لقد تم منذ فترة طويلة اختراع تقنيات لتحسين الأداء بناءً على استخدام محركات أقراص الحالة الصلبة (SSD) والمستخدمة على نطاق واسع في أنظمة التخزين. بادئ ذي بدء، هو استخدام SSD كمساحة تخزين، وهو فعال بنسبة 100٪، ولكنه مكلف. لذلك، يتم استخدام تقنيات التعب والتخزين المؤقت، حيث يتم استخدام محركات أقراص SSD فقط للبيانات الأكثر شيوعًا ("الساخنة"). يعد التصنيف مفيدًا لسيناريوهات الاستخدام طويل المدى (أيام - أسابيع) للبيانات "الساخنة". التخزين المؤقت، على العكس من ذلك، مخصص للاستخدام على المدى القصير (دقائق - ساعات). يتم تنفيذ كلا الخيارين في نظام التخزين . في هذه المقالة سننظر في تنفيذ الخوارزمية الثانية - .
يتمثل جوهر تقنية التخزين المؤقت لـ SSD في استخدام محركات أقراص SSD كذاكرة تخزين مؤقت وسيطة بين محركات الأقراص الثابتة وذاكرة الوصول العشوائي (RAM) الخاصة بوحدة التحكم. أداء SSD، بالطبع، أقل من أداء ذاكرة التخزين المؤقت الخاصة بوحدة التحكم، ولكن الحجم أعلى بكثير. لذلك، نحصل على حل وسط معين بين السرعة والحجم.
مؤشرات لاستخدام ذاكرة التخزين المؤقت SSD للقراءة:
- هيمنة عمليات القراءة على عمليات الكتابة (غالبًا ما تكون نموذجية لقواعد البيانات وتطبيقات الويب)؛
- وجود اختناق في شكل أداء مصفوفة القرص الصلب؛
- حجم البيانات المطلوبة أقل من حجم ذاكرة التخزين المؤقت SSD.
مؤشرات استخدام ذاكرة التخزين المؤقت SSD للقراءة + الكتابة هي نفسها، باستثناء طبيعة العمليات - النوع المختلط (على سبيل المثال، خادم الملفات).
يستخدم معظم بائعي وحدات التخزين ذاكرة التخزين المؤقت SSD للقراءة فقط في منتجاتهم. الفرق الأساسي أنها توفر القدرة على استخدام ذاكرة التخزين المؤقت للكتابة كذلك. لتنشيط وظيفة التخزين المؤقت لـ SSD في أنظمة تخزين QSAN، يجب عليك شراء ترخيص منفصل (يتم توفيره إلكترونيًا).
يتم تنفيذ ذاكرة التخزين المؤقت SSD في XCubeSAN فعليًا في شكل مجموعات ذاكرة تخزين مؤقت SSD منفصلة. يمكن أن يكون هناك ما يصل إلى أربعة منهم في النظام. يستخدم كل تجمع، بالطبع، مجموعته الخاصة من محركات أقراص الحالة الصلبة (SSD). وبالفعل في خصائص القرص الظاهري نحدد ما إذا كان سيستخدم تجمع ذاكرة التخزين المؤقت وأي واحد. يمكن تمكين وتعطيل استخدام ذاكرة التخزين المؤقت لوحدات التخزين عبر الإنترنت دون إيقاف الإدخال/الإخراج. يمكنك أيضًا إضافة محركات أقراص SSD إلى المجموعة وإزالتها من هناك. عند إنشاء ذاكرة تخزين مؤقت لتجمع SSD، يتعين عليك اختيار الوضع الذي ستعمل فيه: للقراءة فقط أو للقراءة+الكتابة. تنظيمها المادي يعتمد على هذا. نظرًا لأنه يمكن أن يكون هناك العديد من تجمعات ذاكرة التخزين المؤقت، فقد تكون وظائفها مختلفة (أي، يمكن أن يحتوي النظام على تجمعات ذاكرة تخزين مؤقت للقراءة والقراءة + الكتابة في نفس الوقت).
