Трябва ли да създам RAID масив от SSD и какви контролери са необходими за това

Здравей Habr! В тази статия ще ви кажем дали си струва да организирате RAID масиви, базирани на SATA SSD и NVMe SSD твърдотелни решения и ще има ли сериозна печалба от това? Решихме да разгледаме този проблем, като разгледаме типовете и видовете контролери, които позволяват това, както и обхвата на такива конфигурации.

По един или друг начин, всеки от нас поне веднъж в живота си е чувал такива определения като „RAID“, „RAID-масив“, „RAID-контролер“, но едва ли е придавал сериозно значение на това, защото всичко това е малко вероятно за обикновен човек PC боляр Интересно. Но всеки иска високи скорости от вътрешните дискове и надеждността на тяхната работа. В края на краищата, без значение колко мощен е пълнежът на компютъра, скоростта на устройството се превръща в тясно място, когато става въпрос за комбинираната скорост на компютъра и сървъра.

Това беше точно до момента, в който традиционните твърди дискове бяха заменени от модерни NVMe SSD дискове със сравним капацитет от 1 TB или повече. И ако по-рано в компютъра имаше по-често пакети от SATA SSD + няколко вместими твърди дискове, днес те започват да се заменят с друго решение - NVMe SSD + няколко вместими SATA SSD. Що се отнася до корпоративните сървъри и облака, мнозина вече успешно преминаха към SATA SSD, просто защото са по-бързи от обикновените тенекии и могат да обработват повече I/O едновременно.

Въпреки това устойчивостта на грешки на системата все още е на доста ниско ниво: не можем, както в „Битката на екстрасенсите“, да предвидим с точност дори до седмица кога един или друг твърд диск ще умре за дълго време. И ако твърдите дискове „умират“ постепенно, което ви позволява да уловите симптомите и да предприемете действия, тогава SSD „умират“ веднага и без предупреждение. И сега е време да разберем защо изобщо е необходимо всичко това? Струва ли си да организирате RAID масиви на базата на SATA SSD и NVMe SSD решения и ще има ли сериозна печалба от това?

Защо ви е необходим RAID масив?

Самата дума „масив“ вече предполага, че за създаването му се използват няколко устройства (HDD и SSD), които се комбинират с помощта на RAID контролер и се разпознават от операционната система като едно хранилище за данни. Глобалната задача, която RAID масивите могат да решат, е минимизиране на времето за достъп до данни, увеличаване на скоростта на четене / запис и надеждност, което се постига благодарение на възможността за бързо възстановяване в случай на повреда. Между другото, не е необходимо да използвате RAID за домашни архиви. Но ако имате собствен домашен сървър, до който имате нужда от постоянен достъп 24/7, тогава това е друг въпрос.

Има над дузина нива на RAID масиви, всяко от които се различава по броя на използваните в него дискове и има своите плюсове и минуси: например RAID 0 ви позволява да получите висока производителност без толерантност към грешки, RAID 1 ви позволява да зададете автоматично дублиране на данни без увеличаване на скоростта, а RAID 10 съчетава възможностите на горното. RAID 0 и 1 са най-простите (защото не изискват софтуерни изчисления) и в резултат на това най-популярните. В крайна сметка изборът в полза на определено RAID ниво зависи от задачите, възложени на дисковия масив и възможностите на RAID контролера.

Home vs. Enterprise RAID: Каква е разликата?

В основата на всеки съвременен бизнес са големи количества данни, които трябва да се съхраняват сигурно на сървърите на компанията. И все пак, както отбелязахме по-горе, те трябва да имат постоянен достъп 24/7. Ясно е, че наред с хардуера важна е и софтуерната част, но в случая говорим за оборудване, което гарантира надеждно съхранение и обработка на информацията. Никой софтуер няма да спаси компанията от гибел, ако „желязното“ оборудване не отговаря на възложените му задачи.

За тези задачи всеки производител на хардуер предлага така наречените корпоративни устройства. Kingston разполага с мощни твърдотелни решения в лицето на SATA моделите Kingston 450R (DC450R) и DC500 серия, както и моделите DC1000M U.2 NVMe, DCU1000 U.2 NVMe и DCP-1000 PCI-e NVMe, предназначени за използване в центрове за данни (центрове за обработка на данни) и суперкомпютри. Масивите от такива устройства обикновено се използват заедно с хардуерни контролери.

За потребителския пазар (т.е. за домашни компютри и NAS сървъри) такива устройства се предлагат като Kingston KC2000 NVMe PCIe, но в този случай не е необходимо да купувате хардуерен контролер. Можете да се ограничите до компютър или NAS сървър, вграден в дънната платка, освен ако разбира се не планирате сами да сглобите домашен сървър за нетипични задачи (например стартиране на малък домашен хостинг за приятели). В допълнение, домашните RAID масиви като правило не предполагат наличието на стотици и хиляди дискове, като са ограничени до две, четири и осем устройства (обикновено SATA).

