Die Performance-Besonderheiten der Festplatte wurden bereits im Kapitel Abschnitt 4.2.4 angeschnitten; dieser Abschnitt beschreibt das Thema jetzt tiefergehend. Es ist wichtig f�r Systemadministratoren zu verstehen, dass ohne zumindest grundlegende Kenntnisse �ber die Funktionsweise von Festplatten es sogar m�glich ist, dass unwissentlich �nderungen an der Systemkonfiguration vorgenommen werden, welche wiederum die gesamte Perfomance negativ beeinflussen k�nnten.
Die Zeit, die eine Festplatte ben�tigt eine I/O-Anfrage zu beantworten und abzuschlie�en, h�ngt von zwei Dingen ab:
Mechanische und elektrische Einschr�nkungen der Festplatte
I/O-Last des Systems
In den folgenden Abschnitten werden die Aspekte der Festplatten-Performance tiefergehend beschrieben.
5.4.1. Mechanische/Elektrische Einschr�nkungen
Da Festplatten elektro-mechanische Ger�te sind, unterliegen diese bestimmten Einschr�nkungen in Bezug auf Geschwindigkeit und Performance. Jede I/O-Anfrage erfordert, dass die verschiedenen Komponenten der Festplatte zusammenarbeiten, um diese Anfrage bearbeiten zu k�nnen. Da alle diese Komponenten verschiedene Leistungsmerkmale haben, wird die Gesamtleistung der Festplatte durch die Summe der Leistungen der einzelnen Komponenten bestimmt.
Die elektronischen Komponenten sind wesentlich schneller als die Mechanischen. Aus diesem Grund haben die mechanischen Komponenten den gr��ten Einfluss auf die Performance der Festplatte.
Tipp
Der effektivste Weg, die Performance der Festplatte zu verbessern, ist die mechanische Aktivit�t der Festplatte soweit wie m�glich zu reduzieren.
Die durchschnittliche Zugriffszeit einer typischen Festplatte ist rund 8.5 Millisekunden. In den folgenden Abschnitten wird diese Zahl in gr��erem Detail dargestellt und gezeigt, wie jede Komponente die Gesamt-Performance der Festplatte beeinflussen kann.
5.4.1.1. Befehlsverarbeitungszeit
Alle modernen Festplatten haben hochentwickelte, eingebettete Computersysteme, die deren Betrieb steuern. Diese Computersysteme f�hren folgende Aufgaben aus:
Interaktion mit der Au�enwelt durch die Schnittstelle der Festplatte
Steuern des Betriebs der restlichen Hardware �ber die Komponenten der Festplatte, Erholen von jeglichen Fehlerzust�nden, die eventuell aufgetreten sind
Verarbeitung der Ursprungsdaten, die vom eigentlichen Speichermedium gelesen und auf dieses geschrieben werden
Auch wenn in Festplatten verwendetee Mikroprozessoren relativ leistungsstark sind, ben�tigen die ihnen zugewiesenen Aufgaben Zeit zur Bearbeitung. Durchschnittlich liegt diese Zeit bei etwa 0,003 Millisekunden.
5.4.1.2. Lese-/Schreib-K�pfe
Die Lese-/Schreib-K�pfe der Festplatte funktionieren nur, wenn die Festplatten, �ber denen sie "fliegen", sich drehen. Da Daten durch die Bewegung der Medien unter den K�pfen geschrieben oder gelesen werden, ist die Zeit, die von den Medien, welche die gew�nschten Sektoren enthalten, ben�tigt wird um unter dem Kopf vorbeizufliegen, der einzige Bestimmungsfaktor f�r den Anteil der K�pfe an der Gesamtzugriffszeit. Dies ist durchschnittlich 0.0086 Millisekunden f�r eine Festplatte mit 10 000 Umdrehungen/Minute und 700 Sektoren pro Track.