إذا تم استخدام تجمع ذاكرة التخزين المؤقت للقراءة فقط، فيمكن أن يتكون من 1-8 محركات أقراص SSD. ليس من الضروري أن تكون الأقراص بنفس السعة ونفس البائع، حيث يتم دمجها في بنية NRAID+. تتم مشاركة جميع محركات أقراص SSD الموجودة في المجمع. يحاول النظام بشكل مستقل موازنة الطلبات الواردة بين جميع محركات أقراص SSD لتحقيق أقصى قدر من الأداء. إذا فشل أحد محركات أقراص SSD، فلن يحدث أي شيء سيء: ففي نهاية المطاف، تحتوي ذاكرة التخزين المؤقت فقط على نسخة من البيانات المخزنة على مجموعة محركات الأقراص الثابتة. إن مقدار ذاكرة التخزين المؤقت SSD المتوفرة ستنخفض (أو تصبح صفرًا في حالة استخدام ذاكرة التخزين المؤقت SSD الأصلية من محرك أقراص واحد).
إذا تم استخدام ذاكرة التخزين المؤقت لعمليات القراءة + الكتابة، فيجب أن يكون عدد محركات أقراص SSD الموجودة في المجموعة مضاعفًا لاثنين، نظرًا لأن المحتويات تنعكس على أزواج من محركات الأقراص (يتم استخدام بنية NRAID 1+). يعد تكرار ذاكرة التخزين المؤقت أمرًا ضروريًا لأنه قد يحتوي على بيانات لم تتم كتابتها بعد على محركات الأقراص الثابتة. وفي هذه الحالة، قد يؤدي فشل SSD من تجمع ذاكرة التخزين المؤقت إلى فقدان المعلومات. في حالة NRAID 1+، سيؤدي فشل SSD ببساطة إلى نقل ذاكرة التخزين المؤقت إلى حالة القراءة فقط، مع إلقاء البيانات غير المكتوبة على مصفوفة القرص الصلب. بعد استبدال SSD المعيب، ستعود ذاكرة التخزين المؤقت إلى وضع التشغيل الأصلي. بالمناسبة، لمزيد من الأمان، يمكنك تعيين قطع غيار ساخنة مخصصة لذاكرة التخزين المؤقت للقراءة + الكتابة.
عند استخدام وظيفة التخزين المؤقت لـ SSD في XCubeSAN، هناك عدد من المتطلبات المتعلقة بحجم ذاكرة وحدات التحكم في التخزين: كلما زادت ذاكرة النظام، زاد حجم تجمع ذاكرة التخزين المؤقت.
على عكس معظم الشركات المصنعة لأنظمة التخزين، التي تقدم فقط خيار تشغيل/إيقاف تشغيل ذاكرة التخزين المؤقت SSD، توفر QSAN المزيد من الخيارات. على وجه الخصوص، يمكنك تحديد وضع تشغيل ذاكرة التخزين المؤقت اعتمادًا على طبيعة التحميل. هناك ثلاثة قوالب معدة مسبقًا وهي الأقرب في تشغيلها إلى الخدمات المقابلة: قاعدة البيانات ونظام الملفات وخدمة الويب. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمسؤول إنشاء ملف التعريف الخاص به عن طريق تعيين قيم المعلمات المطلوبة:
- حجم الكتلة (حجم كتلة ذاكرة التخزين المؤقت) – 1/2/4 ميجابايت
- عدد طلبات قراءة الكتلة بحيث يتم نسخها إلى ذاكرة التخزين المؤقت (عتبة النشر عند القراءة) - 1..4
- عدد طلبات كتابة كتلة بحيث يتم نسخها إلى ذاكرة التخزين المؤقت (عتبة النشر عند الكتابة) – 0..4
يمكن تغيير الملفات الشخصية بسرعة، ولكن، بالطبع، مع إعادة تعيين محتويات ذاكرة التخزين المؤقت و"الإحماء" الجديد.
