Ahoj Habr! V tomto článku se podíváme na to, zda má smysl vytvořit RAID pole na bázi pevných řešení SATA SSD a NVMe SSD, a zda z toho bude nějaký skutečný zisk. Rozhodli jsme se tento problém prozkoumat a zamysleli jsme se nad typy a druhy řadičů, které to umožňují, a oblasti použití těchto konfigurací.
Tak či onak, každý z nás alespoň jednou v životě slyšel takové pojmy jako „RAID“, „RAID pole“, „RAID řadič“, ale pravděpodobně tomu nevěnovali velkou pozornost, protože běžného uživatele PC to pravděpodobně nezajímá. Ale vysoké rychlosti z interních úložišť a jejich spolehlivá funkčnost chtějí všichni. Všechno, jak moc výkonný by počítač byl, rychlost práce úložiště se stává úzkým místem, pokud mluvíme o celkovém výkonu PC a serveru.
Tak to bylo až do okamžiku, kdy moderní NVMe SSD s porovnatelností kapacity 1 TB a více nahradily tradiční HDD. A pokud dříve bylo v PC běžné spojení SATA SSD + pár kapacitních HDD, dnes je začíná nahrazovat jiné řešení — NVMe SSD + pár kapacitních SATA SSD. Pokud mluvíme o podnikovým serverech a „cloudech“, mnozí už úspěšně přešli na SATA SSD, jednoduše proto, že jsou rychlejší než běžné „disky“ a dokážou zpracovávat více vstupně/výstupních operací současně.
Nicméně spolehlivost systému je stále na dost nízké úrovni: nemůžeme, jako ve „Bitvě jasnovidců“, předpovědět s přesností ani týdne, kdy daný pevný disk přestane fungovat. A pokud HDD „umírají“ postupně, což nám umožňuje zachytit příznaky a přijmout opatření, SSD „umírají“ okamžitě a bez varování. A nyní je čas se zamyslet, proč je to všechno potřeba? Má smysl organizovat RAID pole na bázi pevných řešení SATA SSD a NVMe SSD, a bude z toho nějaký skutečný zisk?
K čemu je RAID pole?
Samotné slovo "políčko" naznačuje, že pro jeho vytvoření je použito více úložišť (HDD a SSD), které jsou spojeny pomocí RAID řadiče a rozpoznávány operačním systémem jako jednotné úložiště dat. Hlavním úkolem, který RAID políčka umožňují řešit, je minimalizace času přístupu k datům, zvýšení rychlosti čtení/zápisu a spolehlivosti, což je dosaženo díky možnosti rychlé obnovy v případě selhání. Mimochodem, pro domácí zálohy není RAID vůbec nezbytný. Pokud však máte svůj domácí server, k němuž je potřebný stálý přístup 24/7 — to je již jiná záležitost.
Existuje více než deset úrovní RAID políček, z nichž každá se liší počtem použitých úložišť a má své výhody a nevýhody: například RAID 0 umožňuje dosáhnout vysokého výkonu bez odolnosti vůči poruchám, RAID 1 — nastavit automatické zrcadlení dat bez zvýšení rychlosti, a RAID 10 spojuje možnosti výše uvedeného. RAID 0 a 1 jsou nejjednodušší (protože nevyžadují provádění softwarových výpočtů) a tím pádem — nejpopulárnější. Nakonec výběr té či oné úrovně RAID závisí na úkolech, které jsou kladeny na diskové pole, a na možnostech RAID řadiče.
Domácí a firemní RAID: jaký je rozdíl?
Základem jakéhokoli moderního podnikání jsou velké objemy dat, která musí být spolehlivě ukládána na serverech společností. A jak jsme již zmínili výše, musí být zajištěn stálý přístup 24/7. Je jasné, že vedle "hardware" je důležitá i softwarová část, ale v tomto případě mluvíme především o zařízení, které zajišťuje spolehlivé ukládání a zpracování informací. Žádný software nezachrání firmu před zkástom, pokud "hardwarové" vybavení neodpovídá úkolům, které jsou na něj kladeny.
Pro tyto úkoly každý výrobce "hardware" nabízí takzvaná firemní zařízení. U Kingstonu jsou to výkonná pevná řešení v podobě SATA modelů. a , a také NVMe modely DC1000M U.2 NVMe, DCU1000 U.2 NVMe a DCP-1000 PCI-e, určené pro použití v datových centrech a superpočítačích. Pole z takových disků se obvykle používají v kombinaci s hardwarovými kontrolery.
Na spotřebitelském trhu (tedy pro domácí PC a NAS servery) jsou k dispozici takové disky jako NVMe PCIe, ale v tomto případě není nutné kupovat hardwarový kontroler. Můžete se omezit na ten, který je vestavěný na základní desce PC nebo NAS serveru, pokud samozřejmě nechcete sestavit domácí server pro netypické úkoly (například pro zřízení malého domácího hostingu pro přátele). Kromě toho domácí RAID pole obvykle nepředpokládají, že budou mít stovky a tisíce disků, ale omezují se na dvě, čtyři a osm zařízení (častěji SATA).
