Делимся опытом, как показывают себя SSD в рамках RAID и какой уровень массива выгоднее

В прошлом материале мы уже рассмотрели вопрос о том “Применим ли RAID на SSD” на примере накопителей Kingston, но сделали это только в рамках нулевого уровня. В текущей статье мы разберем варианты использования профессиональных и домашних NVMe-решений в самых популярных типах RAID-массивов и расскажем о совместимости контроллеров Broadcom с накопителями Kingston.

Зачем нужен RAID на SSD?

Преимущества массивов хранения на основе SSD по сравнению с массивами хранения на жестких дисках включают сокращение времени доступа к данным на накопителе и превосходную производительность в операциях чтения/записи. Однако для идеальной производительности RAID’а на базе SSD требуется оптимальное сочетание процессора, кэша, программного и аппаратного обеспечения. Когда все эти факторы идеально работают вместе, RAID-массив из SSD может значительно превзойти сопоставимую конфигурацию с применением традиционных HDD.

Типичный SSD потребляет меньше энергии, чем жесткие диски, поэтому при объединении большого количества твердотельных накопителей в RAID-массив экономия энергии по сравнению с RAID-массивом из HDD может привести еще и к снижению расходов при оплате корпоративных счетов за электроэнергию.

Однако SSD RAID имеет ограничения и недостатки: в частности, более высокая цена за гигабайт пространства по сравнению с жесткими дисками сопоставимой емкости. А время наработки флеш-памяти на отказ ограничено определенным количеством циклов перезаписи. То есть у SSD-накопителей есть определенный срок службы, который зависит от эксплуатации: чем активнее перезаписывается информация на нем, тем быстрее накопитель выйдет из строя. С другой стороны, корпоративные твердотельные накопители имеют приличный срок службы, сопоставимый с механическими жесткими дисками.

Как SSD Kingston живут в режиме RAID с контроллерами Broadcom

На заре появления SSD-накопителей RAID-конструкции таили в себе много нюансов. В том числе из-за использования менее отказоустойчивых HDD-дисков. Твердотельные накопители гораздо надежнее своих собратьев на основе магнитных дисков. Как мы знаем, в SSD-решениях нет движущихся элементов, поэтому механические повреждения сведены к нулю. Выход твердотельных накопителей из строя вследствие скачков напряжения тоже маловероятен, учитывая, что на уровне домашнего ПК и любого сервера вас предохраняют ИБП, сетевые фильтры и даже блок питания.

При этом у твердотельных накопителей есть еще один существенный плюс: даже если ячейки памяти износятся на запись – чтение данных с них все равно можно будет произвести, а вот при повреждении магнитного диска – увы.

На сегодняшний день использовать SSD-решения в RAID-массивах разных уровней вполне нормальная практика. Главное – выбирать правильные твердотельные накопители, латентность которых минимальна. А еще в идеале использовать SSD одного и того же производителя и одной и той же модели, чтобы не получилась мешанина из накопителей, поддерживающих разные типы нагрузок и построенных на базе разных типов памяти, контроллеров и прочих технологий. То есть, если уж мы решили закупить для создания RAID-массива четыре или 16 NVMe SSD компании Kingston – пусть лучше все они будут из одной серии и модельного ряда.

К слову, в прошлой статье мы неспроста приводили в пример контроллеры Broadcom, когда говорили о NVMe SSD от Kingston. Дело в том, что в мануалах к этим устройствам сразу прописываются совместимые накопители (включая решения от вышеупомянутого американского производителя SSD), с которыми контроллер будет работать без нареканий. На эту информацию и нужно опираться при выборе связки «контроллер-SSD» для RAID.

Разбираем работу SSD Kingston в самых популярных типах RAID — “1”, “5”, “10”, “50”

Итак, “нулевой” уровень RAID не обеспечивает избыточности данных, а только увеличивает производительность. Никакой защиты данных RAID 0 не предоставляет вообще, поэтому в рамках корпоративного сегмента мы его рассматривать не будем. RAID 1, с другой стороны, обеспечивает полную избыточность, но лишь скромный прирост производительности, и поэтому его следует рассматривать в том случае, если повышение производительности не является основополагающим фактором при создании RAID-массива из SSD.

RAID 1 на базе SSD Kingston и контроллеров Broadcom

Итак, RAID-массив первого уровня на базе контроллера Broadcom MegaRAID 9460-16i объединяет от двух до 32 накопителей Kingston, которые являются копиями друг друга, и обеспечивает полную избыточность. Если при использовании традиционных HDD скорость записи и чтения данных оставалась на уровне этого самого HDD, то с использование NVMe SSD-решений мы получаем десятикратный прирост производительности. Особенно по части времени доступа к данным. Например, с двумя SSD Kingston DC1000M U.2 NVMe в серверном RAID 1 мы получим 350 000 IOPS при чтении случайных данных и 75 000 IOPS при записи.

