В لقد درسنا بالفعل مسألة "هل سنطبق RAID على SSD" باستخدام مثال محركات Kingston ، لكننا فعلنا ذلك فقط ضمن مستوى الصفر. في المقالة الحالية ، سنحلل خيارات استخدام حلول NVMe الاحترافية والمنزلية في أكثر أنواع مصفوفات RAID شيوعًا ونتحدث عن توافق وحدة التحكم. مع كينغستون.
لماذا تحتاج RAID على SSD؟
تشمل مزايا صفيفات التخزين المستندة إلى SSD على صفيفات تخزين محرك الأقراص الثابتة أوقات وصول أسرع إلى البيانات الموجودة على محرك الأقراص وأداء قراءة / كتابة فائقًا. ومع ذلك ، يتطلب أداء RAID المثالي المستند إلى SSD مزيجًا مثاليًا من المعالج وذاكرة التخزين المؤقت والبرامج والأجهزة. عندما تعمل كل هذه العوامل معًا بشكل مثالي ، يمكن أن يتفوق SSD RAID بشكل كبير على تكوين مماثل باستخدام محركات الأقراص الثابتة التقليدية.
يستهلك محرك SSD النموذجي طاقة أقل من محركات الأقراص الثابتة ، لذلك عندما تجمع عددًا كبيرًا من محركات أقراص الحالة الثابتة في مجموعة RAID ، يمكن أيضًا أن يترجم توفير الطاقة مقارنة بمصفوفة HDD RAID إلى انخفاض التكاليف على فواتير الطاقة الخاصة بالشركات.
ومع ذلك ، فإن SSD RAID له حدود وعيوب ، لا سيما السعر الأعلى لكل جيجابايت من المساحة مقارنة بمحركات الأقراص الثابتة ذات السعة المماثلة. ويقتصر الوقت بين حالات فشل ذاكرة الفلاش على عدد معين من دورات إعادة الكتابة. أي أن محركات SSD لها عمر خدمة معين ، والذي يعتمد على العملية: فكلما تمت الكتابة فوق المزيد من المعلومات ، زادت سرعة فشل محرك الأقراص. من ناحية أخرى ، تتمتع محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة الخاصة بالمؤسسات بعمر مناسب يمكن مقارنته بمحركات الأقراص الثابتة الميكانيكية.
كيف تعيش محركات أقراص Kingston SSD في وضع RAID مع وحدات تحكم Broadcom
في الأيام الأولى لمحركات أقراص الحالة الثابتة ، كان لتصميمات RAID العديد من الفروق الدقيقة. بما في ذلك بسبب استخدام محركات الأقراص الثابتة الأقل تحملاً للخطأ. تعد محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة أكثر موثوقية من نظيراتها القائمة على الأقراص المغناطيسية. كما نعلم ، لا توجد أجزاء متحركة في حلول SSD ، لذلك يتم تقليل الضرر الميكانيكي إلى الصفر. من غير المحتمل أيضًا فشل محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة بسبب زيادة الطاقة ، نظرًا لأنه على مستوى جهاز الكمبيوتر المنزلي وأي خادم ، فإن UPS ، واقيات زيادة التيار ، وحتى مصدر الطاقة يحميك.
في الوقت نفسه ، تتمتع محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة بميزة أخرى مهمة: حتى إذا كانت خلايا الذاكرة مهترئة للكتابة ، فلا يزال من الممكن قراءة البيانات منها ، ولكن في حالة تلف القرص المغناطيسي ، للأسف.
اليوم ، من المعتاد جدًا استخدام حلول SSD في مصفوفات RAID ذات المستويات المختلفة. الشيء الرئيسي هو اختيار محركات أقراص الحالة الصلبة المناسبة ، حيث يكون وقت الاستجابة ضئيلاً. وبشكل مثالي ، استخدم محركات أقراص الحالة الصلبة من نفس الشركة المصنعة ونفس الطراز حتى لا ينتهي بك الأمر مع خليط من محركات الأقراص التي تدعم أنواعًا مختلفة من الأحمال والتي تم إنشاؤها على أساس أنواع مختلفة من الذاكرة وأجهزة التحكم وغيرها من التقنيات. بمعنى ، إذا قررنا شراء أربعة أو 16 محرك أقراص مزود بذاكرة مصنوعة من مكونات صلبة (SSD) من NVMe من Kingston لإنشاء مصفوفة RAID ، فسيكون من الأفضل أن تأتي جميعها من نفس السلسلة ونطاق الطراز.
