Споделяме опит как SSD дисковете се проявяват в RAID и каква е най-изгодната конфигурация на масива

В в предишен материал вече разгледахме въпроса дали "RAID на SSD е приложим" на примера на Kingston устройства, но го направихме само в рамките на нулевото ниво. В настоящата 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 устройствата на Kingston.

Защо е нужен RAID на SSD?

Предимствата на масивите за съхранение на базата на SSD в сравнение с масивите на базата на твърдотелни дискове включват намаляване на времето за достъп до данни и отлична производителност при операции по четене/запис. Въпреки това, за идеална производителност на RAID базиран на SSD е необходимо оптимално съчетание от процесор, кеш, софтуер и хардуер. Когато всички тези фактори работят идеално заедно, RAID масив от SSD може значително да надмине подобна конфигурация с традиционни HDD.

Типичният SSD консумира по-малко енергия от твърдотелните дискове, така че при комбинирането на голям брой SSD в RAID масив, спестяването на енергия в сравнение с RAID от HDD може да доведе и до намаляване на разходите по корпоративни сметки за електричество.

Въпреки това, SSD RAID има ограничения и недостатъци: по-конкретно, по-висока цена за гигабайт пространство в сравнение с твърдотелните дискове с подобен капацитет. А времето за работа на флаш паметта преди отказ е ограничено до определен брой цикли на презапис. Тоест, SSD устройства имат определен живот, който зависи от експлоатацията: колкото по-активно се презаписва информацията, толкова по-бързо устройството ще се повреди. От друга страна, корпоративните SSD устройства имат приличен срок на служба, сравним с механичните твърдотелни дискове.

Как SSD Kingston се представят в режим RAID с контролери Broadcom

На зазорите на появата на SSD устройства, RAID конфигурациите носеха много нюанси. Включително и поради употребата на по-малко отказоустойчиви HDD дискове. Твердотелните устройства са значително по-надеждни от магнитните си аналози. Както знаем, в SSD решенията няма движещи се елементи, поради което механичните повреди са сведени до нула. Излизането на твердотелните устройства от строя в следствие на скокове в напрежението също е малко вероятно, като се има предвид, че на ниво домашен компютър и всеки сървър ви предпазват UPS, мрежови филтри и дори захранване.

В допълнение, твердотелните устройства имат още едно съществено предимство: дори ако паметните клетки са износени за запис – четенето на данни от тях все пак ще бъде възможно, а в случай на повреждане на магнитния диск – уви.

Днес е напълно нормална практика да се използват SSD решения в RAID масиви от различни нива. Най-важното е да се избират правилните твердотелни устройства с минимална латентност. А в идеалния случай да се използват SSD от един и същи производител и модел, за да не се получи смесица от устройства, поддържащи различни типове натоварвания и 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 компания Kingston – по-добре е всички те да бъдат от една серия и модель.

Между другото, в прошлата статия Не случайно споменахме контролерите Broadcom, когато говорехме за NVMe SSD от Kingston. Фактът, че в ръководствата за тези устройства незабавно се описват съвместимите устройства (включително решения от споменатия американски производител на SSD), с които контролерът ще работи без проблеми. На тази информация трябва да се разчита при избора на комбинацията "контролер-SSD" за RAID.

Разглеждаме работата на SSD Kingston в най-популярните типове RAID – "1", "5", "10", "50".

Така че, “нула” ниво RAID не осигурява излишност на данните, а само увеличава производителността. RAID 0 не предоставя никаква защита на данните, затова в корпоративния сегмент няма да го разглеждаме. RAID 1, от друга страна, осигурява пълна излишност, но само скромно увеличение на производителността, и затова трябва да се има предвид в случаите, когато увеличението на производителността не е основен фактор при създаването на RAID масив от SSD.

RAID 1 на база SSD Kingston и контролери Broadcom

Така че, RAID масив от първо ниво на база контролер Broadcom MegaRAID 9460-16i обединява от два до 32 устройства Kingston, които са копия едно на друго, и осигурява пълна излишност. Ако при използването на традиционни HDD скоростта на запис и четене на данните остава на нивото на съответния HDD, то с NVMe SSD решения получаваме десетократен ръст в производителността. Особено по отношение на времето за достъп до данните. Например, с два SSD Kingston DC1000M U.2 NVMe в сървърен RAID 1 ще постигнем 350 000 IOPS при четене на случайни данни и 75 000 IOPS при запис.

