Hola Habr! En aquest article, us direm si val la pena organitzar matrius RAID basades en solucions d'estat sòlid SATA SSD i NVMe SSD, i hi haurà un benefici seriós d'això? Vam decidir examinar aquest problema tenint en compte els tipus i tipus de controladors que ho permeten, així com l'abast d'aquestes configuracions.
D'una manera o d'una altra, cadascú de nosaltres almenys una vegada a la vida vam escoltar definicions com "RAID", "RAID-array", "RAID-controller", però gairebé no li atorguem importància seriosa, perquè tot això és poc probable per a una persona normal. PC boiar Interessant. Però tothom vol grans velocitats de les unitats internes i la fiabilitat del seu treball. Després de tot, per molt potent que sigui l'ompliment de l'ordinador, la velocitat de la unitat es converteix en un coll d'ampolla quan es tracta de la velocitat combinada de l'ordinador i el servidor.
Això va ser exactament fins al moment en què els HDD tradicionals es van substituir per SSD NVMe moderns amb una capacitat comparable d'1 TB o més. I si abans al PC hi havia més sovint paquets de SSD SATA + un parell de discs durs de gran capacitat, avui es comencen a substituir per una altra solució: SSD NVMe + un parell de SSD SATA de gran capacitat. Quan es tracta de servidors i núvols corporatius, molts ja s'han traslladat amb èxit als SSD SATA, simplement perquè són més ràpids que les llaunes normals i poden gestionar més operacions d'E/S al mateix temps.
Tanmateix, la tolerància a fallades del sistema encara es troba en un nivell força baix: no podem, com a la "Batalla dels psíquics", predir amb una precisió de fins a una setmana quan una o altra unitat d'estat sòlid morirà per un llarg temps. I si els HDD "morren" gradualment, cosa que us permet detectar els símptomes i prendre mesures, els SSD "morren" immediatament i sense avís. I ara és el moment d'esbrinar per què es necessita tot això? Val la pena organitzar matrius RAID basades en solucions SATA SSD i NVMe SSD, i hi haurà un benefici seriós d'això?
Per què necessiteu una matriu RAID?
La paraula "matriu" ja implica que s'utilitzen diverses unitats (HDD i SSD) per crear-la, que es combinen mitjançant un controlador RAID i reconegudes pel sistema operatiu com un únic emmagatzematge de dades. La tasca global que poden resoldre els arrays RAID és minimitzar el temps d'accés a les dades, augmentar la velocitat de lectura/escriptura i la fiabilitat, cosa que s'aconsegueix gràcies a la capacitat de recuperar-se ràpidament en cas de fallada. Per cert, no és necessari utilitzar RAID per a les còpies de seguretat domèstiques. Però si teniu el vostre propi servidor domèstic, al qual necessiteu accés constant les 24 hores del dia, els 7 dies del dia, això és un altre tema.
Hi ha més d'una dotzena de nivells de matrius RAID, cadascun dels quals difereix pel nombre de unitats utilitzades i té els seus pros i contres: per exemple, RAID 0 us permet obtenir un alt rendiment sense tolerància a errors, RAID 1 us permet configureu la rèplica automàtica de dades sense augmentar la velocitat, i RAID 10 combina les possibilitats de l'anterior. RAID 0 i 1 són els més senzills (perquè no requereixen càlculs de programari) i, per tant, els més populars. En definitiva, l'elecció a favor d'un nivell RAID particular depèn de les tasques assignades a la matriu de discs i de les capacitats del controlador RAID.
Home vs. Enterprise RAID: quina diferència hi ha?
La base de qualsevol negoci modern són grans quantitats de dades que s'han d'emmagatzemar de manera segura als servidors de l'empresa. I, tanmateix, com hem assenyalat anteriorment, han de tenir accés constant les 24 hores del dia. És evident que, juntament amb el maquinari, també és important la part del programari, però en aquest cas estem parlant d'equips que garanteixen un emmagatzematge i processament fiable de la informació. Cap programari salvarà l'empresa de la ruïna si l'equip de "ferro" no es correspon amb les tasques que se li assignen.
