Споделяме опит, как се представят SSD в рамките на RAID и какво ниво на масива е по-изгодно

В предишния материал вече разгледахме въпроса дали RAID е приложим на SSD, като взехме за пример Kingston устройства, но го направихме само в рамките на нулево ниво. В текущата статия ще разгледаме вариантите за използване на професионални и домашни NVMe решения в най-популярните типове RAID масиви и ще говорим за съвместимостта на контролерите. Broadcom с Kingston устройства.

Защо е необходим RAID на SSD?

Предимствата на SSD базираните хранилищни масиви в сравнение с хранилищните масиви на твърди дискове включват съкращаване на времето за достъп до данните на устройството и отлична производителност при операции по четене/писане. Въпреки това, за постигане на идеална производителност на RAID на база SSD е необходимо оптималното съчетание на процесор, кеширане, софтуер и хардуер. Когато всички тези фактори работят перфектно заедно, RAID масивът от SSD може значително да надмине сравнима конфигурация с традиционни HDD.

Типичните SSD устройства консумират по-малко енергия от твърдите дискове, така че при комбинирането на голям брой твърдотелни накопители в RAID масив, спестяването на енергия в сравнение с RAID масив от HDD може да доведе до допълнителни икономии в корпоративните сметки за електричество.

Въпреки това, SSD RAID има ограничения и недостатъци: по-високата цена на гигабайт пространство в сравнение с твърди дискове с подобен капацитет. Също така, времето на работа на флаш паметта преди отказ е ограничено от определен брой цикли на презапис. Тоест, SSD устройствата имат определен живот, който зависи от експлоатацията: колкото по-често се презаписва информацията върху тях, толкова по-бързо устройството ще се повреди. От друга страна, корпоративните SSD устройства имат добър срок на служба, сравним с механичните твърди дискове.

Как SSD Kingston работят в режим RAID с контролери Broadcom

С настъпването на SSD устройства, конфигурациите RAID съдържаха много нюанси. Включително заради използването на по-малко устойчиви HDD дискове. Твърдотелните устройства са значително по-надеждни от техните магнитни събратя. Както знаем, в SSD решенията няма движещи се елементи, така че механичните повреди са сведени до нула. Изходът на твърдотелните устройства от строя вследствие на скокове на напрежението също е малко вероятен, имайки предвид, че на ниво домашен компютър и всеки сървър ви предпазват UPS, мрежови филтри и дори блок с захранване.

Въпреки това, твърдотелните устройства имат още едно съществени предимство: дори ако паметните клетки се износят при запис — четенето на данни от тях все пак може да се извърши, а при повреда на магнитен диск — за съжаление, не.

Днес е напълно нормална практика да се използват SSD решения в RAID масиви от различни нива. Основното е да се избират правилните твърдотелни устройства, чиято латентност е минимална. И още в идеалния случай да се използват SSD от един и същ производител и модел, за да не се получи хаос от устройства, които поддържат различни типове натоварвания и са изградени на база различни типове памет, контролери и други технологии. Тоест, ако решим да закупим за създаване на RAID масив четири или 16 NVMe SSD на компанията Kingston — по-добре е всички те да бъдат от една серия и модел.

Между другото, в в предишната статия Не случайно споменахме контролерите Broadcom, когато говорим за NVMe SSD на Kingston. Факт е, че в ръководствата на тези устройства веднага се описват съвместимите устройства (включително решения от споменатия американски производител на SSD), с които контролерът ще работи без оплаквания. На тази информация трябва да се осланяте при избора на комбинация "контролер-SSD" за RAID.

Разглеждаме работата на SSD Kingston в най-популярните типове RAID — “1”, “5”, “10”, “50”

Така “нулевият” RAID не осигурява излишък на данни, а само увеличава производителността. RAID 0 не предлага никаква защита на данните, затова няма да го разглеждаме в корпоративния сегмент. RAID 1, от друга страна, осигурява пълен излишък, но с минимално увеличение на производителността, поради което е подходящ да се разглежда само ако повишаването на производителността не е основен фактор при изграждането на RAID масив от SSD.

RAID 1 с SSD Kingston и контролери Broadcom

Така RAID масивът от първо ниво с контролер Broadcom MegaRAID 9460-16i обединява между два и 32 Kingston носителя, които са копия един на друг, и осигурява пълен излишък. Когато се използват традиционни HDD, скоростта на запис и четене на данни е ограничена до тази на самия HDD. Обаче при използването на NVMe SSD решения получаваме десетократно увеличение на производителността, особено по отношение на времето за достъп до данни. Например, с два SSD Kingston DC1000M U.2 NVMe в сървърен RAID 1, получаваме 350 000 IOPS при четене на случайни данни и 75 000 IOPS при запис.