بالنظر إلى مبدأ تشغيل ذاكرة التخزين المؤقت SSD، يمكننا تسليط الضوء على العمليات الرئيسية عند العمل معها:
قراءة البيانات عندما لا تكون في ذاكرة التخزين المؤقت
- يصل طلب من المضيف إلى وحدة التحكم؛
- نظرًا لأن العناصر المطلوبة ليست موجودة في ذاكرة التخزين المؤقت SSD، تتم قراءتها من محركات الأقراص الثابتة؛
- يتم إرسال بيانات القراءة إلى المضيف. وفي الوقت نفسه، يتم إجراء فحص لمعرفة ما إذا كانت هذه الكتل "ساخنة"؛
- إذا كانت الإجابة بنعم، فسيتم نسخها إلى ذاكرة التخزين المؤقت SSD لاستخدامها مرة أخرى.
قراءة البيانات عندما تكون موجودة في ذاكرة التخزين المؤقت
- يصل طلب من المضيف إلى وحدة التحكم؛
- وبما أن البيانات المطلوبة موجودة في ذاكرة التخزين المؤقت SSD، فسيتم قراءتها من هناك؛
- يتم إرسال بيانات القراءة إلى المضيف.
كتابة البيانات عند استخدام ذاكرة التخزين المؤقت للقراءة
- يصل طلب الكتابة من المضيف إلى وحدة التحكم؛
- تتم كتابة البيانات على محركات الأقراص الثابتة؛
- يتم إرجاع استجابة تشير إلى نجاح التسجيل إلى المضيف؛
- في الوقت نفسه، يتم التحقق مما إذا كانت الكتلة "ساخنة" (تتم مقارنة معلمة عتبة النشر عند الكتابة). إذا كانت الإجابة بنعم، فسيتم نسخها إلى ذاكرة التخزين المؤقت SSD لاستخدامها لاحقًا.
كتابة البيانات عند استخدام ذاكرة التخزين المؤقت للقراءة + الكتابة
- يصل طلب الكتابة من المضيف إلى وحدة التحكم؛
- تتم كتابة البيانات إلى ذاكرة التخزين المؤقت SSD؛
- يتم إرجاع استجابة تشير إلى نجاح التسجيل إلى المضيف؛
- تتم كتابة البيانات من ذاكرة التخزين المؤقت SSD إلى محركات الأقراص الثابتة في الخلفية؛
تحقق في العمل
اختبار موقف
يتم توصيل خادمين (وحدة المعالجة المركزية: 2 × Xeon E2-5v2620 3 هرتز / ذاكرة الوصول العشوائي: 2.4 جيجابايت) بواسطة منفذين عبر قناة ليفية 32 جيجا مباشرة إلى نظام التخزين XCubeSAN XS16D (ذاكرة وصول عشوائي/وحدة تحكم سعة 5224 جيجابايت).
استخدمنا 16 × Seagate Constellation ES، ST500NM0001، 500 جيجابايت، SAS 6 جيجابت/ثانية، مدمجة في RAID5 (15+1)، لمصفوفة البيانات و8 × HGST Ultrastar SSD800MH.B، HUSMH8010BSS200، 100 جيجابايت، SAS 12 جيجابت/ثانية كذاكرة تخزين مؤقت
تم إنشاء مجلدين: واحد لكل خادم.
