تم تقديم خوارزميات RAID للجمهور في عام 1987. حتى يومنا هذا ، تظل التكنولوجيا الأكثر طلبًا لحماية وتسريع الوصول إلى البيانات في مجال تخزين المعلومات. لكن عصر تكنولوجيا المعلومات ، الذي تجاوز 30 عامًا ، ليس نضجًا ، بل تقدمًا في السن بالفعل. السبب هو التقدم الذي يجلب بلا هوادة فرصًا جديدة. في الوقت الذي لم يكن هناك فيه أي محركات أقراص أخرى غير محركات الأقراص الثابتة ، جعلت خوارزميات RAID من الممكن تحقيق أقصى استفادة من موارد التخزين المتاحة. ومع ذلك ، مع ظهور SSD ، تغير الوضع بشكل كبير. الآن RAID عند العمل مع محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة هو بالفعل "حبل المشنقة" على أدائها. لذلك ، لإطلاق الإمكانات الكاملة لخصائص السرعة لمحركات الأقراص ذات الحالة الثابتة ، يلزم ببساطة اتباع نهج مختلف تمامًا للعمل معها.
بالإضافة إلى الاختلافات الواضحة بين HDD و SSD في مبادئ التشغيل ، فإن هذه الأنواع من الوسائط لها خاصية أخرى مهمة: يمكن لأي محرك أقراص ثابت الكتابة فوق أي بيانات بدقة كتلة واحدة (الآن غالبًا ما يكون 4KB). بالنسبة إلى SSD ، تعد عملية الكتابة إجراء أكثر تعقيدًا:
- يتم نسخ البيانات التي تم تغييرها إلى الموقع الجديد. في الوقت نفسه ، تكون الدقة هي نفس الكتلة ، ولكنها تتكون من عدة صفحات ويبلغ حجمها 256 كيلوبايت - 4 ميجابايت. أولئك. عند تغيير نفس 4KB ، من الضروري نسخ ، من بين أشياء أخرى ، جميع الصفحات المجاورة التي تشكل كتلة واحدة.
- يتم وضع علامة على الكتل "القديمة" على أنها غير مستخدمة ، بحيث يمكن الكتابة فوقها باستخدام أداة تجميع البيانات المهملة.
الكتابة المتسلسلة / الكتابة فوق SSD
في حالة الكتابة / إعادة الكتابة المتسلسلة ، لا تلعب ميزة تشغيل SSD هذه دورًا كبيرًا من حيث أدائها ، لأن. تكون الكتل جنبًا إلى جنب ، ويقوم جامع القمامة بعمله جيدًا في الخلفية. ولكن في الحياة الواقعية ، وأكثر من ذلك في قطاع Enterprise لـ SSD ، غالبًا ما يتم استخدام الوصول العشوائي إلى البيانات. وهذه البيانات مكتوبة في أماكن عشوائية على محركات الأقراص.
كلما تمت كتابة المزيد من البيانات إلى SSD ، زادت صعوبة عمل أداة تجميع البيانات المهملة ، حيث يزداد التجزئة بشكل كبير. نتيجة لذلك ، تأتي اللحظة التي تتوقف فيها عملية تنظيف محرك الأقراص عن أن تكون "خلفية": ينخفض أداء SSD بشكل كبير ، لأن. يتم أخذ جزء ملحوظ منه بواسطة جامع القمامة.
الموقع الفعلي للبيانات على SSD في الاستخدام اليومي
لتوضيح تأثير عمل "جامع القمامة" اعتمادًا على طريقة الكتابة على محرك الأقراص ، يمكنك إجراء أبسط الاختبارات: عمليات الكتابة المتسلسلة والعشوائية بحجم 4 كيلوبايت إلى محرك سعة 100 جيجابايت. (المصدر - شركة )
أداء الكتابة المتسلسل
أداء الكتابة العشوائية
كما يتضح من الاختبارات ، يمكن أن يصل انخفاض الأداء إلى أكثر من مرتين. وهي مجرد قيادة واحدة. في حالة استخدام SSD كجزء من مجموعة RAID ، يزداد عدد عمليات إعادة الكتابة بشكل كبير بسبب العمل مع التكافؤ.