Що се отнася до последователната скорост на четене, резултатите ще съответстват на характеристиките на носителя — 3200 МБайт/с. Но, тъй като и двата NVMe SSD работят, данните могат да бъдат четени от тях едновременно, което прави операциите по четене доста бързи. Но скоростта на запис (длъжна е да бъде 2000 МБайт/с) ще бъде по-бавна, тъй като всяка операция по запис се извършва два пъти.

RAID 1 е идеален за малки бази данни или всяка друга среда, която изисква отказоустойчивост, но с малък капацитет. Зеркалното копие на носителите е особено полезно в сценарии за аварийно възстановяване (въпреки че производителността е малко понижена), тъй като осигурява мигновено “възкресение” на важни данни, ако един от носителите в масива откаже. Обаче, тъй като този защитен ниво изисква удвояване на капацитета за съхранение на зеркалното копие на данните (за съхранение на 100 ТБ ще са необходими 200 ТБ пространство), в много корпоративни системи се използват по-икономични варианти за съхранение: RAID 5 и RAID 6.

RAID 5 с SSD Kingston и контролери Broadcom

За организиране на RAID масив от пето ниво, ще ни трябват поне три носителя, данните на които се редуват (циклично записвани са на всички носители в масива), но не се дублират. При тяхната организация трябва да се вземе предвид по-сложната им структура, тъй като тук се появява понятието „контролна сума“ (или „четност“). Под това понятие се разбира логическата алгебрична функция XOR (изключващо „ИЛИ“), която налага използването на минимум три носителя в масива (максимум – 32). При това информацията за четността се записва на всички „дискa“ в масива.

За масив от четири SATA SSD носителя Kingston DC500R с капацитет по 3.84 ТБ всеки, ще получим 11.52 ТБ пространство и 3.84 за контролни суми. А ако обединим в RAID пето ниво 16 NVMe носителя Kingston DC1000M U.2 с капацитет 7.68 ТБ – ще получим 115.2 ТБ с загуба от 7.68 ТБ. Както виждате, колкото повече носители, толкова по-добре. По-добре е и защото, колкото повече носители в RAID 5, толкова по-висока е обобщената производителност при записните операции. А линейното четене ще достига нивото на RAID 0.

Групата дискове RAID 5 осигурява висока пропускна способност (особено за големи файлове) и излишност с минимална загуба на мощност. Най-добре този тип организация на масива подхожда на мрежи, които извършват множество малки операции с входно-изходни (I / O) данни едновременно. А е добре да не го използвате за задачи, които изискват голямо количество записни операции на малки или много малки блокове.
Има и още един нюанс: при отказ на поне един от NVMe носителите, RAID 5 преминава в режим на деградация и отказът на още едно устройство за съхранение може да бъде критичен за всички данни. В случай на неизправност на един носител в масива RAID контролерът използва информацията за четността, за да възстанови всички липсващи данни.

RAID 10 на база SSD Kingston и контролери Broadcom

RAID 0 осигурява двойно увеличение на скоростта и времето за достъп, докато RAID 1 гарантира надеждност. В идеалния случай би било добре да ги комбинираме, а тук на помощ идва RAID 10 (или 1+0). „Десетката“ се изгражда от четири SATA SSD или NVMe устройства (максимум – 32) и предвижда масив от „зеркала“, чието количество устройства винаги трябва да бъде кратно на четири. Данните в този масив се записват чрез разбиване на фиксирани блокове (както в случай на RAID 0) и редуване между устройствата, разпределяйки копия между „дисковете“ в масива RAID 1. А благодарение на възможността за едновременен достъп до няколко групи дискове, RAID 10 показва висока производителност.

Тъй като RAID 10 е способен да разпределя данни между няколко зеркални двойки, това означава, че може да допуска повреда на едно устройство в двойката. Въпреки това в случай на повреда на двете зеркални двойки (т.е. на всичките четири устройства) ще настъпи неизбежна загуба на данни. В крайна сметка получаваме и добра отказоустойчивост и надеждност. Но е важно да се има предвид, че, подобно на RAID 1, масивът на десетото ниво използва само половината от общата капацитет, поради което е скъпо решение. Освен това е сложно за настройка.

RAID 10 е подходящ за използване с хранилища на данни, които изискват 100-процентна излишност на групи зеркални дискове, както и повишена производителност на входно-изходните операции, подобна на RAID 0. Това е най-доброто решение за бази данни със среден размер или всяка среда, която изисква по-висока отказоустойчивост в сравнение с RAID 5.

RAID 50 на базата на SSD Kingston и контролери Broadcom

Комбиниран масив, подобен на RAID 10, който представлява масив от нулево ниво, съставен от масиви от пето ниво. Както в предишния случай, основната цел на този масив е да осигури двойна производителност, запазвайки надеждността на данните в масивите RAID 5. В допълнение, RAID 50 осигурява повишена производителност на запис и по-добра защита на данните в случай на повреда на диск, а също така е способен на по-бързо възстановяване в случай на отказ на едно от устройствата.