Видове и видове RAID контролери

Има три вида RAID контролери, базирани на принципите на внедряване на RAID масиви:

1. Софтуер, при който управлението на масива пада върху CPU и DRAM (т.е. изпълнението на програмния код се извършва на процесора).

2. Интегриран, тоест вграден в дънните платки на компютър или NAS сървър.

3. Хардуер (модулен), който представлява отделни разширителни платки за PCI/PCIe слотове на дънната платка.

Каква е основната им разлика един от друг? Софтуерните RAID контролери са по-ниски от интегрираните и хардуерните RAID контролери по отношение на производителност и устойчивост на грешки, но не изискват специален хардуер за работа. Въпреки това е важно да се гарантира, че процесорът на хост системата е достатъчно мощен, за да работи със софтуера RAID, без да оказва отрицателно въздействие върху производителността на приложенията, които също се изпълняват на хоста. Интегрираните контролери като правило са оборудвани със собствена кеш памет и използват определено количество ресурси на процесора.

Но хардуерните имат както собствена кеш памет, така и вграден процесор за изпълнение на софтуерни алгоритми. Обикновено те ви позволяват да реализирате всички видове RAID нива и да поддържате няколко типа дискове наведнъж. Например, SATA, SAS и NVMe устройства могат да бъдат свързани към модерни хардуерни контролери на Broadcom едновременно, което ви позволява да не променяте контролера, когато надстройвате сървъри: по-специално, когато преминавате от SATA SSD към NVMe SSD, контролерите не трябва да се променят.

Всъщност на тази бележка се приближихме до типологията на самите контролери. Ако има три режима, трябва ли да има и други? В този случай отговорът на този въпрос ще бъде положителен. В зависимост от функциите и възможностите, RAID контролерите могат да бъдат разделени на няколко вида:

1. Обикновени контролери с RAID функция
В цялата йерархия това е най-простият контролер, който ви позволява да комбинирате HDD и SSD в RAID масиви на нива "0", "1" или "0 + 1". Програмно това се реализира на ниво фърмуер. Такива устройства обаче едва ли могат да бъдат препоръчани за използване в корпоративния сегмент, тъй като им липсва кеш и не поддържат масиви от нива „5“, „3“ и т.н. Но за домашен сървър от начално ниво те са доста подходящи.

2. Контролери, сдвоени с други RAID контролери
Този тип контролер може да бъде сдвоен с интегрирани контролери на дънната платка. Това се осъществява на следния принцип: дискретен RAID контролер поема решаването на „логически“ задачи, а вграденият поема функциите за обмен на данни между устройствата. Но има едно предупреждение: паралелната работа на такива контролери е възможна само на съвместими дънни платки, което означава, че техният обхват е сериозно стеснен.

3. Независими RAID контролери
Тези дискретни решения съдържат на борда си всички необходими чипове за работа със сървъри от корпоративен клас, със собствен BIOS'om, кеш памет и процесор за бързо коригиране на грешки и изчисляване на контролна сума. В допълнение, те отговарят на високи стандарти за надеждност по отношение на производството и имат висококачествени модули памет.

4. Външни RAID контролери
Не е трудно да се досетите, че всички изброени по-горе контролери са вътрешни и се захранват през PCIe конектора на дънната платка. Какво пише? И че повредата на дънната платка може да доведе до грешки в работата на RAID масива и загуба на данни. Външните контролери са свободни от това недоразумение, тъй като са поставени в отделен корпус с независимо захранване. По отношение на надеждността тези контролери осигуряват най-високо ниво на съхранение на данни.

Broadcom, Microsemi Adaptec, Intel, IBM, Dell и Cisco са само някои от компаниите, които в момента предлагат хардуерни RAID контролери.

Режими на работа на RAID контролери SAS/SATA/NVMe

Основната задача на трирежимните HBA и RAID контролери (или контролерите с функцията Tri-Mode) е да създадат базиран на NVMe хардуерен RAID. Контролерите от серия 9400 на Broadcom могат да направят това: напр. MegaRAID 9460-16i. Той принадлежи към независим тип RAID контролери, оборудван е с четири конектора SFF-8643 и благодарение на поддръжката на Tri-Mode ви позволява да свързвате SATA/SAS и NVMe устройства едновременно. Освен това той е и един от най-енергийно ефективните контролери на пазара (консумира само 17 вата мощност, докато по-малко от 1,1 вата за всеки от 16-те порта).

Интерфейсът за връзка е PCI Express x8 версия 3.1, което позволява честотна лента от 64 Gb/s (контролери за PCI Express 2020 се очакват през 4.0 г.). 16-портовият контролер е базиран на 2-ядрен чип SAS3516 и 72-битова DDR4-2133 SDRAM (4 GB), както и възможност за свързване на до 240 SATA / SAS устройства или до 24 NVMe устройства. По отношение на организирането на RAID масиви се поддържат нива “0”, “1”, “5” и “6”, както и “10”, “50” и “60”. Между другото, кеш паметта MegaRAID 9460-16i и други контролери от серията 9400 е защитен от прекъсване на захранването чрез опционалния модул CacheVault CVPM05.

