Algoritmy RAID byly veřejnosti představeny již v roce 1987. Dodnes zůstávají nejoblíbenější technologií pro ochranu a zrychlení přístupu k datům v oblasti ukládání informací. Ale věkem IT technologií, který překročil hranici 30 let, není spíše vyspělost, ale již stáří. Důvodem je pokrok, který neúprosně přináší nové příležitosti. V době, kdy prakticky neexistovaly žádné jiné disky než HDD, umožňovaly algoritmy RAID nejefektivnější využití dostupných úložných zdrojů. S příchodem SSD disků se však situace radikálně změnila. Nyní je RAID při práci s disky SSD již „smyčkou“ na jejich výkonu. K odemknutí plného potenciálu rychlostních charakteristik SSD je proto prostě nutný zcela jiný přístup k práci s nimi.
Kromě zjevných rozdílů mezi HDD a SSD v principech fungování mají tyto typy médií ještě jednu důležitou vlastnost: jakýkoli pevný disk dokáže přepsat jakákoli data s granularitou jednoho bloku (dnes nejčastěji 4KB). U SSD je proces přepisování mnohem složitější:
- Změněná data se zkopírují do nového umístění. V tomto případě je granularita stejný blok, ale skládající se z několika stránek a mající velikost 256 KB - 4 MB. Tito. při změně stejných 4KB je nutné zkopírovat mimo jiné všechny sousední stránky, které tvoří jeden blok.
- Označte „staré“ bloky jako nepoužité, aby je mohl Garbage Collector vymazat.
Sekvenční zápis/přepis na SSD
V případě sekvenčního zápisu/přepisu tato vlastnost SSD nehraje velkou roli z hlediska jeho výkonu, protože bloky jsou umístěny poblíž a popelář dělá svou práci na pozadí docela dobře. Ale v reálném životě, a tím spíše v segmentu Enterprise, se u SSD nejčastěji používá náhodný přístup k datům. A tato data se zapisují na náhodná místa na jednotkách.
Čím více dat je zapsáno na SSD, tím obtížnější je pro sběrač odpadu pracovat, protože fragmentace se výrazně zvyšuje. V důsledku toho nastává okamžik, kdy proces čištění disku přestává být „na pozadí“: výkon SSD výrazně klesá, protože jeho významnou část zabírá Garbage Collector.
Reálné umístění dat na SSD při každodenním používání
Pro ilustraci efektu práce garbage collectoru, v závislosti na režimu záznamu na disku, můžete provést nejjednodušší testy: sekvenční a náhodný zápis ve 4KB blocích na 100GB disk. (Zdroj – společnost )
Výkon sekvenčního zápisu
Výkon náhodného zápisu
Jak je patrné z testů, pokles výkonu může dosáhnout více než dvojnásobku. A to je jen jeden pohon. Při použití SSD jako součásti skupiny RAID se počet přepisovacích operací výrazně zvyšuje díky práci s paritou.
Obecně platí, že kvůli těmto vlastnostem provozu SSD pro ně existuje takový parametr, jako je zesílení zápisu. Toto je poměr množství dat zapsaných na disk k množství dat, které hostitel skutečně odeslal. A pro nejoblíbenější RAID5 je tento koeficient ~3.5.
Výsledkem je, že systémy s klasickým polem RAID v zásadě využívají SSD pouze ~ 10 % jejich skutečné rychlosti a špatně škálují výkon, když se počet disků zvýší na více než tucet.
Upozorňujeme také, že nadměrné operace zápisu nejen snižují výkon SSD, ale také snižují jeho daleko od nekonečných zdrojů, čímž zkracují životnost disku.
, který je jádrem všech produktů AccelStor, je přesně navržen jako alternativa ke klasickým RAID algoritmům při práci s SSD. Inovativnost technologie je zaznamenána jak různými patenty a oceněními (včetně na Flash Memory Summit 2016), tak výsledky nezávislých testů (například SPC1).
Srdce spočívá v převodu všech příchozích požadavků na zápis, převážně náhodného typu, do sady bloků, která je z hlediska mechaniky co nejpodobnější režimu sekvenčního zápisu. Díky tomu probíhá záznam na SSD v pro ně nejpohodlnějším režimu a výsledný výkon předčí jakýkoli systém s klasickým RAID.