5.4.1.3. Rotationsbedingte Latenz (Wartezeit)
Da sich die die Platten der Festplatte st�ndig drehen, ist es ziemlich unwahrscheinlich, dass die Platte sich genau am richtigen Punkt befindet, wenn die I/O-Anfrage eingeht, um auf den gew�nschten Sektor zuzugreifen. Deshalb ist es, auch wenn die Festplatte bereit ist auf den Sektor zuzugreifen, f�r alles andere notwendig zu warten w�hrend sich die Platte dreht, um den gew�nschten Sektor unter dem Lese/Schreib-Kopf zu positionieren.
Aus diesem Grund rotieren Hochleistungs-Festplatten deren Platten in einer h�heren Geschwindigkeit. Heutzutage sind Geschwindigkeiten von 15.000 Umdrehungen/Minute f�r H�chstleistungs-Festplatten reserviert, w�hrend 5.400 U/min f�r einfache Festplatten als ausreichend gesehen werden. Durchschnittlich ergibt dies einen Wert von ungef�hr 3 Millisekunden f�r eine Festplatte mit 10.000 U/min.
5.4.1.4. Bewegung des Zugriffsarms
Die Komponente einer Festplatte, die als Achillesferse angesehen werden kann, ist der Zugriffsarm. Der Grund daf�r ist, dass der Zugriffsarm sich schnell und exakt �ber relativ weite Entfernungen hinweg bewegen muss. Zus�tzlich dazu ist die Bewegung nicht kontinuierlich — der Arm muss beschleunigen, um den gew�nschten Zylinder zu erreichen und dann schnell wieder abbremsen, um nicht �ber das Ziel hinauszuschie�en. Daher muss der Arm gleichzeitig kompakt (um den gewaltigen Kr�ften standzuhalten, die f�r die Beschleunigung notwenig sind) und leicht (damit weniger Masse beschleunigt/gebremst werden muss) sein.
Das Erreichen dieser wiederspr�chlichen Ziele ist schwierig. Dies wird tats�chlich auch durch die relativ lange Zeit best�tigt, die der Zugriffsarm im Gegensatz zu anderen Komponenten ben�tigt. Aus diesem Grund ist die Bewegung des Zugriffsarms der Hauptentscheidungsfaktor in puncto Gesamt-Performance der Festplatte, bei einem Durchschnittswert von circa 5,5 Millisekunden.
5.4.2. I/O-Lasten und Performance
Der andere Faktor, der die Performance der Festplatte steuert, ist die I/O-Last, der die Festplatte unterliegt. Einige der spezifischen Aspekte der I/O-Last sind:
Menge der gelesenen Daten versus der geschriebenen Daten
Die Anzahl der aktuellen Lese-/Schreibk�pfe
Die Lokalit�t der Lese-/Schreib-Daten
Diese werden in den folgenden Abschnitten genauer beschrieben.
5.4.2.1. Lesen versus Schreiben
Normale Festplatten mit magnetischen Medien als Datenspeicher sind vom Problem der Lese-Prozesse versus der Schreib-Prozesse weniger betroffen, da das Lesen und Schreiben die gleiche Zeit in Anspruch nimmt[1]. Andere Massenspeicherger�te ben�tigen jedoch unterschiedlich lange f�r das Verarbeiten von Lese- und Schreibaufgaben[2].
Dies hat zur Folge, dass Ger�te, die l�nger zur Verarbeitung von Schreib-Aufgaben (zum Beispiel) ben�tigen, weniger Schreib-Aufgaben als Lese-Aufgaben verarbeiten k�nnen. Von einem anderen Gesichtspunkt aus betrachtet, ben�tigt eine Schreib-I/O mehr der Ger�tef�higkeit zum Verarbeiten von I/O-Anfragen als eine Lese-I/O.
5.4.2.2. Mehrfache Lese-/Schreib-Anfragen
Eine Festplatte, die I/O-Anfragen von mehreren Quellen bearbeitet, erf�hrt eine andere Last als eine Festplatte, die nur Anfragen von einer Quelle verarbeitet. Der Hauptgrund daf�r liegt in der Tatsache, dass mehrere I/O-Requester potentiell h�here I/O-Lasten auf einer Festplatte erzeugen als I/O-Anfragen von einer einzigen Quelle.