Per a aquestes tasques, qualsevol fabricant de maquinari ofereix els anomenats dispositius corporatius. Kingston té solucions d'estat sòlid potents enfront dels models SATA и , així com els models DC1000M U.2 NVMe, DCU1000 U.2 NVMe i DCP-1000 PCI-e NVMe dissenyats per al seu ús en centres de dades (centres de processament de dades) i superordinadors. Les matrius d'aquestes unitats s'utilitzen normalment juntament amb controladors de maquinari.
Per al mercat de consum (és a dir, per a ordinadors domèstics i servidors NAS), aquestes unitats estan disponibles com NVMe PCIe, però en aquest cas no cal comprar un controlador de maquinari. Podeu limitar-vos a un PC o un servidor NAS integrat a la placa base, tret que, per descomptat, tingueu previst muntar un servidor domèstic per a tasques atípiques (comenceu un petit allotjament domèstic per als amics, per exemple). A més, les matrius RAID domèstiques, per regla general, no impliquen la presència de centenars i milers de unitats, limitant-se a dos, quatre i vuit dispositius (normalment SATA).
Tipus i tipus de controladors RAID
Hi ha tres tipus de controladors RAID basats en els principis d'implementació de matrius RAID:
1. Programari, en el qual el control de la matriu recau sobre la CPU i la DRAM (és a dir, l'execució del codi del programa es produeix al processador).
2. Integrat, és a dir, integrat a les plaques base d'un PC o servidor NAS.
3. Maquinari (modular), que són plaques d'expansió discretes per a ranures de placa base PCI/PCIe.
Quina és la seva diferència fonamental entre ells? Els controladors RAID de programari són inferiors als controladors RAID integrats i de maquinari en termes de rendiment i tolerància a errors, però no requereixen maquinari especial per al seu funcionament. Tanmateix, és important assegurar-se que el processador del sistema amfitrió sigui prou potent per executar el programari RAID sense afectar negativament el rendiment de les aplicacions que també s'executen a l'amfitrió. Els controladors integrats, per regla general, estan equipats amb la seva pròpia memòria cau i utilitzen una certa quantitat de recursos de CPU.
Però els de maquinari tenen la seva pròpia memòria cau i un processador integrat per executar algorismes de programari. Normalment us permeten implementar tot tipus de nivells RAID i suportar diversos tipus de unitats alhora. Per exemple, els dispositius SATA, SAS i NVMe es poden connectar a controladors de maquinari Broadcom moderns alhora, cosa que us permet no canviar el controlador quan actualitzeu servidors: en particular, quan passeu de SSD SATA a SSD NVMe, els controladors no ho fan. s'han de canviar.
De fet, en aquesta nota, ens vam apropar a la tipologia dels mateixos controladors. Si hi ha tres maneres, n'hi ha d'haver d'altres? En aquest cas, la resposta a aquesta pregunta serà afirmativa. Depenent de les funcions i capacitats, els controladors RAID es poden dividir en diversos tipus:
1. Controladors normals amb funció RAID
En tota la jerarquia, aquest és el controlador més senzill que permet combinar HDD i SSD en matrius RAID de nivells "0", "1" o "0 + 1". Programàticament, això s'implementa a nivell de microprogramari. Tanmateix, aquests dispositius difícilment es poden recomanar per al seu ús al segment corporatiu, perquè no tenen memòria cau i no admeten matrius de nivells "5", "3", etc. Però per a un servidor domèstic de nivell d'entrada, són bastant adequats.
2. Controladors emparellats amb altres controladors RAID
Aquest tipus de controlador es pot combinar amb controladors de placa base integrats. Això s'implementa d'acord amb el principi següent: un controlador RAID discret s'encarrega de la solució de les tasques "lògiques" i el integrat s'encarrega de les funcions d'intercanvi de dades entre unitats. Però hi ha una advertència: el funcionament paral·lel d'aquests controladors només és possible en plaques base compatibles, la qual cosa significa que el seu abast es redueix seriosament.