Všechny SSD v systémech AccelStor jsou rozděleny do dvou symetrických skupin FlexiRemap®. Velikost skupiny závisí na modelu a pohybuje se od 5 do 11 jednotek. Pro odolnost proti chybám v rámci skupiny se používá parita podobně jako RAID5. Obě skupiny slouží společně k vytvoření společného úložného prostoru. Proto bude výsledná odolnost proti chybám podobná jako u pole RAID50 sestávajícího ze dvou skupin: systém odolá výpadku až dvou SSD, ale ne více než jednoho v každé skupině FlexiRemap®.
Všechny příchozí požadavky na zápis jsou rozděleny do 4KB bloků, které jsou zapisovány v kruhovém režimu do obou skupin FlexiRemap®. Systém přitom neustále sleduje poptávku po nahraných blocích a snaží se podobné bloky při změně zaznamenat co nejblíže k sobě. Ukazuje se, že jde o virtuální analogii sdílení, pokud je vyjádřeno z hlediska úložných systémů. V tomto případě je práce sběrače odpadků značně usnadněna: koneckonců nepoužité bloky budou vždy poblíž.
Je třeba poznamenat, že Na rozdíl od konkurenčních produktů nevyužívají funkcionalitu ukládání příchozích požadavků do paměti RAM řadiče. Všechny příchozí datové bloky jsou okamžitě zapsány na SSD. Hostitel obdrží potvrzení o úspěšném nahrávání až poté, co jsou data fyzicky umístěna na disky. RAM ukládá na SSD pouze tabulky umístění bloků, aby se urychlil přístup a určilo, kam se má zapsat další blok dat. Z důvodu spolehlivosti jsou kopie těchto tabulek samozřejmě umístěny na samotných médiích. Výsledkem je, že systémy AccelStor nevyžadují žádnou ochranu mezipaměti ve formě baterie/kondenzátoru (schopnost komunikace s UPS je však dostupná pro „měkké“ vypnutí v případě problémů s napájením).
Díky tomuto přístupu k organizaci nahrávání je garbage collector skutečně schopen pracovat na pozadí bez výrazného ovlivnění rychlosti disků, což v konečném důsledku umožňuje využít až 90 % výkonu SSD v rámci systému. To je přesně důvod vysokých rychlostí IOPS v systémech AccelStor ve srovnání s All Flash, které jsou založeny na algoritmech RAID.
Další důležitou vlastností technologie FlexiRemap® je výrazné snížení redundantních zápisů na SSD disky. Faktor zesílení zápisu pro systémy AccelStor je tedy pouze 1.3, což v překladu do běžného jazyka znamená zvýšení životnosti disků oproti RAID5 více než 2.5krát!
Díky neustálému monitorování zásad umisťování dat na SSD systémem se všechny disky opotřebovávají stejně. Tento přístup umožňuje předvídat jejich životnost a předem poslat správci signál o vyčerpání zdroje záznamu.
Je jasné, že SSD mohou selhat. V takovém případě systém okamžitě zahájí přestavbu na jeden z horkých náhradních disků. To způsobí, že se skupina FlexiRemap® v degradovaném stavu stane pouze pro čtení a všechny požadavky na zápis jsou směrovány do druhé skupiny. Tento ochranný mechanismus slouží k urychlení operace přestavby a snížení pravděpodobnosti selhání jiného disku ve stejné skupině. Není žádným tajemstvím, že během přestavby dochází u všech disků ve skupině ke zvýšené zátěži v důsledku rušení operací čtení, zápisu a obnovy na horké zálohě. Tím se zvyšuje pravděpodobnost dalšího selhání disku. A čím více operací zápisu, tím déle bude přestavba trvat.
Jakmile je proces opravy dokončen a skupina FlexiRemap® se vrátí do normálu, dojde k mírnému zkreslení v zdroji zápisu mezi těmito dvěma skupinami. Proto, aby se to zarovnalo, budou následné operace zápisu častěji dopadat na obnovenou skupinu (samozřejmě tak, aby konečný výkon systému příliš neutrpěl).
Není možné zvýšit výkon všech Flash systémů založených na algoritmech RAID nad určité hodnoty (~280K IOPS@4K náhodný zápis) ani při použití složitých systémů mezipaměti. Technologie FlexiRemap® díky zcela odlišnému přístupu k organizaci úložného prostoru tuto bariéru nejen snadno překonává, ale zároveň několikanásobně zvyšuje životnost SSD. Takže systémy mají vážné výhody mezi All Flash poli na mnoha frontách (IOPS/$, GB/$, TCO, ROI), díky čemuž jsou ideálními kandidáty na klíčové pozice v zákaznických datových centrech pro řešení úloh náročných na zdroje.
Zdroj: www.habr.com