Технологията с три режима се основава на функцията за преобразуване на данни SerDes: преобразуване на серийни данни в SAS / SATA интерфейси в паралелна форма в PCIe NVMe и обратно. Това означава, че контролерът договаря скорости и протоколи, за да работи безпроблемно с всеки от трите типа устройства за съхранение. Това осигурява безпроблемен начин за мащабиране на инфраструктурите на центрове за данни: потребителите могат да използват NVMe без големи промени в други системни конфигурации.

Въпреки това, когато планирате конфигурации с NVMe устройства, струва си да имате предвид, че NVMe решенията използват 4 PCIe ленти за свързване, което означава, че всяко устройство използва всички линии на порт SFF-8643. Оказва се, че само четири NVMe устройства могат да бъдат свързани директно към контролера MegaRAID 9460-16i. Или се ограничете до две NVMe решения, докато свързвате осем SAS устройства едновременно (вижте диаграмата на свързване по-долу).

Фигурата показва използването на конектор "0" (C0 / Connector 0) и конектор "1" за NVMe връзки, както и конектори "2" и "3" за SAS връзки. Тази подредба може да бъде обърната, но всяко x4 NVMe устройство трябва да бъде свързано чрез съседни линии. Режимите на работа на контролера се задават чрез помощните програми за конфигуриране StorCLI или Human Interface Infrastructure (HII), които работят в UEFI среда.

Режимът по подразбиране е профил "PD64" (поддържа само SAS/SATA). Както казахме по-горе, има общо три профила: „Режим само SAS / SATA“ (PD240 / PD64 / PD 16), „Режим само NVMe“ (PCIe4) и смесен режим, в който могат да работят всички видове устройства: „ PD64 -PCIe4" (поддръжка за 64 физически и виртуални диска с 4 NVMe устройства). В смесен режим стойността на посочения профил трябва да бъде следната - "ProfileID=13". Между другото, избраният профил се запазва като лидер и не се нулира дори когато се върнете към фабричните настройки чрез командата Задаване на фабрични настройки. Може да се променя само ръчно.

Трябва ли да създам RAID масив на SSD?

И така, вече разбрахме, че RAID масивите са ключът към високата производителност. Но струва ли си SSD RAID за домашна и корпоративна употреба? Много скептици казват, че увеличението на скоростта не е толкова значително, че да фалира с NVMe устройства. Но наистина ли е така? Едва ли. Най-голямото ограничение за използването на SSD в RAID (както у дома, така и на корпоративно ниво) може да бъде само цената. Харесва ви или не, цената на гигабайт HDD пространство е много по-евтина.

Свързването на множество твърдотелни "устройства" към RAID контролер за създаване на масив от SSD в определени конфигурации може да има огромно влияние върху производителността. Не забравяйте обаче, че максималната производителност е ограничена от пропускателната способност на самия RAID контролер. Нивото на RAID, което предлага най-добра производителност, е RAID 0.

Типична настройка на RAID 0 с два SSD диска, която използва фиксиран метод на блокиране и ивици между SSD дискове, ще удвои производителността (в сравнение със скоростите на едно SSD). В същото време RAID 0 масив с четири SSD вече ще бъде четири пъти по-бърз от най-бавния SSD в масива (в зависимост от ограничението на честотната лента на ниво SSD RAID контролер).

Въз основа на проста аритметика, SATA SSD е около 3 пъти по-бърз от традиционния SATA HDD. NVMe решенията са още по-ефективни – 10 пъти или повече. Ако приемем, че два HDD в ниво RAID 50 удвояват производителността с 6%, два SATA SSD са 20 пъти по-бързи, а два NVMe SSD са 2000 пъти по-бързи. По-специално, едно Kingston KC3200 NVMe PCIe устройство може да достигне скорости на последователно четене и запис до 0 MB/s, което във формат RAID 6 ще достигне впечатляващите 4 GB/s. А скоростта на четене/запис на случайни блокове с размер 350 KB ще се превърне от 000 700 IOPS на 000 XNUMX IOPS. Но... в същото време "нулевият" RAID не ни осигурява излишък.

Може да се каже, че у дома обикновено не се изисква излишък на съхранение, така че RAID 0 наистина се превръща в най-подходящата RAID конфигурация за SSD дискове.Това е надежден начин за значително повишаване на производителността като алтернатива на използването на технологии като Intel Optane- базирани SSD дискове. И ето как SSD решенията се държат в най-популярните типове RAID (“1”, “5”, “10”, “50”) - ще говорим в следващата ни статия.

Тази статия е подготвена с подкрепата на нашите колеги от Broadcom, които предоставят своите контролери на инженерите на Kingston за тестване със SATA/SAS/NVMe устройства от корпоративен клас. Благодарение на тази приятелска симбиоза, клиентите не трябва да се съмняват в надеждността и стабилността на устройствата Kingston с HBA и RAID контролери от производството. Broadcom.

Повече информация за продуктите на Kingston можете да намерите на официалния уебсайт компания.

Източник: www.habr.com