بشكل عام ، بفضل ميزات تشغيل SSD هذه ، هناك معلمة مثل عامل تضخيم الكتابة. هذه هي نسبة كمية البيانات المكتوبة إلى محرك الأقراص إلى كمية البيانات التي يرسلها المضيف بالفعل. وبالنسبة إلى RAID5 الأكثر شيوعًا ، فهذه النسبة ~ 3.5.
ونتيجة لذلك ، فإن الأنظمة التي تحتوي على RAID الكلاسيكي تستخدم بشكل أساسي محركات أقراص الحالة الصلبة (SSD) بنسبة 10٪ فقط من سرعتها الحقيقية وتتسع بشكل ضعيف في الأداء عندما يزيد عدد محركات الأقراص إلى أكثر من عشرة محركات.
لاحظ أيضًا أن عمليات الكتابة الزائدة لا تقلل من أداء SSD فحسب ، بل تقلل أيضًا من مواردها غير المحدودة ، وبالتالي تقلل من عمر محرك الأقراص.
، وهو جوهر جميع منتجات AccelStor ، تم تصميمه كبديل لخوارزميات RAID الكلاسيكية عند العمل مع محركات أقراص الحالة الصلبة. يتميز ابتكار التكنولوجيا بالعديد من براءات الاختراع والجوائز (بما في ذلك في Flash Memory Summit 2016) ونتائج الاختبارات المستقلة (على سبيل المثال ، SPC1).
مادة تتمثل في تحويل جميع طلبات الكتابة الواردة ، وبشكل أساسي من النوع العشوائي ، إلى مجموعة من الكتل تشبه قدر الإمكان وضع الكتابة المتسلسل من وجهة نظر محرك الأقراص. نتيجة لذلك ، تتم الكتابة إلى محركات أقراص الحالة الثابتة في الوضع الأكثر راحة بالنسبة لهم ، ويتجاوز الأداء النهائي أي نظام يحتوي على RAID كلاسيكي.
جميع محركات أقراص الحالة الثابتة في أنظمة AccelStor مقسمة إلى مجموعتين متماثلتين من مجموعة FlexiRemap®. حجم المجموعة يعتمد على النموذج وهو 5-11 محرك. للتسامح مع الخطأ داخل المجموعة ، يتم استخدام التكافؤ على غرار RAID5. يتم استخدام كلتا المجموعتين معًا لتشكيل مساحة تخزين مشتركة. لذلك ، فإن التسامح الناتج سيكون مشابهًا لمصفوفة RAID50 تتكون من مجموعتين: النظام قادر على تحمل فشل ما يصل إلى اثنين من SSD ، ولكن ليس أكثر من واحد في كل مجموعة FlexiRemap®.
يتم تقسيم جميع طلبات الكتابة الواردة إلى كتل 4KB ، والتي تتم كتابتها في وضع round robin لكل من مجموعتي FlexiRemap®. في الوقت نفسه ، يحتفظ النظام باستمرار بسجلات الطلب على الكتل المسجلة ، في محاولة لكتابة كتل متشابهة أقرب ما يمكن من بعضها البعض عند تغييرها. لقد ظهر نظيرًا افتراضيًا للتمزيق ، إذا تم التعبير عنه من حيث أنظمة التخزين. في هذه الحالة ، يتم تسهيل عمل "جامع القمامة" بشكل كبير: بعد كل شيء ، ستكون الكتل غير المستخدمة دائمًا في مكان قريب.
تجدر الإشارة إلى أن على عكس منتجات المنافسين ، لا يستخدمون وظيفة التخزين المؤقت للطلبات الواردة في ذاكرة الوصول العشوائي لوحدة التحكم. تتم كتابة جميع كتل البيانات الواردة على الفور إلى SSD. يتلقى المضيف تأكيدًا على الكتابة الناجحة فقط بعد الوضع المادي للبيانات على محركات الأقراص. يتم تخزين جداول تخصيص الكتلة على SSD فقط في ذاكرة الوصول العشوائي لتسريع الوصول وتحديد مكان كتابة الكتلة التالية من البيانات. بالطبع ، من أجل الموثوقية ، توجد نسخ من هذه الجداول على الوسائط نفسها. نتيجة لذلك ، لا تتطلب أنظمة AccelStor أي حماية لذاكرة التخزين المؤقت للبطارية / المكثف (ومع ذلك ، من الممكن الاتصال بـ UPS - لإيقاف التشغيل "الناعم" في حالة حدوث مشكلات في الطاقة).
