V jsme se již zabývali otázkou „Je RAID na SSD použitelný?“ na příkladu disků Kingston, ale to jsme učinili pouze v rámci hladiny nula. V tomto článku probereme možnosti využití profesionálních a domácích NVMe řešení v nejoblíbenějších typech RAID polí a povíme si o kompatibilitě řadičů s disky Kingston.
Proč je RAID na SSD potřebný?
Výhody úložných polí založených na SSD ve srovnání s poli na pevných discích zahrnují zkrácení doby přístupu k datům na disku a vynikající výkon při operacích čtení/zápisu. Pro ideální výkon RAIDu založeného na SSD však potřebujete optimální kombinaci procesoru, cache, softwaru a hardwaru. Když tyto faktory dokonale spolupracují, může RAID pole ze SSD významně překonat srovnatelnou konfiguraci s použitím tradičních HDD.
Typický SSD spotřebovává méně energie než pevné disky, proto při spojení velkého množství solid-state disků do RAID pole může úspora energie ve srovnání s RAID polem z HDD také snížit náklady na platby za firemní účty za elektřinu.
Na druhou stranu má SSD RAID omezení a nevýhody: konkrétně vyšší cena za gigabajt prostoru v porovnání s pevnými disky obdobné kapacity. A doba životnosti flash paměti se omezuje na určité množství přepisovacích cyklů. To znamená, že SSD disky mají určitou životnost, která závisí na používání: čím častěji se na něm přepisují informace, tím dříve disk selže. Na druhou stranu mají podnikové SSD disky slušnou životnost, srovnatelnou s mechanickými pevnými disky.
Jak SSD Kingston fungují v režimu RAID s řadiči Broadcom
Na počátku vzniku SSD disků měly RAID konstrukce mnoho nuancí. A to i díky používání méně spolehlivých HDD disků. Pevné disky jsou mnohem spolehlivější než jejich magnetičtí příbuzní. Jak víme, v SSD řešeních nejsou žádné pohyblivé součásti, a proto jsou mechanická poškození vyloučena. Selhání pevných disků v důsledku napěťových skoků je také velmi nepravděpodobné, vzhledem k tomu, že na úrovni domácího PC a jakéhokoli serveru vás chrání UPS, síťové filtry a dokonce i zdroj napájení.
Kromě toho mají pevné disky ještě jednu významnou výhodu: i když se paměťové buňky opotřebují při zápisu – čtení dat z nich bude stále možné, zatímco při poškození magnetického disku – bohužel.
V dnešní době je používání SSD řešení v RAID seznamech různých úrovní zcela běžnou praxí. Hlavní je vybírat správné pevné disky, jejichž latence je minimální. A ideálně používat SSD od stejného výrobce a stejného modelu, aby nevznikla směsice disků podporujících různé typy zátěže a postavených na různých typech pamětí, kontrolérů a dalších technologií. Tedy pokud jsme se rozhodli zakoupit pro vytvoření RAID pole čtyři nebo 16 NVMe SSD od společnosti Kingston – ať jsou raději všechny ze stejné série a modelové řady.
Mimochodem, nedávno jsme zmiňovali kontroléry Broadcom, když jsme mluvili o NVMe SSD od Kingstonu. Je to tím, že v manuálech k těmto zařízení jsou hned zmíněny kompatibilní disky (včetně řešení od výše zmíněného amerického výrobce SSD), s nimiž kontrolér funguje bez problémů. Na tuto informaci je třeba se spolehnout při výběru páru "kontrolér-SSD" pro RAID.
Analyzujeme výkon SSD Kingston v nejpopulárnějších typech RAID – „1“, „5“, „10“, „50“
Takže, „nulová“ úroveň RAID neposkytuje redundanci dat, ale pouze zvyšuje výkon. RAID 0 v podstatě neposkytuje žádnou ochranu dat, a proto ho nebudeme zvažovat v rámci podnikového segmentu. RAID 1, na druhé straně, poskytuje plnou redundanci, ale pouze skromný nárůst výkonu, a měl by se zvažovat pouze v případě, že zvýšení výkonu není klíčovým faktorem při vytváření RAID pole ze SSD.
RAID 1 založený na SSD Kingston a kontrolerech Broadcom
Takže RAID pole prvního úrovně založené na kontroleru Broadcom MegaRAID 9460-16i spojuje dva až 32 Kingston disků, které jsou vzájemnými kopií, a zajišťuje plnou redundanci. Pokud při použití tradičních HDD zůstávala rychlost zápisu a čtení dat na úrovni samotného HDD, s využitím NVMe SSD řešení získáváme desetinásobný nárůst výkonu. Zvlášť pokud jde o dobu přístupu k datům. Například s dvěma SSD Kingston DC1000M U.2 NVMe ve serverovém RAID 1 dosáhneme 350 000 IOPS při čtení náhodných dat a 75 000 IOPS při zápisu.