Typy RAID kontrolerů
Existují tři typy RAID kontrolerů, které jsou založeny na principech implementace RAID polí:
1. Softwarové, kde správa pole leží na CPU a DRAM (to znamená, že provádění programového kódu probíhá na procesoru).
2. Integrované, tedy vestavěné na základní desky PC nebo NAS servery.
3. Hardwarové (modulární), představující samostatné rozšiřující desky pro sloty PCI/PCIe systémových desek.
Jaký je jejich zásadní rozdíl? Softwarové RAID kontrolery zaostávají za integrovanými a hardwarovými z hlediska výkonu a odolnosti proti chybám, ale nevyžadují speciální hardware pro práci. Je však důležité zajistit, že procesor hostitelského systému je dostatečně silný na spuštění RAID softwaru, aniž by to negativně ovlivnilo výkon aplikací, které také běží na hostiteli. Integrované kontrolery jsou obvykle vybaveny vlastní cache pamětí a využívají určité množství CPU zdrojů.
Hardwarové řadiče mají vlastní mezipaměť a vestavěný procesor pro provádění programových algoritmů. Obvykle umožňují realizaci všech typů RAID polí a podporují několik typů úložných zařízení. Například moderní hardwarové řadiče od společnosti Broadcom umožňují současné připojení SATA, SAS a NVMe zařízení, což znamená, že při upgradu serverů není třeba měnit řadič: konkrétně při přechodu ze SATA SSD na NVMe SSD není nutné měnit řadiče.
Na této poznámce se dostáváme k typologii samotných řadičů. Pokud existují tří režimové, musí existovat i další? V tomto případě bude odpověď na tuto otázku kladná. V závislosti na funkcích a možnostech lze RAID řadiče rozdělit do několika typů:
1. Běžné řadiče s funkcí RAID
V rámci celé hierarchie je to nejjednodušší řadič, který umožňuje spojení HDD a SSD do RAID polí úrovně "0", "1" nebo "0+1". Programově je to realizováno na úrovni firmwaru. Nicméně, taková zařízení lze stěží doporučit pro použití v podnikové sféře, neboť postrádají mezipaměť a nepodporují pole úrovně "5", "3" atd. Ale pro domácí server základní úrovně jsou naprosto vyhovující.
2. Řadiče pracující v páru s jinými RAID řadiči
Tento typ řadičů může pracovat v páru se integrovanými řadiči základních desek. To je realizováno následujícím způsobem: diskrétní RAID řadič se ujímá řešení "logických" úloh, zatímco vestavěný se stará o výměnu dat mezi úložnými zařízeními. Ale je tu nuance: paralelní provoz těchto řadičů je možný pouze na kompatibilních základních deskách, což vážně omezuje jejich využití.
3. Samostatné RAID řadiče
Tato diskrétní řešení obsahují všechny potřebné čipy pro práci se servery podnikové třídy, disponují vlastním BIOSem, mezipamětí a procesorem pro rychlou opravu chyb a výpočty kontrolních součtů. Kromě toho splňují vysoké standardy spolehlivosti v oblasti výroby a mají vysoce kvalitní moduly paměti.
4. Externí RAID řadiče
Není těžké uhodnout, že všechny výše uvedené řadiče jsou interní a napájí se přes konektor PCIe základní desky. Co to znamená? To, že selhání základní desky může vést k chybám v provozu RAID pole a ztrátě dat. Externí řadiče jsou tohoto problému zbaveny, protože jsou umístěny ve vyhrazené skříni s nezávislým zdrojem napájení. Z hlediska spolehlivosti tyto řadiče zajišťují nejvyšší úroveň ukládání dat.
, Microsemi Adaptec, Intel, IBM, Dell a Cisco jsou jen některé z firem, které dnes nabízejí hardwarové RAID řadiče.
Režimy provozu RAID řadičů SAS/SATA/NVMe
Hlavním úkolem tří režimových HBA a RAID řadičů (nebo řadičů s funkcí Tri-Mode) je vytváření hardwarového RAID systému na bázi NVMe. Společnost Broadcom to umí dělat pomocí řadičů série 9400: například, . Patří mezi samostatné typy RAID řadičů, disponuje čtyřmi konektory SFF-8643 a díky podpoře Tri-Mode umožňuje připojení SATA/SAS a NVMe úložišť současně. Kromě toho je to jeden z nejenergičtějších řadičů na trhu (spotřebovává pouze 17 Wattů energie, přičemž méně než 1,1 Watt na každý z 16 portů).
Připojovací rozhraní je PCI Express x8 verze 3.1, což umožňuje realizaci propustnosti na úrovni 64 Gb/s (v roce 2020 se očekává příchod řadičů pro PCI Express 4.0). Základem 16portového řadiče je dvoujádrový čip a 72bitová DDR4-2133 SDRAM (4 GB), a také je implementována možnost připojení až 240 SATA/SAS úložišť nebo až 24 NVMe zařízení. Z hlediska organizace RAID polí podporuje úrovně "0", "1", "5" a "6", stejně jako "10", "50" a "60". Mimochodem, vyrovnávací paměť a ostatních řadičů v sérii 9400 je chráněna před napěťovými výpadky dodatečným modulem CacheVault CVPM05.