بالمناسبة ، في استشهدنا بوحدات تحكم Broadcom لسبب ما عندما تحدثنا عن NVMe SSD من Kingston. الحقيقة هي أن الأدلة الخاصة بهذه الأجهزة تصف على الفور محركات الأقراص المتوافقة (بما في ذلك الحلول من الشركة المصنعة الأمريكية SSD المذكورة أعلاه) ، والتي ستعمل معها وحدة التحكم بشكل لا تشوبه شائبة. يجب الاعتماد على هذه المعلومات عند اختيار حزمة وحدة تحكم SSD لـ RAID.
نقوم بتحليل عمل SSD Kingston في أكثر أنواع RAID شيوعًا - "1" ، "5" ، "10" ، "50"
لذا ، فإن مستوى RAID "الصفري" لا يوفر تكرارًا للبيانات ، ولكنه يزيد من الأداء فقط. لا يوفر RAID 0 أي حماية للبيانات على الإطلاق ، لذلك لن نعتبرها ضمن قطاع الشركة. من ناحية أخرى ، يوفر RAID 1 تكرارًا كاملاً ولكن مكاسب أداء متواضعة فقط ، وبالتالي يجب أخذها في الاعتبار إذا لم تكن مكاسب الأداء اعتبارًا أساسيًا عند إنشاء مصفوفة SSD RAID.
يعتمد RAID 1 على محركات أقراص الحالة الصلبة Kingston ووحدات تحكم Broadcom
لذلك ، فإن مصفوفة RAID من المستوى الأول القائمة على وحدة التحكم Broadcom MegaRAID 9460-16i تجمع ما بين اثنين إلى 32 محرك Kingston ، وهي نسخ من بعضها البعض ، وتوفر تكرارًا كاملاً. إذا ظلت سرعة كتابة البيانات وقراءتها عند استخدام محركات الأقراص الثابتة التقليدية عند مستوى محرك الأقراص الثابتة هذا ، فعند استخدام حلول NVMe SSD نحصل على زيادة في الأداء بمقدار عشرة أضعاف. خاصة من حيث وقت الوصول إلى البيانات. على سبيل المثال ، مع اثنين من محركات أقراص الحالة الصلبة Kingston DC1000M U.2 NVMe في خادم RAID 1 ، نحصل على 350،000 قراءة عشوائية IOPS و 75،000 كتابة IOPS.
من حيث سرعة القراءة المتسلسلة ، ستتطابق النتائج مع خصائص محرك الأقراص - 3200 ميجابايت / ثانية. ولكن نظرًا لأن كلا محركي أقراص NVMe SSD في حالة عمل ، يمكن قراءة البيانات منهما في نفس الوقت ، مما يجعل عمليات القراءة سريعة جدًا. لكن سرعة الكتابة (التي يُزعم أنها 2000 ميغا بايت / ثانية) ستكون أبطأ ، لأنه يتم تنفيذ كل عملية كتابة مرتين.
يعد RAID 1 مثاليًا لقواعد البيانات الصغيرة أو أي بيئة أخرى تتطلب التسامح مع الخطأ ولكن سعة منخفضة. يعد انعكاس محرك الأقراص مفيدًا بشكل خاص في سيناريوهات التعافي من الكوارث (الأداء متدهور قليلاً) لأنه يوفر "إنعاشًا" فوريًا للبيانات المهمة في حالة فشل أحد محركات الأقراص في الصفيف. ولكن نظرًا لأن هذا المستوى من الحماية يتطلب مضاعفة سعة تخزين البيانات المتطابقة (تتطلب 100 تيرابايت 200 تيرابايت من التخزين) ، فإن العديد من أنظمة المؤسسات تستخدم خيارات تخزين أكثر اقتصادا: RAID 5 و RAID 6.