В отношении последовательной скорости чтения результаты будут соответствовать характеристикам накопителя — 3200 Мбайт/с. Но, поскольку оба NVMe SSD находятся в рабочем состоянии, данные могут считываться с них одновременно, что делает операции чтения довольно быстрыми. А вот скорость записи (заявленная составляет 2000 Мбайт/с) будет медленнее, потому что каждая операция записи выполняется дважды.

Массив RAID 1 идеально подходит для небольших баз данных или любой другой среды, которая требует отказоустойчивости, но небольшой емкости. Зеркальное копирование накопителей особенно выручает в сценариях аварийного восстановления (производительность при этом немного ухудшается), поскольку обеспечивает мгновенную “реанимацию” важных данных, если один из накопителей в массиве выходит из строя. Но, поскольку этот уровень защиты требует удвоения емкости для хранения зеркальной копии данных (для хранения 100 Тбайт потребуется 200 Тбайт места), во многих корпоративных системах используются более экономичные варианты хранения: RAID 5 и RAID 6.

RAID 5 на базе SSD Kingston и контроллеров Broadcom

Для организации RAID-массива пятого уровня нам потребуется как минимум три накопителя, данные на которых чередуются (циклически записываются на все накопители в массиве), но не дублируются. При их организации следует учитывать их более сложное устройство, так как здесь появляется такое понятие, как “контрольная сумма” (или же “четность”). Под этим понятием подразумевается логическая алгебраическая функция XOR (она же исключающее „ИЛИ“), которая и диктует использование минимум трех накопителей в массиве (максимум – 32). При этом информация о четности записывается на все «диски» в массиве.

Для массива из четырех SATA SSD-накопителей Kingston DC500R с емкостью по 3,84 Тбайт каждый, мы получим 11,52 Тбайт пространства и 3,84 для контрольных сумм. А если объединить в RAID пятого уровня 16 NVMe-накопителей Kingston DC1000M U.2 с емкостью 7,68 Тбайт — поучим 115,2 Тбайт с потерей 7,68 Тбайт. Как видите, чем больше накопителей, тем в итоге лучше. Лучше еще и потому, что чем больше накопителей в RAID 5, тем выше суммарная производительность при операциях записи. А линейное чтение будет достигать уровня RAID 0.

Группа дисков RAID 5 обеспечивает высокую пропускную способность (особенно для больших файлов) и избыточность с минимальной потерей мощности. Лучше всего такой тип организации массива подходит для сетей, которые выполняют много небольших операций ввода-вывода (I / O) одновременно. А вот использовать его для задач, требующих большого количества операций записи небольших или небольших блоков, не стоит.
Есть и еще один нюанс: при отказе хотя бы одного из NVMe-накопителей, RAID 5 переходит в режим деградации и выход из строя еще одного устройства хранения может стать критичным для всех данных. В случае сбоя одного накопителя в массиве RAID-контроллер использует информацию о четности для воссоздания всех недостающих данных.

RAID 10 на базе SSD Kingston и контроллеров Broadcom

Итак, RAID 0 предоставляет нам двукратный прирост скорости и времени доступа, а RAID 1 обеспечивает надежность. В идеале бы их совместить, и тут на помощь приходит RAID 10 (или же 1+0). “Десятка” собирается из четырех SATA SSD- или NVMe-накопителей (максимум – 32) и подразумевает массив из “зеркал”, количество накопителей в котором всегда должно быть кратно четырем. Данные в этом массиве записываются посредством разбиения на фиксированные блоки (как в случае с RAID 0) и чередования между накопителями, распределяя копии между «дисками» в массиве RAID 1. А благодаря возможности одновременного доступа к нескольким группам дисков, RAID 10 показывает высокую производительность.

Так как RAID 10 способен распределять данные по нескольким зеркальным парам, это означает, что он может допускать сбой одного накопителя в паре. Однако в случае сбоя обеих зеркальных пар (то есть всех четырех накопителей) произойдет неизбежная потеря данных. В итоге мы также получаем хорошую отказоустойчивость и надежность. Но стоит иметь в виду, что, как и RAID 1, массив десятого уровня использует только половину суммарной емкости, а потому является дорогостоящим решением. Да еще и сложным в настройке.

RAID 10 подходит для использования с хранилищами данных, которым требуется 100-процентная избыточность групп зеркальных дисков, а также повышенная производительность ввода-вывода RAID 0. Это лучшее решение для баз данных среднего размера или любой среды, которая требует более высокой отказоустойчивости, чем в RAID 5.

RAID 50 на базе SSD Kingston и контроллеров Broadcom

Комбинированный массив, аналогичный RAID’у десятого уровня, который представляет собой массив нулевого уровня, созданный из массивов пятого уровня. Как и в предыдущем случае, основная цель данного массива состоит в получении удвоенной производительности при сохранении надежности данных в массивах RAID 5. При этом RAID 50 обеспечивает повышенную производительность записи и лучшую защиту данных, нежели стандартный RAID 5 в случае сбоя диска, а также способен к более быстрому восстановлению в случае отказа одного из накопителей.