Pokud jde o sekvenční rychlost čtení, výsledky budou odpovídat specifikacím disku — 3200 MB/s. Ale protože oba NVMe SSD jsou v provozu, data mohou být čtena současně, což dělá operace čtení poměrně rychlé. Rychlost zápisu (uváděná jako 2000 MB/s) však bude pomalejší, protože každá operace zápisu se provádí dvakrát.
RAID 1 je ideální pro malé databáze nebo jakékoliv jiné prostředí, které vyžaduje odolnost proti chybám, ale má malou kapacitu. Zrcadlení disků obzvláště pomáhá ve scénářích obnovy po havárii (výkon je při tom poněkud snížen), protože zajišťuje okamžité „oživení“ důležitých dat, pokud jeden z disků v poli selže. Ale protože tato úroveň ochrany vyžaduje zdvojení kapacity pro uchování zrcadlové kopie dat (pro uchování 100 TB bude potřeba 200 TB místa), v mnoha podnikových systémech se používají úspornější varianty úložiště: RAID 5 a RAID 6.
RAID 5 založený na SSD Kingston a kontrolerech Broadcom
Pro organizaci RAID pole páté úrovně budeme potřebovat alespoň tři úložiště, na kterých se data střídají (cyklicky zapisují na všechny jednotky v poli), ale neduplikuje se. Při jejich organizaci je třeba brát v úvahu jejich složitější konstrukci, protože se zde objevuje pojem „parita“ (nebo také „kontrola integrity“). Tento pojem odkazuje na logickou algebrickou funkci XOR (exkluzivní „Nebo“), která určuje použití minimálně tří úložišť v poli (maximálně – 32). Přitom informace o paritě se zapisují na všechny „disky“ v poli.
Pro pole čtyř SATA SSD Kingston DC500R s kapacitou 3,84 TB každé získáme 11,52 TB prostoru a 3,84 TB pro parity. A pokud spojíme v RAID páté úrovně 16 NVMe disků Kingston DC1000M U.2 s kapacitou 7,68 TB — získáme 115,2 TB se ztrátou 7,68 TB. Jak vidíte, čím více disků, tím lepší je výsledek. Je to lepší i proto, že čím více disků v RAID 5, tím vyšší je celkový výkon při zápisu. A sekvenční čtení dosahuje úrovně RAID 0.
Skupina disků RAID 5 poskytuje vysokou propustnost (zejména pro velké soubory) a redundanci s minimální ztrátou výkonu. Nejlépe se tento typ organizace pole hodí pro sítě, které provádějí mnoho malých operací vstupu-výstupu (I/O) současně. Avšak pro úkoly, které vyžadují velké množství zapisování malých nebo malých bloků, není vhodné jej používat.
Existuje také jeden aspekt: při selhání alespoň jednoho z NVMe disků přechází RAID 5 do režimu degradace a selhání dalšího úložiště se může stát kritickým pro všechna data. V případě selhání jednoho disku v RAID poli používá RAID kontrolér informace o paritě k obnově všech chybějících dat.
RAID 10 na bázi SSD Kingston a řadičů Broadcom
RAID 0 nám poskytuje dvojnásobné zvýšení rychlosti a času přístupu, zatímco RAID 1 zajišťuje spolehlivost. Ideálně bychom je měli zkombinovat, a zde přichází na pomoc RAID 10 (nebo 1+0). 'Desítka' se skládá ze čtyř SATA SSD- nebo NVMe-disků (maximálně 32) a představuje pole 'zrcadel', přičemž počet disků musí být vždy násobkem čtyř. Data v tomto poli se zapisují pomocí rozdělení na pevné bloky (jako v případě RAID 0) a střídáním mezi disky, přičemž se kopie rozdělují mezi 'disky' v poli RAID 1. Díky možnosti současného přístupu k několika skupinám disků vykazuje RAID 10 vysoký výkon.
Jelikož RAID 10 dokáže rozdělovat data mezi několik zrcadlových párů, může tolerovat selhání jednoho disku v páru. Avšak pokud selžou oba zrcadlové páry (tedy všechny čtyři disky), dojde k nevyhnutelné ztrátě dat. Výsledkem je také dobrá odolnost proti poruchám a spolehlivost. Je však třeba mít na paměti, že, stejně jako v případě RAID 1, pole desáté úrovně využívá pouze polovinu celkové kapacity, což činí řešení nákladným. Navíc je nastavení složité.
RAID 10 je vhodný pro datová úložiště, která vyžadují 100% redundanci skupin zrcadlových disků a také zvýšený výkon I/O RAID 0. Je to nejlepší řešení pro středně velké databáze nebo jakékoli prostředí, které potřebuje vyšší odolnost proti poruchám než RAID 5.
RAID 50 na bázi SSD Kingston a řadičů Broadcom
Kombinované pole, podobné RAID 10, které představuje pole nulté úrovně vytvořené z polí páté úrovně. Stejně jako v předchozím případě je hlavním cílem tohoto pole dosáhnout zdvojeného výkonu při zachování spolehlivosti dat v polích RAID 5. RAID 50 přitom zajišťuje zvýšený výkon zápisu a lepší ochranu dat než standardní RAID 5 v případě selhání disku a také je schopen rychleji obnovit data v případě selhání jednoho z disků.
