Übungsaufgaben zu Servern und Serverkomponenten

a) Je 1 Punkt für die Zuordnung, je 2 Punkte für eine schlüssige Begründung:

• Datenbankserver: System B. Der hohe Takt (3,9 bzw. 4,8 GHz) beschleunigt Abfragen, die nur einen Kern nutzen; die Mixed-Use-SSDs mit vielen IOPS und 3 DWPD vertragen die vielen kleinen, zufälligen Schreib- und Lesezugriffe einer Datenbank. 16 Kerne und 128 GB (erweiterbar) reichen für die Warenwirtschaft.

• Virtualisierungshost: System A. 64 Kerne bzw. 128 Threads und 1 TB Arbeitsspeicher lassen sich auf viele virtuelle Maschinen verteilen; vier 25-GbE-Ports versorgen viele VMs mit Netzwerkbandbreite, und die großen SSDs bieten Platz für viele VM-Abbilder.

Andere schlüssige Begründungen sind möglich, die Zuordnung nicht.

b) Je 2 Punkte:

• Socket (Sockel): Steckplatz für einen physischen Prozessor auf dem Mainboard. System A hat zwei Sockel, also zwei Prozessoren.

• Core (Kern): eigenständige Recheneinheit innerhalb eines Prozessors, die Befehle unabhängig von den anderen Kernen ausführt. System A hat 2 × 32 = 64 Kerne; mit Multithreading bearbeitet jeder Kern zwei Threads (128 logische Prozessoren).

ca) 1-Bit-Fehler in einem Datenwort werden erkannt und sofort korrigiert, ohne den Betrieb zu unterbrechen (2 Punkte). 2-Bit-Fehler in einem Datenwort werden nur erkannt und gemeldet, aber nicht korrigiert; das System protokolliert den Fehler oder hält an (2 Punkte).

cb) Je 1 Punkt, z. B.:

• keine stillen Datenverfälschungen in den virtuellen Maschinen,

• höhere Stabilität: Ein einzelner Bitfehler bringt nicht den ganzen Host mit allen VMs zum Absturz,

• Fehler werden protokolliert, ein schwächelndes Modul fällt frühzeitig auf,

• geeignet für den Dauerbetrieb mit sehr viel Arbeitsspeicher.

cc) Auf dem Modul sitzt ein Register, das Adress- und Steuersignale zwischenspeichert und neu treibt (1 Punkt). Das verringert die elektrische Last für den Speichercontroller, sodass er mehr Module und damit mehr Arbeitsspeicher ansteuern kann (1 Punkt).

Geg.: Zielkapazität 256 GB, Modulgröße 32 GB, vorhanden 4 Module; DDR5-5600 (5.600 · 10⁶ Übertragungen/s), 64 bit = 8 Byte je Übertragung; CL 46

da)

Ges.: Anzahl neuer Module n_neu

n_{\text{gesamt}} = \frac{256\,\mathrm{GB}}{32\,\mathrm{GB}} = 8 \qquad n_{\text{neu}} = n_{\text{gesamt}} - n_{\text{vorhanden}} = 8 - 4 = \underline{\underline{4\ \text{Module}}}

2 Punkte für den Rechenweg, 1 Punkt für das Ergebnis.

db) B1, D1, F1 und H1 (bei 8 Modulen ist der erste Steckplatz jedes Kanals belegt; A1, C1, E1, G1 sind schon bestückt). Je richtigem Steckplatz 0,75 Punkte, falsche Steckplätze führen zu Abzug.

dc)

Ges.: Datenrate je Kanal r_K, Gesamtdatenrate vorher r_4 und nachher r_8

r_K = 5600 \cdot 10^6\,\tfrac{1}{\mathrm{s}} \cdot 8\,\mathrm{Byte} = 44{,}8 \cdot 10^9\,\tfrac{\mathrm{Byte}}{\mathrm{s}} = \underline{\underline{44{,}8\,\tfrac{\mathrm{GB}}{\mathrm{s}}}}

Vorher nutzen die vier Module vier Kanäle, nachher alle acht:

r_4 = 4 \cdot 44{,}8\,\tfrac{\mathrm{GB}}{\mathrm{s}} = \underline{\underline{179{,}2\,\tfrac{\mathrm{GB}}{\mathrm{s}}}} \qquad r_8 = 8 \cdot 44{,}8\,\tfrac{\mathrm{GB}}{\mathrm{s}} = \underline{\underline{358{,}4\,\tfrac{\mathrm{GB}}{\mathrm{s}}}}

