, dass die Daten tatsächlich gespeichert wurden. Bei einer Festplatte dauert dieses Warten mehrere Millisekunden. Dadurch bleibt eine kleine Datenbank auf einige hundert Commits pro Sekunde begrenzt. Bei Flash dauert dasselbe Warten nur einen Bruchteil einer Millisekunde. Hier ist der Unterschied am größten, unabhängig davon, ob Sie PostgreSQL, MySQL oder SQLite als Produktionsdatenbank einsetzen.
• Paketinstallationen. apt install entpackt Tausende kleiner Dateien und synchronisiert sie währenddessen auf den Datenträger. Fast keine dieser Operationen ist sequenziell. Die Geschwindigkeit wird daher durch die IOPS begrenzt.
• Abruf von Container-Images. docker pull lädt komprimierte Layer über das Netzwerk und extrahiert sie anschließend in Tausende kleiner Dateien. Der Download wird durch das Netzwerk begrenzt. Die Extraktion wird durch den Datenträger begrenzt. Bei einem langsamen Volume ist die Extraktion der Teil, auf den Sie warten.
• Booten und Neustarten. Beim Start werden ein Kernel und eine initramfs sowie anschließend Hunderte kleiner Unit-Dateien und Shared Libraries geladen, die über das Volume verteilt sind.

Keine dieser Operationen besteht aus einem großen sequenziellen Lesevorgang. Ein Volume, das 500 MB/s beim sequenziellen Lesen erreicht, aber nur 3,000 IOPS liefert, wirkt während eines docker compose pull weiterhin langsam, weil die Wartezeit pro Datei anfällt und nicht pro Megabyte.

Warum „SSD-Cloud-Hosting“ auf einer Preisseite kaum etwas aussagt

Der Begriff beschreibt nur das Speichermedium. Er sagt nichts darüber aus, welche Schnittstelle das Laufwerk verwendet. Ebenso wenig erfahren Sie, ob sich das Laufwerk im selben Rechner wie Ihr Server befindet. Auch die Obergrenze Ihres Tarifs bleibt offen.

Diese Obergrenze ist am wichtigsten und wird am seltensten angegeben. Anbieter begrenzen IOPS und Durchsatz pro Volume, weil ein Host viele Kunden bedient und ein nicht begrenzter Nachbar die Ressourcen der übrigen Kunden aufbrauchen kann. Eine Begrenzung auf einige tausend IOPS bei Hardware, die mehrere hunderttausend IOPS leisten kann, ist normal und transparent. In der Tarifbeschreibung ist sie jedoch oft nicht sichtbar. Zwei Tarife können beide mit „SSD“ werben, obwohl einer lokales NVMe ohne Begrenzung pro Volume verwendet und der andere ein gemeinsam genutztes Cluster-Volume mit 3.000 IOPS ist.

Begrenzungen gibt es in zwei Formen. Eine dauerhafte Begrenzung ist eine feste Obergrenze, die sich nicht verändert. Eine Burst-Begrenzung bietet eine niedrige Basisleistung und zusätzlich Credits, mit denen Sie die Begrenzung eine Zeit lang überschreiten können. Diese Credits werden wieder aufgefüllt, während das Volume nicht ausgelastet ist. Eine Burst-Begrenzung wirkt in einem fünfminütigen Test sehr gut. Während eines Datenbankimports oder einer umfangreichen Wiederherstellung fällt die Leistung dann möglicherweise auf die Basisleistung zurück. Wenn ein Anbieter eine hohe Leistung angibt, fragen Sie, wie lange Sie diese Leistung nutzen dürfen.

So prüfen Sie, was Ihr VPS tatsächlich bereitstellt

Innerhalb des Gasts sehen Sie nur die Informationen, die der Hypervisor bereitstellt.

lsblk -d -o NAME,ROTA,MODEL,SIZE
cat /sys/block/vda/queue/rotational

Ersetzen Sie vda durch den Gerätenamen lsblk, der für Ihre Festplatte ausgegeben wurde. ROTA und die Datei rotational liefern den Wert 0, wenn der Kernel darüber informiert wurde, dass das Gerät nicht rotierend ist, und 1, wenn ihm das Gegenteil mitgeteilt wurde. Bei einer virtuellen Festplatte wird dieses Kennzeichen anhand der Angaben des Hypervisors gesetzt. Es beschreibt daher das virtuelle Gerät und nicht die darunterliegende physische Hardware. MODEL ist bei einer Virtio-Festplatte wie vda meist leer oder enthält bei einem emulierten SATA-Controller eine allgemeine Zeichenfolge wie QEMU HARDDISK. Gastsysteme sollen das Array des Hosts nicht sehen. Das tun sie auch nicht.

Betrachten Sie das Kennzeichen daher nur als Hinweis und messen Sie die übrigen Eigenschaften. Führen Sie mit fio einen zufälligen 4k-Test für eine Datei auf dem Volume durch. Verwenden Sie dabei die Queue-Tiefe, die Ihre Anwendung tatsächlich nutzt, und lassen Sie den Test lange genug laufen, damit ein vorhandenes Burst-Guthaben aufgebraucht wird. Einen VPS korrekt benchmarken enthält die fio-Befehle sowie die häufigen Fehler, die zu überhöhten Messwerten führen.