يعتمد RAID 5 على محركات أقراص الحالة الصلبة Kingston ووحدات تحكم Broadcom
لتنظيم مصفوفة RAID من المستوى الخامس ، نحتاج إلى ثلاثة محركات أقراص على الأقل ، يتم تشذير البيانات عليها (تتم كتابتها دوريًا إلى جميع محركات الأقراص في المصفوفة) ، ولكن لا يتم تكرارها. عند تنظيمها ، يجب على المرء أن يأخذ في الاعتبار هيكلها الأكثر تعقيدًا ، حيث يظهر هنا مفهوم مثل "المجموع الاختباري" (أو "التكافؤ"). يعني هذا المفهوم وظيفة XOR الجبرية المنطقية (المعروفة أيضًا باسم "OR" الحصرية) ، والتي تملي استخدام ما لا يقل عن ثلاثة محركات أقراص في المصفوفة (الحد الأقصى - 32). في هذه الحالة ، تتم كتابة معلومات التكافؤ على كافة "الأقراص" في المصفوفة.
بالنسبة لمجموعة من أربعة محركات أقراص صلبة من نوع Kingston DC500R SATA بسعة 3,84 تيرابايت لكل منها ، نحصل على 11,52 تيرابايت من المساحة و 3,84 للمجاميع الاختبارية. وإذا قمت بدمج 16 محرك أقراص Kingston DC1000M U.2 NVMe بسعة 7,68 تيرابايت في المستوى 115,2 RAID ، فسوف نتعلم 7,68 تيرابايت مع خسارة 5 تيرابايت. كما ترى ، كلما زاد عدد محركات الأقراص ، كان ذلك أفضل في النهاية. إنه أيضًا أفضل لأنه كلما زاد عدد محركات الأقراص في RAID 0 ، ارتفع أداء الكتابة الإجمالي. وستصل القراءة الخطية إلى مستوى RAID XNUMX.
توفر مجموعة أقراص RAID 5 إنتاجية عالية (خاصة للملفات الكبيرة) وتكرارًا مع الحد الأدنى من فقدان الطاقة. هذا النوع من تنظيم الصفيف هو الأنسب للشبكات التي تقوم بالعديد من عمليات الإدخال / الإخراج الصغيرة (I / O) في نفس الوقت. لكن يجب ألا تستخدمه في المهام التي تتطلب عددًا كبيرًا من عمليات الكتابة للكتل الصغيرة أو الصغيرة.
هناك فارق بسيط آخر: إذا فشل أحد محركات أقراص NVMe على الأقل ، ينتقل RAID 5 إلى وضع التدهور ويمكن أن يصبح فشل جهاز تخزين آخر أمرًا بالغ الأهمية لجميع البيانات. في حالة فشل محرك أقراص واحد في المصفوفة ، تستخدم وحدة التحكم في RAID معلومات التماثل لإعادة إنشاء أي بيانات مفقودة.
يعتمد RAID 10 على محركات أقراص الحالة الصلبة Kingston ووحدات تحكم Broadcom
لذلك ، يوفر RAID 0 لنا زيادة مضاعفة في السرعة ووقت الوصول ، ويوفر RAID 1 الموثوقية. من الناحية المثالية ، سيتم دمجها ، وهنا يأتي RAID 10 (أو 1 + 0) للإنقاذ. يتم تجميع "عشرة" من أربعة محركات أقراص SATA SSD أو NVMe (بحد أقصى - 32) وتتضمن مجموعة من "المرايا" ، وعدد محركات الأقراص الذي يجب أن يكون دائمًا من مضاعفات أربعة. تتم كتابة البيانات الموجودة في هذا المصفوفة باستخدام تقسيم الكتلة الثابتة (كما في حالة RAID 0) والتقسيم بين محركات الأقراص وتوزيع النسخ عبر "محركات الأقراص" في مجموعة RAID 1. ومع القدرة على الوصول إلى مجموعات متعددة من محركات الأقراص في في نفس الوقت ، يظهر RAID 10 أداءً عاليًا.