Группа дисков RAID 50 разбивает данные на более мелкие блоки, а затем распределяет их на каждый массив RAID 5. Группа дисков RAID 5, в свою очередь, также разбивает данные на более мелкие блоки, вычисляет четность, производит логическую операцию OR для блоков, а затем выполняет операции записи в блоки данных и контроля четности для каждого диска в группе дисков.

И хотя производительность неизбежно снижается в случае сбоя одного из накопителей, это не столь существенно, как в массиве RAID 5, поскольку один сбой влияет только на один из массивов, оставляя другой полностью работоспособным. На самом деле RAID 50 может выдержать до восьми отказов HDD/SSD/NVMe-накопителя, если каждый отказавший “диск” находится в отдельном массиве RAID 5.

RAID 50 лучше всего использовать для приложений, которым требуется высокая надежность и которые должны обрабатывать большое количество запросов при сохранении высокой скорости передачи данных и более низкой стоимости накопителей, чем в массиве RAID 10. Однако, поскольку для настройки массива RAID 50 требуется минимум шесть накопителей, стоимость не полностью исключается как фактор. Одним из недостатков RAID 50 является то, что, как и RAID 5, ему нужен сложный контроллер: такой как упомянутый нами в прошлой статье MegaRAID 9460-16i от Broadcom.

Стоит также отметить, что RAID 50 имеет меньше используемого дискового пространства, чем RAID 5, из-за выделения емкости для содержания записей контроля четности. Тем не менее, он все еще имеет больше полезного пространства, чем другие уровни RAID, особенно те, которые используют зеркалирование. При минимальном требовании в шесть дисков RAID 50 может быть дорогостоящим вариантом, но дополнительное дисковое пространство оправдывает затраты, защищая корпоративные данные. Этот тип массива рекомендуется для работы с данными, требующими высокой надежности хранения, высокой частоты запросов, высокой скорости передачи и большой емкости для размещения.

RAID 6 и RAID 60: про них мы тоже не забыли

Раз уж мы поговорили о массивах пятого и пятидесятого уровней, грех не упомянуть и о таких типах организации массивов как RAID 6 и RAID 60.

Производительность RAID 6 аналогична RAID 5, но здесь уже минимум два накопителя отдаются под контроль четности, что позволяет массиву пережить выход из строя двух накопителей без потери данных (в RAID 5 такая ситуация крайне нежелательна). Благодаря этому обеспечивается более высокая надежность. В остальном все так же, как и в массиве пятого уровня: в случае сбоя одного или двух дисков контроллер RAID использует блоки четности для воссоздания всей недостающей информации. При сбое двух накопителей восстановление происходят не одновременно: сначала реанимируется первый накопитель, затем – второй. Таким образом, выполняются две операции по восстановлению данных.

Нетрудно догадаться, что, если RAID 50 представляет собой массив нулевого уровня из массивов пятого уровня, то RAID 60 – это массив нулевого уровня из массивов шестого уровня, о которых мы только что рассказали. То есть такая организация RAID-хранилища позволяет пережить потерю двух SSD в каждой группе накопителей RAID 6. Принцип работы схож с тем, про который мы рассказывали в разделе про RAID 50, но количество сбоев, которые может выдержать массив шестидесятого уровня, вырастает с 8 до 16 накопителей. Обычно такие массивы используются для онлайн-обслуживания клиентов, которое требует высокой отказоустойчивости.

Подводим итоги:

Несмотря на то, что зеркалирование обеспечивает большую отказоустойчивость, чем RAID 50/60, оно также требует гораздо больше места. Поскольку количество данных удваивается, вы фактически получаете только 50% от общей емкости установленных в сервере накопителей для записи и хранения информации. Выбор между RAID 50/60 и RAID 10, скорее всего, будет зависеть от имеющихся бюджетов, емкости сервера и ваших потребностей в защите данных. Причем стоимость выходит на первый план, когда мы говорим об SSD-решениях (как корпоративного, так и потребительского класса).

Не менее важно, что теперь мы точно знаем – RAID на базе SSD вполне безопасное решение и нормальная практика для современного бизнеса. В рамках домашнего применения тоже есть резон переходить на NVMe, если позволяют бюджеты. А если у вас еще остался вопрос, зачем же все это нужно, вернитесь к началу статьи – мы уже подробно ответили на него.

Данная статья подготовлена при поддержке наших коллег из Broadcom, которые предоставляют свои контроллеры инженерам Kingston для тестирования с накопителями SATA/SAS/NVMe корпоративного класса. Благодаря этому дружескому симбиозу, клиентам не приходится сомневаться в надежности и стабильности работы накопителей Kingston c HBA- и RAID-контроллерами производства Broadcom.

Дополнительную информацию о продуктах Kingston можно найти на официальном сайте компании.

Источник: habr.com