بفضل هذا النهج لتنظيم التسجيل ، يمكن لمجمع القمامة حقًا العمل في الخلفية دون التأثير بشكل كبير على سرعة محركات الأقراص ، مما يسمح في النهاية باستخدام ما يصل إلى 90٪ من أداء SSD داخل النظام. هذا هو بالضبط أداء IOPS العالي في أنظمة AccelStor مقابل خلفية All Flash ، والتي تعتمد على خوارزميات RAID.
ميزة أخرى مهمة لتقنية FlexiRemap® هي التخفيض الكبير في عمليات كتابة SSD الزائدة عن الحاجة. لذا فإن تضخيم الكتابة لأنظمة AccelStor هو 1.3 فقط ، وهو ما يعني ، عند ترجمته إلى لغة مشتركة ، زيادة في عمر خدمة محركات الأقراص مقارنةً بـ RAID5 بأكثر من 2.5 مرة!
بسبب المراقبة المستمرة من قبل نظام سياسة وضع البيانات على SSD ، فإن جميع محركات الأقراص تبلى بنفس الطريقة. يسمح هذا الأسلوب بالتنبؤ بعمر الخدمة وإبلاغ المسؤول مسبقًا عن استنفاد مورد التسجيل.
من الواضح أن محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة يمكن أن تفشل. في هذه الحالة ، سيبدأ النظام فورًا في إعادة بناء أحد الأقراص الاحتياطية الساخنة. في هذه الحالة ، تنتقل مجموعة FlexiRemap® ، التي تكون في حالة تدهور ، إلى وضع القراءة فقط ، ويتم توجيه جميع طلبات الكتابة إلى المجموعة الثانية. يتم توفير آلية الحماية هذه لتسريع عملية إعادة البناء وتقليل احتمالية فشل محرك أقراص آخر داخل نفس المجموعة. ليس سراً أنه أثناء إعادة البناء ، تواجه جميع محركات الأقراص في المجموعة حملاً متزايدًا بسبب تداخل عمليات القراءة والكتابة والاستعادة على قطع الغيار الساخنة. هذا يزيد من احتمالية فشل محرك أقراص آخر. وكلما زادت عمليات الكتابة ، كلما طال وقت إعادة البناء.
بعد اكتمال عملية إعادة البناء وعودة مجموعة FlexiRemap® إلى وضعها الطبيعي ، سيكون هناك انحراف طفيف في مورد الكتابة بين المجموعتين. لذلك ، لمعادلة ذلك ، ستقع عمليات الكتابة اللاحقة في كثير من الأحيان على المجموعة المستعادة (بالطبع ، بطريقة لا يعاني أداء النظام النهائي كثيرًا).
ليس من الممكن زيادة أداء جميع أنظمة الفلاش المستندة إلى خوارزميات RAID أعلى من قيم معينة (~280K IOPS@4K كتابة عشوائية) حتى عند استخدام أنظمة التخزين المؤقت المعقدة. تقنية FlexiRemap®، بفضل النهج المختلف تمامًا لتنظيم مساحة التخزين، لا تتغلب بسهولة على هذا الحاجز فحسب، بل تعمل أيضًا على زيادة عمر خدمة محركات أقراص SSD عدة مرات في نفس الوقت. لذلك الأنظمة تتمتع بمزايا كبيرة بين جميع مصفوفات Flash على العديد من الجبهات (IOPS / $ ، GB / $ ، TCO ، ROI) ، مما يجعلها مرشحين مثاليين للمناصب الرئيسية في مراكز بيانات العملاء لحل المهام كثيفة الاستخدام للموارد.
المصدر: www.habr.com