Drei Fragen, die Sie einem Anbieter vor dem Kauf stellen sollten

1. Ist der Speicher lokal am Hypervisor angebunden oder über das Netzwerk erreichbar? Die Antwort bestimmt die untere Grenze Ihrer Latenz. Außerdem legt sie fest, was mit Ihren Daten passiert, wenn ein physischer Host ausfällt. Ein Anbieter, der diese Frage klar beantwortet, hat sich damit auseinandergesetzt.
2. Welches IOPS-Limit gilt für mein Volume? Verlangen Sie eine konkrete Zahl. „Unbegrenzt“ und „Enterprise-Qualität“ sind keine Zahlen. Wenn es tatsächlich keine Begrenzung gibt, fragen Sie, was verhindert, dass ein Nachbar auf demselben Host während seines Backup-Fensters das gesamte Storage-Array auslastet.
3. Gilt dieses Limit dauerhaft oder nur als Burst? Wenn es einen Burst gibt, fragen Sie nach dem Basiswert und der Burst-Dauer. Mit dem Basiswert muss Ihr nächtlicher Job auskommen. Er ist daher die maßgebliche Größe für die Planung.

Verschleißt Flash-Speicher, und ist das Ihr Problem?

Flash-Zellen verkraften nur eine begrenzte Anzahl von Schreibzyklen. Deshalb geben Anbieter die Haltbarkeit eines Laufwerks in TBW (terabytes written) oder DWPD (drive writes per day) an. Das Laufwerk verteilt Schreibvorgänge gleichmäßig auf seine Zellen. Dieses Verfahren heißt Wear-Leveling. Außerdem hält es Ersatzblöcke vor, um ausgefallene Zellen zu ersetzen. Bei einem VPS ist der Verschleiß das Problem des Anbieters. Er überwacht die SMART-Zähler seiner Laufwerke und ersetzt die Hardware, bevor die angegebene Haltbarkeit erreicht ist. Ihr eigentliches Problem ist älter als Flash. Ein Laufwerk ist kein Backup. Auch Redundanz unterhalb Ihres Volumes ist kein Backup, weil sie eine Löschung genauso zuverlässig kopiert wie Daten.

Der eigentliche Kompromiss betrifft den Preis pro Gigabyte. Flash-Speicher kostet pro Gigabyte mehr als Festplatten mit rotierenden Magnetscheiben. Deshalb bietet ein SSD-Tarif zum gleichen Preis normalerweise weniger Kapazität als ein Festplattentarif. Wenn Sie viel Speicherplatz für Medien oder Archive benötigen, halten Sie das schnelle Volume klein und speichern Sie die großen Datenmengen an einem günstigeren Ort. Das ist auch die passende Grundlage, um Backups außerhalb des Servers aufzubewahren. Wie sich der Speicher in die übrigen Kosten einordnet, schlüsselt die tatsächlichen Kosten eines VPS nach einzelnen Positionen auf.

FAQ

Ist ein SSD-VPS dasselbe wie ein NVMe-VPS?

Jeder NVMe-VPS ist ein SSD-VPS, weil NVMe-Laufwerke Flash-Speicher verwenden. Umgekehrt gilt das nicht. Ein als „SSD“ beworbener Tarif kann eine SATA-SSD verwenden. Dabei handelt es sich um Flash-Speicher hinter einer Schnittstelle, die für mechanische Laufwerke entwickelt wurde, mit einer Befehlswarteschlange von 32 und einer Grenze von etwa 550 MB/s. Beide Varianten sind deutlich schneller als eine Festplatte. Wenn dieser Unterschied für Ihre Arbeitslast relevant ist, fragen Sie den Anbieter, welche Variante im Tarif verwendet wird, statt den Namen des Tarifs zugrunde zu legen.

Macht ein SSD-VPS meine Website schneller?

Er beschleunigt Festplattenzugriffe, und nur diese. Eine Seite, die pro Anfrage mehrere Datenbankabfragen ausführt, wird schneller, weil diese Abfragen und ihre Commits aus kleinen zufälligen I/O-Zugriffen bestehen. Eine Seite, die aus dem Arbeitsspeicher oder einem Cache ausgeliefert wird, greift beim Ausliefern nicht auf die Festplatte zu und ändert sich daher kaum. Messen Sie, welcher Teil einer Anfrage langsam ist, bevor Sie Speicher buchen, um dieses Problem zu beheben.

Wie kann ich prüfen, ob mein VPS tatsächlich SSD-Speicher verwendet?

Innerhalb des Gastsystems können Sie die physische Hardware nicht verifizieren. lsblk -d -o NAME,ROTA zeigt, welche Eigenschaften das virtuelle Gerät angibt. Der Hypervisor bestimmt diesen Wert. Ein 0 ist daher ein Hinweis, aber kein Beweis. Die praktische Prüfung ist eine Messung: Führen Sie fio mehrere Minuten lang mit einer zufälligen 4k-Lesearbeitslast aus und prüfen Sie die gemeldete Latenz. Zufällige Lesezugriffe im einstelligen Millisekundenbereich weisen auf rotierende Festplatten oder ein überlastetes Netzwerk-Volume hin. Latenzen im Bereich von mehreren zehn Mikrosekunden weisen auf lokalen Flash-Speicher hin.

Ist netzwerkbasierter SSD-Speicher schlechter als lokaler NVMe-Speicher?

Er ist pro Vorgang langsamer und fällt auf andere Weise aus. Die Netzwerkumlaufzeit kommt zu jedem Lese- und Schreibzugriff hinzu. Dadurch ist die Latenz höher, obwohl beide Varianten Flash-Speicher verwenden. Dafür liegen Ihre Daten nicht auf einem einzelnen physischen Host. Ein Host-Ausfall nimmt das Volume daher nicht mit. Snapshots und Live-Migration sind für den Anbieter ebenfalls einfacher. Wählen Sie lokalen Flash-Speicher für eine latenzempfindliche Datenbank. Wählen Sie Netzwerkspeicher, wenn der Erhalt des Volumes wichtiger ist als Mikrosekunden.