2 Punkte für die Kanaldatenrate, je 1 Punkt für die Gesamtwerte. Die Aufrüstung verdoppelt also nicht nur die Kapazität, sondern auch die Speicherbandbreite.

dd)

Ges.: Verzögerung t_CL

Der Takt ist halb so hoch wie die Zahl der Übertragungen je Sekunde (Double Data Rate): f = \frac{5600\,\mathrm{MHz}}{2} = 2800\,\mathrm{MHz}.

t_{CL} = \frac{CL}{f} = \frac{46}{2800 \cdot 10^6\,\tfrac{1}{\mathrm{s}}} = \frac{23}{1400} \cdot 10^{-6}\,\mathrm{s} \approx \underline{\underline{16{,}429\,\mathrm{ns}}}

1 Punkt für den halben Takt, 1 Punkt für das Ergebnis.

Eine GPU (Graphics Processing Unit) ist ein Prozessor mit sehr vielen einfachen Rechenwerken, die gleichartige Berechnungen parallel ausführen; sie ist auf das Berechnen von Bildern (Rendering) spezialisiert (2 Punkte). Vorteil (1 Punkt): Die Vorschaubilder werden viel schneller berechnet, und der Hauptprozessor wird entlastet, sodass die übrigen virtuellen Maschinen nicht ausgebremst werden.

fa) Je 1 Punkt, z. B.:

• Der Hersteller hat das Gerät abgekündigt, seit 2021 gibt es keine Sicherheitsupdates mehr; bekannte Lücken bleiben offen.

• WAN-Port mit 100 Mbit/s und Routing-Durchsatz von 90 Mbit/s: Der neue 500-Mbit/s-Anschluss kann nicht genutzt werden.

• Nur Fast Ethernet (100 Mbit/s) an den LAN-Ports statt Gigabit.

• Kein IPv6, obwohl Anbieter zunehmend IPv6 voraussetzen.

• WLAN 802.11n mit WPA2/TKIP: TKIP gilt als unsicher; aktuell sind WPA3 bzw. WPA2 mit AES.

fb) Teuto-Gate 2500 (1 Punkt). Begründung (3 Punkte): Es ist das einzige Gerät, das alle Anforderungen erfüllt – Routing-Durchsatz 2,3 Gbit/s (genug für 500 Mbit/s mit Reserve), 8 Gigabit-Ports, IPv6, 900 Mbit/s VPN-Durchsatz und Updates bis 2032. Lipper-Link 300 scheitert an Durchsatz (350 Mbit/s), Portzahl, VPN-Durchsatz und Updatezeitraum, Senne-Office 10 an IPv6, VPN-Durchsatz und Updates bis 2027. Der höhere Preis ist dadurch gerechtfertigt.

fc) Je 1 Punkt, z. B.:

• Konfiguration des alten Routers sichern und dokumentieren (Adressbereiche, Portweiterleitungen, Firewall-Regeln, VPN-Zugänge).

• Neuen Router vorab konfigurieren, Firmware aktualisieren und testen.

• Wartungsfenster festlegen (z. B. nach Ladenschluss) und Betroffene informieren; altes Gerät als Rückfalllösung bereithalten.

• Router tauschen und Funktion prüfen (Internet, IPv6, VPN, Erreichbarkeit von Shop und Servern).

• Dokumentation (Netzplan, Inventar, Zugangsdaten) aktualisieren, Altgerät auf Werkseinstellungen zurücksetzen und entsorgen.

aa) 3 Punkte: Achsen „Ausfallrate“ (senkrecht) und „Betriebszeit“ (waagerecht) (1 Punkt); Kurvenverlauf: am Anfang hoch und schnell fallend, lange niedrig und nahezu konstant, am Ende wieder steigend (1 Punkt); Zeiträume I Frühphase, II Nutzungsphase, III Verschleißphase gekennzeichnet (1 Punkt).

ab) 4 Punkte (je Zeitraum 1 Punkt, Begründung des Vorgehens 1 Punkt):

• Zeitraum I (Frühphase): hohe Ausfallrate durch Fertigungsfehler und Transportschäden. Fehlerhafte Platten fallen meist früh aus – deshalb der zweiwöchige Testbetrieb (Burn-in): Defekte zeigen sich, bevor Daten darauf liegen, und werden über die Garantie ersetzt.