Skupina disků RAID 50 dělí data na menší bloky a poté je rozděluje na každou skupinu RAID 5. Skupina disků RAID 5 zase také dělí data na menší bloky, vypočítává paritní informace, provádí logickou operaci OR na blocích a poté provádí operace zápisu do bloků dat a ověřování parity pro každý disk ve skupině disků.
Ačkoli se výkon nevyhnutelně snižuje v případě selhání jednoho z disků, není to tak zásadní jako v poli RAID 5, protože jedno selhání ovlivní pouze jednu z grup, zatímco druhá zůstává plně funkční. Ve skutečnosti RAID 50 může vydržet až osm selhání HDD/SSD/NVMe disku, pokud každé selhávající „disk“ je v samostatné skupině RAID 5.
RAID 50 je nejlepší používat pro aplikace, které vyžadují vysokou spolehlivost a které musí zpracovávat velké množství požadavků při zachování vysoké rychlosti přenosu dat a nižších nákladů na disky než u pole RAID 10. Nicméně, protože pro nastavení pole RAID 50 je potřeba minimálně šesti disků, costo se zcela nevylučuje jako faktor. Jednou z nevýhod RAID 50 je, že, stejně jako RAID 5, potřebuje složitý řadič: jako je v předchozím článku od společnosti Broadcom.
Je také třeba poznamenat, že RAID 50 má méně využívaného diskového prostoru než RAID 5, kvůli alokaci kapacity pro vedení záznamů paritní kontroly. Přesto má stále více užitečného místa než jiné úrovně RAID, zejména ty, které používají zrcadlení. Při minimálním požadavku na šest disků může být RAID 50 nákladnou variantou, ale dodatečný diskový prostor ospravedlňuje náklady, chránící podniková data. Tento typ pole se doporučuje pro práci s daty vyžadujícími vysokou spolehlivost úložiště, vysokou frekvenci požadavků, vysokou rychlost přenosu a velkou kapacitu pro uložení.
RAID 6 a RAID 60: na ty jsme také nezapomněli
Když už jsme hovořili o polích páté a padesáté úrovně, hřích nezmínit i takové typy uspořádání polí jako RAID 6 a RAID 60.
Výkon RAID 6 je srovnatelný s RAID 5, ale zde jsou alespoň dva disky vyčleněny pro paritu, což umožňuje poli přežít selhání dvou disků bez ztráty dat (v RAID 5 je taková situace velmi nežádoucí). Díky tomu je zajištěna vyšší spolehlivost. Jinak je to stejné jako u pole páté úrovně: v případě selhání jednoho nebo dvou disků řadič RAID používá paritní bloky k rekonstrukci všech chybějících informací. Při selhání dvou disků nedochází k obnovení současně: nejprve je obnoven první disk, poté – druhý. Takto se provádějí dvě operace obnovy dat.
Není těžké uhádnout, že pokud RAID 50 představuje pole nulové úrovně z polí páté úrovně, pak RAID 60 je pole nulové úrovně z polí šesté úrovně, o kterých jsme právě hovořili. Tedy taková organizace RAID úložiště umožňuje přežít ztrátu dvou SSD v každé skupině disků RAID 6. Princip fungování je podobný tomu, o kterém jsme hovořili v části o RAID 50, ale počet poruch, které může pole šedesáté úrovně zvládnout, se zvyšuje z 8 na 16 disků. Taková pole se obvykle používají pro online obsluhu zákazníků, která vyžaduje vysokou odolnost proti poruchám.
Shrňme to:
I když zrcadlení poskytuje větší odolnost proti poruchám než RAID 50/60, také vyžaduje daleko více místa. Vzhledem k tomu, že se množství dat zdvojnásobuje, fakticky získáte pouze 50 % z celkové kapacity nainstalovaných disků v serveru pro zápis a ukládání informací. Volba mezi RAID 50/60 a RAID 10 pravděpodobně bude záviset na dostupných rozpočtech, kapacitě serveru a vašich potřebách na ochranu dat. A cena se dostává do popředí, když hovoříme o SSD řešeních (jak podnikové, tak spotřebitelské třídy).
Není méně důležité, že nyní víme – RAID založený na SSD je zcela bezpečné řešení a běžná praxe pro moderní podnikání. V rámci domácího použití také dává smysl přejít na NVMe, pokud to rozpočty dovolují. A pokud máte ještě otázku, proč je to vše potřebné, vraťte se na začátek článku – na to jsme již podrobně odpověděli.
Tento článek byl připraven ve spolupráci s našimi kolegy z Broadcom, kteří poskytují své řadiče inženýrům Kingston pro testování s podnikatelskými SSD SATA/SAS/NVMe. Díky této přátelské symbióze si zákazníci nemusí dělat starosti s důvěryhodností a stabilitou provozu SSD Kingston s řadiči HBA a RAID. .
More information about Kingston products can be found at společnost.
Zdroj: habr.com