RAID 50 група от дисков разделя данните на по-малки блокове и след това ги разпределя върху всеки RAID 5 масив. RAID 5 група от дискове, от своя страна, също разделя данните на по-малки блокове, изчислява паритета, извършва логическа операция OR за блоковете и след това изпълнява операции по запис в блоковете с данни и контрол на паритета за всеки диск в групата дискове.

И макар производителността да намалява в случай на повреда на един от носителите, това не е толкова значимо, както в масив RAID 5, тъй като една повреда засяга само един от масивите, оставяйки другия напълно работещ. Всъщност RAID 50 може да издържи до осем повреда на HDD/SSD/NVMe носител, ако всяка повреда е на различен RAID 5 масив.

RAID 50 е най-добре да се използва за приложения, които изискват висока надеждност и трябва да обработват голямо количество заявки при запазване на висока скорост на предаване на данни и по-ниска цена на носителите в сравнение с RAID 10. Въпреки това, тъй като за настройка на RAID 50 масив се изискват минимум шест носителя, цената не е напълно изключена като фактор. Един от недостатъците на RAID 50 е, че, както и RAID 5, му е необходим сложен контролер: например в споменатия от нас в предишната статия MegaRAID 9460-16i от Broadcom.

Трябва също да се отбележи, че RAID 50 разполага с по-малко използваемо дисково пространство в сравнение с RAID 5, поради резервирането на капацитет за записи на контрола на паритета. Въпреки това, той все още има повече полезно пространство от другите нива на RAID, особено тези, които използват отражение. При минималното изискване от шест диска, RAID 50 може да бъде скъп вариант, но допълнителното дисково пространство оправдава разходите, защитавайки корпоративните данни. Този тип масив се препоръчва за работа с данни, които изискват висока надеждност на съхранение, висока честота на заявки, висока скорост на предаване и голям капацитет за съхранение.

RAID 6 и RAID 60: за тях също не сме забравили

След като говорихме за масиви от пети и петдесет нива, е грях да не споменем и такива типове организация на масиви като RAID 6 и RAID 60.

Работоспособността на RAID 6 е аналогична на RAID 5, но тук минималният брой устройства, отдавани под контрола на паритета, е два, което позволява на масива да оцелее след повреда на два устройства без загуба на данни (в RAID 5 такава ситуация е крайно нежелателна). Това осигурява по-висока надеждност. В останалото е все така, както в масива от пето ниво: в случай на повреда на едно или две диска контролерът на RAID използва парични блокове, за да възстанови цялата недостающа информация. При повреда на два устройства възстановяването не става одновременно: първо се възстановява първото устройство, след това – второто. По този начин се извършват две операции за възстановяване на данни.

Не е трудно да се предположи, че ако RAID 50 представлява масив от нулевото ниво, който е съставен от масиви от пето ниво, то RAID 60 е нулев масив от масиви от шестото ниво, за които току-що говорихме. Тоест, такава организация на RAID хранилището позволява оцеляване след загуба на два SSD в всяка група устройства RAID 6. Принципът на работа е подобен на този, който описахме в раздела за RAID 50, но броят на отказите, които може да понесе масивът от шестото ниво, нараства от 8 до 16 устройства. Обикновено тези масиви се използват за онлайн обслужване на клиенти, което изисква висока отказоустойчивост.

Подводим заключения:

Въпреки че зеркалирането осигурява по-висока отказоустойчивост от RAID 50/60, то също така изисква много повече място. Тъй като количеството данни се удвоява, в действителност получавате само 50% от общия капацитет на инсталираните устройства в сървъра за запис и съхранение на информация. Изборът между RAID 50/60 и RAID 10 вероятно ще зависи от наличния бюджет, капацитета на сървъра и вашите нужди за защита на данните. Като че ли разходите излизат на преден план, когато говорим за SSD решения (както корпоративни, така и потребителски клас).

Не по-малко важно е, че вече знаем, че RAID базиран на SSD е напълно безопасно решение и нормална практика за съвременния бизнес. В рамките на домашното приложение също е разумно да преминете на NVMe, ако бюджетите го позволяват. А ако все още имате въпрос, защо всичко това е необходимо, върнете се в началото на статията – вече подробно отговорихме на него.

Тази статия е подготвена с подкрепата на нашите колеги от Broadcom, които предоставят своите контролери на инженерите от Kingston за тестиране с корпоративни SATA/SAS/NVMe носители. Благодарение на това приятелско сътрудничество, клиентите не трябва да се съмняват в надеждността и стабилността на работата на носителите Kingston с HBA и RAID контролери на производителя Broadcom.

Допълнителна информация за продуктите на Kingston може да бъде намерена на официалния сайт компанията.

Източник: habr.com