3. Controladors RAID independents
Aquestes solucions discretes contenen a bord tots els xips necessaris per treballar amb servidors de classe empresarial, amb la seva pròpia BIOS'om, memòria cau i processador per a una ràpida correcció d'errors i càlcul de suma de verificació. A més, compleixen uns alts estàndards de fiabilitat pel que fa a la fabricació i disposen de mòduls de memòria d'alta qualitat.
4. Controladors RAID externs
No és difícil endevinar que tots els controladors esmentats anteriorment són interns i s'alimenten mitjançant el connector PCIe de la placa base. Què diu? I que la fallada de la placa base pot provocar errors en el funcionament de la matriu RAID i pèrdua de dades. Els controladors externs estan lliures d'aquest malentès, ja que es col·loquen en una caixa independent amb una font d'alimentació independent. Pel que fa a la fiabilitat, aquests controladors proporcionen el nivell més alt d'emmagatzematge de dades.
, Microsemi Adaptec, Intel, IBM, Dell i Cisco són només algunes de les empreses que actualment ofereixen controladors RAID de maquinari.
Modes de funcionament dels controladors RAID SAS/SATA/NVMe
L'objectiu principal dels controladors HBA i RAID tri-mode (o controladors amb funcionalitat Tri-Mode) és crear RAID de maquinari basat en NVMe. Els controladors de la sèrie 9400 de Broadcom poden fer això: per exemple, . Pertany a un tipus independent de controladors RAID, està equipat amb quatre connectors SFF-8643 i, gràcies al suport Tri-Mode, permet connectar unitats SATA/SAS i NVMe simultàniament. A més, també és un dels controladors més eficients energèticament del mercat (consumint només 17 watts de potència, mentre que menys d'1,1 watts per a cadascun dels 16 ports).
La interfície de connexió és PCI Express x8 versió 3.1, que permet una amplada de banda de 64 Gb/s (es preveuen controladors per a PCI Express 2020 el 4.0). El controlador de 16 ports es basa en un xip de 2 nuclis i SDRAM DDR72-4 de 2133 bits (4 GB), així com la possibilitat de connectar fins a 240 unitats SATA / SAS o fins a 24 dispositius NVMe. Pel que fa a l'organització de matrius RAID, s'admeten els nivells "0", "1", "5" i "6", així com "10", "50" i "60". Per cert, la memòria cau i altres controladors de la sèrie 9400 estan protegits de fallades d'alimentació mitjançant el mòdul opcional CacheVault CVPM05.
La tecnologia tri-mode es basa en la funció de conversió de dades SerDes: conversió de dades en sèrie en interfícies SAS / SATA a forma paral·lela en PCIe NVMe i viceversa. És a dir, el controlador negocia velocitats i protocols per funcionar perfectament amb qualsevol dels tres tipus de dispositius d'emmagatzematge. Això proporciona una manera perfecta d'escalar les infraestructures del centre de dades: els usuaris poden utilitzar NVMe sense canvis importants en altres configuracions del sistema.
Tanmateix, quan es planifiquen configuracions amb unitats NVMe, val la pena tenir en compte que les solucions NVMe utilitzen 4 carrils PCIe per connectar-se, la qual cosa significa que cada unitat utilitza totes les línies de port SFF-8643. Resulta que només quatre unitats NVMe es poden connectar directament al controlador MegaRAID 9460-16i. O limiteu-vos a dues solucions NVMe mentre connecteu vuit unitats SAS alhora (vegeu el diagrama de connexió a continuació).
La figura mostra l'ús del connector "0" (C0 / Connector 0) i del connector "1" per a connexions NVMe, així com els connectors "2" i "3" per a connexions SAS. Aquesta disposició es pot invertir, però cada unitat NVMe x4 s'ha de connectar mitjançant línies veïnes. Els modes de funcionament del controlador s'estableixen mitjançant les utilitats de configuració StorCLI o Human Interface Infrastructure (HII), que s'executa en un entorn UEFI.