نظرًا لأن RAID 10 قادر على تقسيم البيانات عبر أزواج معكوسة متعددة ، فهذا يعني أنه يمكنه تحمل فشل محرك أقراص واحد في الزوج. ومع ذلك ، إذا فشلت كل من الأزواج ذات النسخ المتطابقة (أي جميع محركات الأقراص الأربعة) ، فسيحدث فقدان حتمي للبيانات. نتيجة لذلك ، نحصل أيضًا على موثوقية وتسامح جيد مع الخطأ. لكن ضع في اعتبارك أنه ، مثل RAID 1 ، تستخدم مصفوفة المستوى العاشر نصف السعة الإجمالية فقط ، وبالتالي فهي حلاً مكلفًا. وأيضا من الصعب اقامة.
يعد RAID 10 مناسبًا للاستخدام مع مستودعات البيانات التي تتطلب تكرارًا بنسبة 100٪ لمجموعات الأقراص المنعكسة ، بالإضافة إلى زيادة أداء الإدخال / الإخراج لـ RAID 0. إنه أفضل حل لقواعد البيانات متوسطة الحجم أو أي بيئة تتطلب قدرًا أكبر من التسامح مع الأخطاء من RAID 5.
يعتمد RAID 50 على محركات أقراص الحالة الصلبة Kingston ووحدات تحكم Broadcom
مصفوفة مدمجة مماثلة لمصفوفة المستوى 5 RAID ، وهي مصفوفة من المستوى 50 مبنية من مصفوفات المستوى 5. كما كان من قبل ، فإن الهدف الرئيسي لهذه المصفوفة هو تحقيق ضعف الأداء مع الحفاظ على موثوقية البيانات في مصفوفات RAID XNUMX. وفي الوقت نفسه ، يوفر RAID XNUMX أداء كتابة محسنًا وحماية أفضل للبيانات من RAID XNUMX القياسي في حالة فشل محرك الأقراص ، كما أنه قادر على الاسترداد بشكل أسرع في حالة فشل أحد محركات الأقراص.
تقوم مجموعة محرك RAID 50 بتقسيم البيانات إلى كتل أصغر ثم شرائطها عبر كل مجموعة RAID 5. تقوم مجموعة محرك RAID 5 بدورها أيضًا بتقسيم البيانات إلى كتل أصغر ، وتحسب التكافؤ ، وتنفذ عملية OR منطقية على الكتل ، ثم ينفذ عمليات كتابة كتلة البيانات والتكافؤ لكل قرص في مجموعة الأقراص.
وبينما يتدهور الأداء حتمًا في حالة فشل أحد محركات الأقراص ، فإنه ليس بنفس الأهمية الموجودة في مصفوفة RAID 5 ، نظرًا لأن فشلًا واحدًا يؤثر على إحدى المصفوفتين فقط ، مما يجعل الآخر يعمل بكامل طاقته. في الواقع ، يمكن أن يتحمل RAID 50 ما يصل إلى ثمانية حالات فشل لمحرك الأقراص الصلبة / SSD / NVMe إذا كان كل "قرص" فاشل في مجموعة RAID 5 منفصلة.
أفضل استخدام لـ RAID 50 للتطبيقات التي تتطلب موثوقية عالية ويجب أن تعالج عددًا كبيرًا من الطلبات مع الحفاظ على معدلات نقل بيانات عالية وتكاليف محرك أقل من RAID 10. ومع ذلك ، نظرًا لأن هناك حاجة إلى ستة محركات على الأقل لإعداد مجموعة RAID 50 ، التكلفة ليست مستبعدة تمامًا كعامل. أحد عيوب RAID 50 هو أنه ، مثل RAID 5 ، يحتاج إلى وحدة تحكم معقدة: مثل في المقال الأخير من Broadcom.
تجدر الإشارة أيضًا إلى أن RAID 50 يستخدم مساحة قرص أقل من RAID 5 بسبب تخصيص السعة للاحتفاظ بسجلات التماثل. ومع ذلك ، لا يزال لديها مساحة قابلة للاستخدام أكثر من مستويات RAID الأخرى ، خاصة تلك التي تستخدم النسخ المتطابق. مع الحد الأدنى لمتطلبات ستة محركات أقراص ، يمكن أن يكون RAID 50 خيارًا مكلفًا ، لكن مساحة القرص الإضافية تبرر التكلفة من خلال حماية بيانات الشركة. يوصى بهذا النوع من المصفوفات للبيانات التي تتطلب موثوقية تخزين عالية ، ومعدلات طلب عالية ، ومعدلات نقل عالية ، وسعة تخزين عالية.