Dies liegt daran, dass der I/O-Requester einiges an Prozessleistung aufbringen muss, bevor eine I/O stattfinden kann. Schlie�lich muss der Requester die Art der I/O-Anfrage feststellen, bevor diese durchgef�hrt werden kann. Da die n�tige Verarbeitung f�r diese Feststellung Zeit in Anspruch nimmt, gibt es eine Obergrenze f�r die I/O-Last, die ein jeder Requester generieren kann — nur eine schnellere CPU kann diese Grenze erh�hen. Diese Grenze wird eindeutiger, wenn zus�tzlich dazu eine menschliche Eingabe verlangt wird.
Mit mehreren Requestern k�nnen jedoch h�here I/O-Lasten getragen werden. Solange gen�gend CPU-Leistung vorhanden ist, um die Verarbeitung zum Generieren der I/O-Anfragen zu unterst�tzen, erh�ht das Hinzuf�gen von weiteren I/O-Anfragern die I/O-Last.
Es gibt jedoch noch einen weiteren Aspekt, der Einfluss auf die I/O-Last hat. Dieser wird im folgenden Abschnitt beschrieben.
5.4.2.3. Lokalit�t der Lese-/Schreib-Daten
Auch wenn nicht streng an eine Multi-Requester-Umgebung gebunden, zeigt sich doch dieser Aspekt der Festplatten-Performance eher in solchen Umgebungen. Die Kernfrage ist, ob die I/O-Anfragen an eine Festplatte f�r Daten sind, die physikalisch nahe den anderen Daten liegen, die ebenso angefragt werden.
Der Grund hierf�r wird klar, wenn man die elektro-mechanische Natur der Festplatte betrachtet. Die langsamste Komponente jeder Festplatte ist der Zugriffsarm. Wenn also auf Daten der eingehenden I/O-Anfragen zugegriffen wird und dies keine Bewegung des Zugriffsarms erfordert, kann die Festplatte wesentlich mehr I/O-Anfragen bearbeiten, als wenn die Daten �ber die gesamte Festplatte verteilt sind; was erheblich mehr Bewegungen des Zugriffsarms ben�tigt.
Dies wird deutlicher, wenn Sie sich die Festplatten-Performance ansehen. Diese Merkmale enthalten h�ufig 'angrenzende Zylinder'-Suchzeiten (bei denen der Zugriffsarm nur ein klein wenig bewegt wird — nur bis zum n�chsten Zylinder) und 'Full-Stroke'-Suchzeiten (bei denen der Zugriffsarm vom ersten Zylinder bis hin zum letzten Zylinder bewegt wird). Hier zum Beispiel finden Sie die Suchzeiten f�r eine Hochleistungs-Festplatte:
Angrenzender Zylinder
Full-Stroke
0,6
8,2
Tabelle 5-4. Suchzeiten f�r angrenzende Zylinder und Full-Stroke/Gesamtzugriff (Lesekopf f�hrt quer �ber die Platte) (in Millisekunden)
Dies ist eigentlich nicht ganz richtig. Alle Festplatten besitzen eine bestimmte Menge an integriertem Cache-Speicher, der f�r die Verbesserung der Lese-Performance verwendet wird. Auf jede I/O-Anfrage f�r das Lesen muss jedoch mit dem eigentlichen physikalischen Lesen der Daten vom Speichermedium reagiert werden. Dies bedeutet, dass w�hrend der Cache die I/O-Leistungsprobleme ausgleichen kann, es doch niemals die Zeit, die f�r das physikalische Lesen der Daten ben�tigt wird, eliminieren kann.
Einige optische Festplatten zeigen dieses Verhalten aufgrund der physikalischen Einschr�nkungen der Technologien, die f�r die Implementierung der optischen Datenspeicherung n�tig sind.