• Zeitraum II (Nutzungsphase): niedrige, nahezu konstante Ausfallrate durch zufällige Ausfälle. Hier gelten MTBF bzw. AFR; Ausfälle sind selten, deshalb reichen RAID mit Hot-Spare und Datensicherung.

• Zeitraum III (Verschleißphase): Die Ausfallrate steigt durch Alterung und Verschleiß. Deshalb tauscht Svenja die Platten vorbeugend nach fünf Jahren aus (etwa zum Ende der Garantie), bevor sich die Ausfälle häufen.

b) 3 Punkte: Festplatten aus derselben Fertigungscharge haben häufig dieselben Fertigungsfehler oder Schwachstellen und altern gleich; sie können deshalb kurz nacheinander ausfallen (1 Punkt). Beim Mix-and-Match-Prinzip werden Platten aus verschiedenen Chargen gemischt, z. B. bei verschiedenen Händlern oder zu verschiedenen Zeitpunkten gekauft (1 Punkt). Das senkt das Risiko, dass mehrere Platten eines RAID-Verbunds gleichzeitig oder während des Wiederaufbaus ausfallen und Daten verloren gehen (1 Punkt).

ca) 4 Punkte:

• MTBF gilt für das reparierbare Gehäuse mit den Controllern: Es soll viele Jahre genutzt und bei einem Defekt durch Tausch von Controller, Netzteil oder Lüfter instandgesetzt werden. Die MTBF zeigt, in welchen Abständen im Mittel mit einer Reparatur zu rechnen ist (220.000 h ≈ 25 Jahre zwischen zwei Ausfällen) (2 Punkte).

• MTTF gilt für die Festplatten, die bei einem Defekt nicht repariert, sondern ausgetauscht werden. Sie gibt die mittlere Zeit bis zum Ausfall in der Nutzungsphase an (2 Punkte).

• Beides sind statistische Werte über viele Geräte: Eine einzelne Platte hält nicht 2,5 Millionen Stunden; über die Verschleißphase sagen die Werte nichts aus, deshalb trotzdem rechtzeitig tauschen.

cb)

Geg.: MTTF = 2.500.000 h, 1 Jahr = 8.760 h, AFR laut Datenblatt 0,35 %, 24 Platten, 5 Jahre
Ges.: AFR aus der MTTF, erwartete Ausfälle n

\text{AFR} \approx \frac{8760\,\mathrm{h}}{\text{MTTF}} = \frac{8760\,\mathrm{h}}{2\,500\,000\,\mathrm{h}} = 0{,}003504 \approx \underline{\underline{0{,}350\,\%}}

Das stimmt mit der Angabe 0,35 % überein (1 Punkt).

n = 24 \cdot 0{,}003504 \cdot 5 \approx \underline{\underline{0{,}420\ \text{Ausfälle}}}

Statistisch ist in fünf Jahren also weniger als ein Ausfall zu erwarten (2 Punkte) – ein Ausfall kann trotzdem jederzeit eintreten, und in der Verschleißphase steigt die Zahl.

da) Je Begriff 2 Punkte:

• TLC (Triple-Level Cell): Flash-Speicherzellen, die je drei Bit speichern. Günstiger und größer als SLC/MLC, aber langsamer beim Schreiben und mit weniger Schreibzyklen.

• IOPS (Input/Output Operations Per Second): Zahl der Ein- und Ausgabeoperationen je Sekunde, hier für zufällige Zugriffe mit 4-KiB-Blöcken; wichtig, wenn viele virtuelle Desktops gleichzeitig kleine Dateien lesen und schreiben.

• DWPD (Drive Writes Per Day): Die SSD darf während der Garantiezeit täglich dreimal vollständig beschrieben werden (Schreibfestigkeit).

db)

Geg.: Kapazität 3,84 TB, 3 DWPD, Garantie 5 Jahre zu je 365 Tagen
Ges.: TBW

\text{TBW} = \text{DWPD} \cdot \text{Kapazität} \cdot 365 \cdot \text{Jahre} = 3 \cdot 3{,}84\,\mathrm{TB} \cdot 365 \cdot 5 = \underline{\underline{21\,024\,\mathrm{TB}}} \approx 21{,}024\,\mathrm{PB}