El mode predeterminat és el perfil "PD64" (només admet SAS/SATA). Com hem dit anteriorment, hi ha tres perfils en total: "mode només SAS / SATA" (PD240 / PD64 / PD 16), "mode només NVMe" (PCIe4) i mode mixt, en el qual poden funcionar tot tipus de unitats: " PD64 -PCIe4" (suport per a 64 discos físics i virtuals amb 4 unitats NVMe). En mode mixt, el valor del perfil especificat hauria de ser el següent: "ProfileID=13". Per cert, el perfil seleccionat es desa com a líder i no es restableix fins i tot quan torneu a la configuració de fàbrica mitjançant l'ordre Configura els valors predeterminats de fàbrica. Només es pot canviar manualment.
He de crear una matriu RAID en un SSD?
Per tant, ja hem entès que les matrius RAID són la clau per a un alt rendiment. Però val la pena SSD RAID per a ús domèstic i corporatiu? Molts escèptics diuen que l'augment de la velocitat no és tan significatiu com per trencar les unitats NVMe. Però és realment així? Amb prou feines. La limitació més gran per utilitzar un SSD en RAID (tant a casa com a nivell corporatiu) pot ser només el preu. Ens agradi o no, el cost d'un gigabyte d'espai HDD és molt més barat.
Connectar diverses "unitats" d'estat sòlid a un controlador RAID per crear una matriu de SSD en determinades configuracions pot tenir un gran impacte en el rendiment. Tanmateix, no oblideu que el rendiment màxim està limitat pel rendiment del propi controlador RAID. El nivell RAID que ofereix el millor rendiment és el RAID 0.
Una configuració típica de RAID 0 amb dos SSD, que utilitza un mètode fix de bloqueig i striping entre SSD, duplicarà el rendiment (en comparació amb les velocitats d'un sol SSD). Al mateix temps, una matriu RAID 0 amb quatre SSD ja serà quatre vegades més ràpida que la SSD més lent de la matriu (segons el límit d'ample de banda al nivell de controlador SSD RAID).
Basat en càlculs senzills, SATA SSD és aproximadament 3 vegades més ràpid que un HDD SATA tradicional. Les solucions NVMe són encara més eficients: 10 vegades o més. Suposant que dos discs durs en un nivell RAID 50 duplica el rendiment en un 6%, dos SSD SATA són 20 vegades més ràpids i dos SSD NVMe són 2000 vegades més ràpids. En particular, una única unitat Kingston KC3200 NVMe PCIe pot assolir velocitats de lectura i escriptura seqüencials de fins a 0 MB/s, que en format RAID 6 arribaran als impressionants 4 GB/s. I la velocitat de lectura/escriptura de blocs aleatoris de 350 KB de mida passarà de 000 IOPS a 700 IOPS. Però... al mateix temps, el RAID "zero" no ens proporciona redundància.
Es pot dir que a casa, normalment no es requereix redundància d'emmagatzematge, de manera que RAID 0 es converteix, de fet, en la configuració RAID més adequada per a SSD. Aquesta és una manera fiable d'aconseguir un augment significatiu del rendiment com a alternativa a l'ús de tecnologies com Intel Optane- SSD basats. I així és com es comporten les solucions SSD en els tipus RAID més populars ("1", "5", "10", "50"): parlarem al nostre proper article.
Aquest article es va preparar amb el suport dels nostres col·legues de Broadcom, que proporcionen els seus controladors als enginyers de Kingston per fer proves amb unitats SATA/SAS/NVMe de classe empresarial. Gràcies a aquesta simbiosi amigable, els clients no han de dubtar de la fiabilitat i l'estabilitat de les unitats Kingston amb controladors HBA i RAID de producció. .
Es pot trobar més informació sobre els productes de Kingston companyia.
Font: www.habr.com