الاختبار 1. ذاكرة تخزين مؤقت SSD للقراءة فقط من 1 إلى 8 محركات أقراص SSD
ذاكرة التخزين المؤقت SSD
- نوع الإدخال/الإخراج: التخصيص
- حجم كتلة ذاكرة التخزين المؤقت: 4 ميجابايت
- عتبة النشر عند القراءة: 1
- عتبة النشر عند الكتابة: 0
نمط الإدخال/الإخراج
- الأداة: IOmeter V1.1.0
- العمال: 1
- المتميز (عمق قائمة الانتظار): 128
- مواصفات الوصول: 4 كيلو بايت، قراءة 100%، عشوائية 100%
من الناحية النظرية، كلما زاد عدد محركات أقراص SSD في مجموعة ذاكرة التخزين المؤقت، كلما زاد الأداء. ومن الناحية العملية، تم تأكيد ذلك. الزيادة الكبيرة الوحيدة في عدد محركات أقراص الحالة الصلبة (SSD) ذات الحجم الصغير لا تؤدي إلى تأثير متفجر.
الاختبار 2. ذاكرة التخزين المؤقت SSD في وضع القراءة + الكتابة مع 2-8 محركات أقراص SSD
ذاكرة التخزين المؤقت SSD
- نوع الإدخال/الإخراج: التخصيص
- حجم كتلة ذاكرة التخزين المؤقت: 4 ميجابايت
- عتبة النشر عند القراءة: 1
- عتبة النشر عند الكتابة: 1
نمط الإدخال/الإخراج
- الأداة: IOmeter V1.1.0
- العمال: 1
- المتميز (عمق قائمة الانتظار): 128
- مواصفات الوصول: 4 كيلو بايت، كتابة 100%، عشوائي 100%
نفس النتيجة: نمو هائل في الأداء وتوسيع نطاقه مع زيادة عدد محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة (SSD).
في كلا الاختبارين، كانت كمية بيانات العمل أقل من إجمالي حجم ذاكرة التخزين المؤقت. لذلك، مع مرور الوقت، تم نسخ كافة الكتل إلى ذاكرة التخزين المؤقت. وفي الواقع، تم تنفيذ العمل بالفعل باستخدام محركات أقراص الحالة الصلبة (SSD)، دون التأثير عمليًا على محركات الأقراص الثابتة. كان الغرض من هذه الاختبارات هو توضيح فعالية تسخين ذاكرة التخزين المؤقت وتوسيع نطاق أدائها اعتمادًا على عدد محركات أقراص الحالة الصلبة (SSD).
الآن دعونا نعود إلى الأرض ونتحقق من موقف أكثر واقعية، عندما تكون كمية البيانات أكبر من حجم ذاكرة التخزين المؤقت. لكي يتم اجتياز الاختبار خلال فترة زمنية معقولة (تزداد فترة "إحماء" ذاكرة التخزين المؤقت بشكل كبير مع زيادة حجم الصوت)، سنحدد حجم الصوت بـ 120 جيجابايت.
الاختبار 3. مضاهاة قاعدة البيانات
ذاكرة التخزين المؤقت SSD
- نوع الإدخال/الإخراج: قاعدة البيانات
- حجم كتلة ذاكرة التخزين المؤقت: 1 ميجابايت
- عتبة النشر عند القراءة: 2
- عتبة النشر عند الكتابة: 1
نمط الإدخال/الإخراج
- الأداة: IOmeter V1.1.0
- العمال: 1
- المتميز (عمق قائمة الانتظار): 128
- مواصفات الوصول: 8 كيلو بايت، قراءة 67%، عشوائية 100%
حكم
الاستنتاج الواضح بالطبع هو الكفاءة الجيدة لاستخدام ذاكرة التخزين المؤقت SSD لتحسين أداء أي نظام تخزين. تنطبق على ينطبق هذا البيان بالكامل: يتم تنفيذ وظيفة التخزين المؤقت لـ SSD بشكل مثالي. يتعلق هذا بدعم أوضاع القراءة والقراءة + الكتابة، والإعدادات المرنة لأي سيناريو استخدام، بالإضافة إلى الأداء العام للنظام ككل. لذلك، بتكلفة معقولة جدًا (سعر الترخيص مشابه لتكلفة 1-2 محركات أقراص SSD)، يمكنك زيادة الأداء العام بشكل كبير.
المصدر: www.habr.com