RAID 6 و RAID 60: لم ننسهما أيضًا
نظرًا لأننا تحدثنا عن المصفوفات من المستويين الخامس والخمسين ، فسيكون من الخطيئة عدم ذكر مثل هذه الأنواع من تنظيم المصفوفات مثل RAID 6 و RAID 60.
أداء RAID 6 مشابه لـ RAID 5 ، ولكن هنا يتم إعطاء محركين على الأقل التكافؤ ، مما يسمح للصفيف بالصمود أمام فشل محركي أقراص دون فقد البيانات (في RAID 5 ، هذا الموقف غير مرغوب فيه للغاية). ينتج عن هذا موثوقية أعلى. خلاف ذلك ، كل شيء هو نفسه كما في مصفوفة المستوى الخامس: في حالة فشل قرص أو قرصين ، تستخدم وحدة التحكم RAID كتل التكافؤ لإعادة إنشاء جميع المعلومات المفقودة. في حالة فشل محركي أقراص ، لا يحدث الاسترداد في وقت واحد: أولاً ، يتم تنشيط محرك الأقراص الأول ، ثم محرك الأقراص الثاني. وبالتالي ، يتم تنفيذ عمليتين لاستعادة البيانات.
من السهل تخمين أنه إذا كان RAID 50 عبارة عن مصفوفة من المستوى 60 من مصفوفات المستوى 6 ، فإن RAID 50 عبارة عن مصفوفة من المستوى 8 من مصفوفات المستوى 16 التي تحدثنا عنها للتو. وهذا يعني أن تنظيم تخزين RAID هذا يسمح لك بالبقاء على قيد الحياة مع فقدان اثنين من محركات أقراص الحالة الصلبة في كل مجموعة من محركات أقراص RAID XNUMX. ومبدأ التشغيل مشابه للمبدأ الذي تحدثنا عنه في قسم RAID XNUMX ، ولكن عدد حالات الفشل يمكن أن تصمد مجموعة المستوى XNUMX من XNUMX إلى XNUMX محركًا. عادةً ما يتم استخدام هذه المصفوفات لخدمة العملاء عبر الإنترنت ، الأمر الذي يتطلب درجة عالية من التسامح مع الخطأ.
تلخيص لما سبق:
على الرغم من أن النسخ المطابق يوفر قدرًا أكبر من التسامح مع الأخطاء مقارنةً بـ RAID 50/60 ، إلا أنه يتطلب أيضًا مساحة أكبر بكثير. نظرًا لتضاعف كمية البيانات ، فإنك تحصل فعليًا على 50٪ فقط من إجمالي سعة محركات الأقراص المثبتة في الخادم لتسجيل المعلومات وتخزينها. سيعتمد الاختيار بين RAID 50/60 و RAID 10 على الأرجح على الميزانيات المتاحة وسعة الخادم واحتياجات حماية البيانات الخاصة بك. علاوة على ذلك ، تأتي التكلفة في المقدمة عندما نتحدث عن حلول SSD (كل من فئة الشركات والمستهلكين).
بنفس القدر من الأهمية ، نحن نعلم الآن على وجه اليقين أن RAID المستند إلى SSD هو حل آمن تمامًا وممارسة عادية لأعمال اليوم. كجزء من الاستخدام المنزلي ، هناك أيضًا سبب للتبديل إلى NVMe ، إذا سمحت الميزانيات بذلك. وإذا كان لا يزال لديك سؤال ، فلماذا كل هذا مطلوب ، ارجع إلى بداية المقالة - لقد أجبنا بالفعل بالتفصيل.
تم إعداد هذه المقالة بدعم من زملائنا في Broadcom ، الذين يوفرون وحدات التحكم الخاصة بهم لمهندسي Kingston للاختبار باستخدام محركات أقراص SATA / SAS / NVMe من فئة المؤسسات. بفضل هذا التعايش الودي ، لا يتعين على العملاء الشك في موثوقية واستقرار محركات Kingston المزودة بوحدات تحكم HBA و RAID من الإنتاج. .
يمكن العثور على مزيد من المعلومات حول منتجات Kingston على شركة.
المصدر: www.habr.com