Относно последователната скорост на четене, резултатите ще отговарят на характеристиките на устройството — 3200 Мбайт/с. Но, тъй като и двете NVMe SSD устройства са в работно състояние, данните могат да се четат от тях едновременно, което прави операцията на четене доста бърза. Скоростта на запис (обявената е 2000 Мбайт/с) ще бъде по-бавна, тъй като всяка операция на запис се извършва два пъти.

RAID масив 1 е напълно подходящ за малки бази данни или всяка друга среда, която изисква отказоустойчивост, но малка капацитет. Зеркалното копиране на устройствата е особено полезно в сценарии на аварийно възстановяване (производителността при това леко намалява), тъй като осигурява мигновена “реанимация” на важни данни, ако едно от устройствата в масива се повреди. Но, тъй като това ниво на защита изисква удвояване на капацитета за съхранение на зеркалната копия на данни (за съхранение на 100 Тбайт ще са необходими 200 Тбайт пространство), в много корпоративни системи се използват по-икономични варианти за съхранение: RAID 5 и RAID 6.

RAID 5 на база SSD Kingston и контролери Broadcom

За да организираме RAID масив от пети клас, ни трябват поне три диска, които записват данни на ред (циклично между всички дискове в масива), без да дублират информация. При тяхната организация трябва да се вземе предвид по-сложната им структура, тъй като тук се въвежда понятието "контролна сума" (или "паритет"). Това понятие обозначава логическа алгебрична функция XOR (изключително "ИЛИ"), която налага използването на минимум три диска в масива (максимум – 32). Информацията за паритета се записва на всички "дискове" в масива.

За масив от четири SATA SSD диска Kingston DC500R с капацитет от 3,84 Тбайт всеки, ще получим 11,52 Тбайт пространство и 3,84 за контролни суми. А ако комбинираме в RAID от пети клас 16 NVMe диска Kingston DC1000M U.2 с капацитет 7,68 Тбайт — ще получим 115,2 Тбайт с загуба от 7,68 Тбайт. Както виждате, колкото повече дискове, толкова по-добре в крайна сметка. Още по-добре, защото колкото повече дискове в RAID 5, толкова по-висока е общата производителност при запис. А линейното четене ще достигне 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 подобен тип организиране на масив е подходящ за мрежи, които извършват много малки операции с вход-изход (I / O) едновременно. Но не е разумно да се използва за задачи, изискващи голям брой операции по запис на малки или дребни блокове.
Има и още един нюанс: при отказ на поне един от NVMe дисковете, RAID 5 преминава в режим на деградация и изгарянето на още едно устройство за съхранение може да стане критично за всички данни. При неуспех на един диск в масива, RAID контролерът използва информацията за паритета, за да възстанови всички недостигнали данни.

RAID 10 на базата на SSD Kingston и контролери Broadcom

Така, RAID 0 ни предоставя двойно увеличение на скоростта и времето за достъп, докато RAID 1 осигурява надеждност. В идеалния случай би било добре да ги комбинираме, и тук на помощ идва RAID 10 (или 1+0). "Десетката" се събира от четири SATA SSD или NVMe устройства (максимум – 32) и означава масив от "огледала", като броят на устройства в него винаги трябва да е кратен на четири. Данните в този масив се записват чрез разделяне на фиксирани блокове (както е при RAID 0) и редуване между устройствата, разпределяйки копия между "дисковете" в масива RAID 1. А благодарение на възможността за едновременно достъп до няколко групи дискове, RAID 10 показва висока производителност.

Тъй като RAID 10 може да разпределя данни между няколко огледални двойки, това означава, че може да допуска повреда на едно устройство в двойката. Въпреки това, при повреда на двете огледални двойки (тоест на всичките четири устройства) настъпва неизбежна загуба на данни. В крайна сметка получаваме и добра отказоустойчивост и надеждност. Но трябва да имаме предвид, че, както и RAID 1, масивът от десети клас използва само половината от общия капацитет, а следователно е скъпо решение. И е сложно за настройка.

RAID 10 е подходящ за използване с хранилища на данни, които изискват 100-процентна излишност на групите огледални дискове, както и повишена производителност на вход-изход от RAID 0. Това е най-доброто решение за бази данни със среден размер или всяка среда, която изисква по-висока отказоустойчивост от RAID 5.