1 Punkt Formel, 1 Punkt Einsetzen, 1 Punkt Ergebnis.

dc) 3 Punkte, z. B.: NVMe ist ein Protokoll, das SSDs direkt über PCI Express mit dem Prozessor verbindet; ein SAS- oder SATA-Controller ist nicht nötig. Es wurde für Flash-Speicher entwickelt und kennt sehr viele parallele Befehlswarteschlangen (bis zu 65.535 mit je bis zu 65.536 Befehlen), sodass viele Kerne gleichzeitig zugreifen können. Dadurch sind Latenz und Protokoll-Overhead geringer, Datenraten und IOPS viel höher als bei SAS (12 bzw. 24 Gbit/s, wenige Warteschlangen).

e) Fällt eine Festplatte aus, kann sie im laufenden Betrieb gezogen und ersetzt werden; das SAN und alle Schulen, die darauf zugreifen, bleiben verfügbar, und der RAID-Wiederaufbau beginnt sofort (2 Punkte). Ebenso lässt sich der Speicher im Betrieb erweitern.

f) Bei den Videoaufzeichnungen (MP4) und den eingescannten Akten (JPEG-Bilder im PDF) bringt die Kompression kaum etwas: Diese Formate sind bereits komprimiert und lassen sich nicht noch einmal nennenswert verkleinern, kosten aber Rechenzeit (2 Punkte). Datenbankdateien und Textdokumente lassen sich dagegen gut komprimieren.

g) Je richtiger Zuordnung 0,5 Punkte:

h) Je 1 Punkt: zu hohe Umgebungstemperatur, zu hohe oder zu niedrige Luftfeuchte, Staub und Partikel in der Raumluft, elektromagnetische Störungen, Erschütterungen, Feuchtigkeit bzw. Wasser.

i) Bei einem Brand in einem Abschnitt bleibt der andere unversehrt; Originaldaten und Sicherung können nicht gleichzeitig zerstört werden (2 Punkte). Oft haben die Abschnitte zusätzlich getrennte Strom- und Klimaversorgung.

j) Je 1 Punkt, z. B.: höhere Packungsdichte (mehr Server auf weniger Höheneinheiten); gemeinsame Netzteile, Lüfter und Netzwerkanbindung im Chassis sparen Energie und Kosten; deutlich weniger Verkabelung; zentrale Verwaltung aller Blades; Blades lassen sich im laufenden Betrieb tauschen und schnell ergänzen.

Je Komponente 2 Punkte (je Nennung mit Begründung 1 Punkt), z. B.:

Je Zeile 2 Punkte, z. B.:

Geg.: Modell S 2.900 € je Sockel; Modell K 260 € je 2 Kerne, mindestens 16 Kerne je Prozessor

ca)

Ges.: Kosten K_S und K_K bei 1 Prozessor mit 24 Kernen

K_S = 1 \cdot 2900\,€ = \underline{\underline{2900\,€}} \qquad K_K = \frac{24}{2} \cdot 260\,€ = 12 \cdot 260\,€ = \underline{\underline{3120\,€}}

Modell S ist hier um 220 € günstiger (1 Punkt je Modell, 1 Punkt Vergleich).

cb)

Ges.: Kosten bei 1 Prozessor mit 16 Kernen

K_S = 2900\,€ \qquad K_K = \frac{16}{2} \cdot 260\,€ = \underline{\underline{2080\,€}}

Empfehlung: Modell K, es spart 820 € je Jahr (2 Punkte). Hinweis: Wird später ein zweiter Prozessor nachgerüstet, verdoppeln sich bei 16 Kernen beide Beträge, Modell K bleibt günstiger.

d) 4 Punkte für eine begründete Stellungnahme mit mindestens vier Argumenten, z. B.: Ein Gaming-PC ist nicht für den Dauerbetrieb ausgelegt (Komponenten, Kühlung, Garantie, Vor-Ort-Service). Er hat meist kein ECC, Bitfehler können die Datenbank unbemerkt verfälschen. Es fehlen redundante Netzteile, Hot-Swap-Laufwerke, Hardware-RAID und der BMC zur Fernverwaltung – ein Defekt im Rechenzentrum würde jedes Mal eine Anfahrt und längeren Ausfall bedeuten. Er passt nicht in den 19-Zoll-Schrank, ist kaum erweiterbar (wenige Speichersteckplätze, kein zweiter Sockel) und hat oft keine Treiber- und Herstellerfreigabe für Server-Betriebssysteme. Der höhere Takt nützt wenig, wenn der Server ausfällt; für eine App mit Tausenden Nutzenden ist Zuverlässigkeit wichtiger als der Anschaffungspreis.

e) Vorteile (je 1 Punkt), z. B.: gemeinsame redundante Netzteile, Lüfter und Netzwerkanbindung im Chassis; hohe Packungsdichte; wenig Verkabelung; zentrale Verwaltung; schneller Tausch im Betrieb.