RAID 50 на база SSD Kingston и контролери Broadcom

Комбиниран масив, подобен на RAID десети клас, представляващ масив от нулев клас, създаден от масиви от пети клас. Както и в предишния случай, основната цел на този масив е да предостави удвоена производителност при запазване на надеждността на данните в масивите RAID 5. В същото време RAID 50 осигурява повишена производителност на запис и по-добра защита на данните, в сравнение с класическия RAID 5 при повреда на диск, а също така е в състояние да се възстанови по-бързо в случай на отказ на едно от устройствата.

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

И въпреки че производителността неизменно намалява в случай на повреда на един от дискoвите устройства, това не е толкова съществено, колкото в масив RAID 5, тъй като една повреда влияе само на един от масивите, оставяйки другия напълно работещ. Всъщност RAID 50 може да издържи до осем провала на HDD/SSD/NVMe устройства, ако всеки провален "диск" е в отделен масив RAID 5.

RAID 50 е най-подходящ за приложения, които изискват висока надеждност и трябва да обработват голямо количество заявки, като същевременно поддържат висока скорост на предаване на данни и по-ниска цена на дискoвите устройства, отколкото в масив RAID 10. Въпреки това, тъй като за настройка на масив RAID 50 са необходими минимум шест диска, разходите не могат да бъдат напълно пренебрегнати. Един от недостатъците на RAID 50 е, че, подобно на RAID 5, изисква сложен контролер: такъв като споменатия от нас в предишната статия MegaRAID 9460-16i от Broadcom.

Също така е важно да се отбележи, че RAID 50 има по-малко използваемо дисково пространство, отколкото RAID 5, поради необходимостта от капацитет за съхранение на записи на контрол на паритета. Въпреки това, той все още има повече полезно пространство от другите нива на RAID, особено тези, които използват зеркалиране. С минималното изискване от шест диска, RAID 50 може да бъде скъпа опция, но допълнителното дисково пространство оправдава разходите, защитаване на корпоративни 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.

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

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

Производителността на RAID 6 е сходна с тази на RAID 5, но тук поне два диска се използват за контрол на паритета, което позволява на масива да оцелее при повреда на два диска без загуба на данни (при RAID 5 такава ситуация е крайно нежелателна). Това осигурява по-висока надеждност. В останалото е същото като при масива от пето ниво: в случай на повреда на един или два диска, RAID контролерът използва блокове с паритет, за да възстанови цялата липсваща информация. При повреда на два диска възстановяването не става едновременно: първо се възстановява първият диск, а след това – вторият. Така се извършват две операции по възстановяване на данни.

Не е трудно да се предположи, че ако RAID 50 представлява масив от нулево ниво от масиви на пето ниво, то RAID 60 е масив от нулево ниво от масиви на шесто ниво, за които току-що говорихме. Тоест, такава организация на RAID хранилището позволява да се оцелее при загуба на два SSD в всяка група от дискове RAID 6. Принципът на работа е сходен с този, който обсъдихме в раздела за RAID 50, но количеството на повредите, които може да понесе масивът на шесто ниво, нараства от 8 до 16 диска. Обикновено такива масиви се използват за онлайн обслужване на клиенти, което изисква висока отказоустойчивост.

Обобщаваме:

Въпреки че зеркалированието осигурява по-висока отказоустойчивост, отколкото RAID 50/60, то изисква много повече пространство. Тъй като количеството данни се удвоява, в действителност получавате само 50% от общата капацитет на инсталираните в сървъра дискове за запис и съхранение на информация. Изборът между RAID 50/60 и RAID 10 вероятно ще зависи от наличните бюджети, капацитета на сървъра и вашите нужди от защита на данните. Цената излиза на преден план, когато говорим за SSD решения (както корпоративни, така и потребителски клас).

Не по-малко важно е, че сега знаем, че RAID на базата на SSD е напълно безопасно решение и нормална практика за съвременния бизнес. В рамките на домашно приложение също има причина да преминете на NVMe, ако бюджетите 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 на Kingston за тестване с корпоративни SATA/SAS/NVMe устройства. Благодарение на този приятелски симбиоз, клиентите не трябва да се съмняват в надеждността и стабилността на работата на устройствата на Kingston с HBA и RAID контролери. Broadcom.

Допълнителна информация за продуктите на Kingston може да се намери на официалния сайт компанията.

Източник: habr.com