Beurteilung (2 Punkte): Für Let’s Meet mit einem eigenen Datenbankserver bringt ein Blade-Einschub wenig, weil sich die Vorteile erst bei vielen Servern im selben Chassis zeigen. Nachteile wären die Bindung an Hersteller und Chassis des Betreibers und dass der eigene Server nicht mitgenommen werden kann. Ein eigener Rack-Server ist hier sinnvoller. (Andere begründete Beurteilungen sind möglich, z. B. Blade sinnvoll, wenn der Betreiber den Einschub als Dienstleistung samt Wartung vermietet.)

fa) Der Engpass liegt beim Arbeitsspeicher (1 Punkt): Er ist zu 97 % belegt, und die vielen harten Fehler und die volle Auslagerungsdatei zeigen, dass ständig Daten auf die SSD ausgelagert und zurückgeholt werden. Deshalb ist auch der Datenträger überlastet; Prozessor und Netzwerk sind dagegen kaum ausgelastet (1 Punkt).

fb) Je Maßnahme 2 Punkte, z. B.:

• Arbeitsspeicher erweitern (der neue Server hat 256 GB statt 32 GB), sodass die Datenbank ihre häufig genutzten Daten im Speicher puffern kann und nicht mehr ausgelagert wird.

• Die Konfiguration der Datenbank prüfen (z. B. Puffergröße passend zum Arbeitsspeicher einstellen), damit sie nicht mehr Speicher anfordert, als vorhanden ist.

• Weitere Dienste, die auf demselben Server laufen (z. B. Backend-Container), auf einen anderen Server verlagern.

• Auf Speicherlecks prüfen, falls die Belegung über die Zeit wächst.

• Erst danach schnellere Laufwerke erwägen: Die hohe Antwortzeit ist eine Folge der Auslagerung, nicht die Ursache.

a) Je Zeile 2 Punkte, z. B.:

b)

Geg.: Dateigröße 6 GB = 6.000 MB; HDD 180 MB/s; NVMe-SSD 6.500 MB/s
Ges.: Ladezeiten t_HDD und t_SSD

t = \frac{\text{Datenmenge}}{\text{Datenrate}}

t_{HDD} = \frac{6000\,\mathrm{MB}}{180\,\tfrac{\mathrm{MB}}{\mathrm{s}}} = \frac{100}{3}\,\mathrm{s} \approx \underline{\underline{33{,}333\,\mathrm{s}}} \qquad t_{SSD} = \frac{6000\,\mathrm{MB}}{6500\,\tfrac{\mathrm{MB}}{\mathrm{s}}} = \frac{12}{13}\,\mathrm{s} \approx \underline{\underline{0{,}923\,\mathrm{s}}}

1 Punkt Formel, je 1 Punkt für die Ergebnisse. Die SSD lädt die Datei rund 36-mal so schnell.

c) Die Grafikkarte berechnet die Darstellung der 3D-Modelle (Drehen, Zoomen, Schattierung, Rendering) mit vielen parallelen Rechenwerken und hält Modell- und Texturdaten im eigenen Grafikspeicher; so bleibt die Darstellung auch bei großen Baugruppen flüssig und der Prozessor wird entlastet (2 Punkte). Zertifizierte Treiber hat der Softwarehersteller mit genau dieser Karte getestet; sie stellen Modelle korrekt dar und laufen stabil, und der Hersteller leistet Support (1 Punkt).

d) 4 Punkte für eine begründete Stellungnahme, z. B.: Mehr Arbeitsspeicher allein löst nur einen Teil der Anforderungen. Der Büro-PC hätte weiterhin nur 6 Kerne, eine langsame HDD und integrierte Grafik ohne eigenen Grafikspeicher und ohne zertifizierte Treiber; CAD und Videoschnitt blieben langsam. 64 GB in einem Büro-PC sind oft gar nicht möglich (maximale Speicherkapazität des Mainboards, DDR4) und ohne ECC. Nachrüsten von SSD, Grafikkarte (Netzteil, Gehäusegröße) und Monitor kostet zusätzlich Geld und Arbeitszeit, und die Garantie kann erlöschen. Wartezeiten der Beschäftigten kosten auf Dauer mehr als der Preisunterschied. Empfehlung: Workstations für die beiden Arbeitsplätze, Büro-PCs für die übrigen.