V základu třírežimové technologie spočívá funkce transformace dat SerDes: přeměna sekvenčního zobrazení dat v rozhraních SAS/SATA na paralelní formu v PCIe NVMe a naopak. To znamená, že řadič synchronizuje rychlosti a protokoly, aby bezproblémově pracoval s kterýmkoli ze tří typů zařízení pro ukládání dat. To zajišťuje plynulý způsob škálování infrastruktur datových center: uživatelé mohou používat NVMe bez zásadních změn v jiných konfiguracích systému.
Při plánování konfigurací s NVMe úložnými zařízeními by se mělo brát v úvahu, že NVMe řešení využívají pro připojení 4 linky PCIe, a to znamená, že každý disk využívá všechny linky portů SFF-8643. To znamená, že přímo k řadiči MegaRAID 9460-16i lze připojit pouze čtyři NVMe disky. Nebo se omezit na dvě NVMe řešení při současném připojení osmi SAS disků (viz schéma připojení níže).
Na obrázku je znázorněno použití konektoru „0“ (C0 / Konektor 0) a konektoru „1“ pro připojení NVMe, stejně jako konektorů „2“ a „3“ pro připojení SAS. Toto uspořádání může být změněno na opačné, ale každý disk x4 NVMe musí být připojen pomocí sousedních linek. Režimy práce řadiče se nastavují prostřednictvím konfiguračních nástrojů StorCLI nebo Human Interface Infrastructure (HII), která pracuje v prostředí UEFI.
Výchozí režim je profil „PD64“ (podpora pouze SAS / SATA). Jak jsme již zmínili, existují celkem tři profily: režim „SAS/SATA only mode“ (PD240 / PD64 / PD 16), režim „NVMe only mode“ (PCIe4) a smíšený režim, ve kterém mohou pracovat všechny typy disků: „PD64-PCIe4“ (podpora 64 fyzických a virtuálních disků se 4 NVMe disky). Ve smíšeném režimu musí být nastavená hodnota profilu nastavena na „ProfileID=13“. Vybraný profil je navíc uchováván jako vedoucí a není resetován ani při návratu na tovární nastavení pomocí příkazu Set Factory Defaults. Je možné jej změnit pouze ručně.
Má smysl vytvářet RAID pole na SSD?
Tak, již jsme pochopili, že RAID pole jsou zárukou vysokého výkonu. Ale má smysl skládat RAID z SSD pro domácí a podnikové použití? Mnozí skeptici tvrdí, že nárůst rychlosti není tak podstatný, aby stálo za to investovat do NVMe úložišť. Je to ale skutečně tak? Těžko. Největším omezením použití SSD v RAID (jak v domácím prostředí, tak v podniku) může být pouze cena. Nezapomínejme, že cena za gigabajt prostoru na HDD je výrazně levnější.
Připojení několika SSD k RAID kontroléru za účelem vytvoření pole SSD v určitých konfiguracích může mít obrovský dopad na výkon. Je však třeba mít na paměti, že maximální výkon je omezen propustností samotného RAID kontroléru. RAID úroveň, která nabízí nejlepší rychlost, je RAID 0.
Organizace běžného RAID 0 se dvěma SSD diskem, kde se používá metoda rozdělování dat na pevné bloky a jejich střídání mezi SSD úložišti, povede k zdvojnásobení výkonu (ve srovnání s rychlostmi, které dosahuje jeden SSD). RAID 0 se čtyřmi SSD disky bude čtyřikrát rychlejší než nejpomalejší SSD v poli (v závislosti na omezení propustnosti na úrovni RAID kontroléru SSD).
Pokud vycházíme z jednoduché aritmetiky, SATA SSD jsou přibližně 3krát rychlejší než tradiční SATA HDD. Řešení NVMe jsou ještě efektivnější - 10krát a více. Za předpokladu, že dva pevné disky v RAIDu nultého stupně vykážou zdvojnásobený výkon, zvyšujíc ho o 50 %, dva SATA SSD budou 6krát rychlejší a dva NVMe SSD dokonce 20krát rychlejší. Například jeden disk Kingston KC2000 NVMe PCIe může dosahovat sekvenčních rychlostí čtení a zápisu až 3200 MB/s, což v RAID 0 dosáhne působivých 6 GB/s. A rychlost čtení/zápisu náhodných bloků velikosti 4 kB vzroste z 350 000 IOPS na 700 000 IOPS. Ale... zároveň nám
Lze říci, že v domácím prostředí obvykle není potřeba redundantní úložiště, a proto je nejvhodnější konfigurací RAID pro SSD skutečně RAID 0. To je spolehlivý způsob, jak získat značné zlepšení výkonu jako alternativu k použití technologií jako jsou SSD na bázi Intel Optane. A jak si povedou SSD řešení v nejpopulárnějších typech RAID („1“, „5“, „10“, „50“) — o tom budeme hovořit v našem dalším materiálu.
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. .
Další informace o produktech Kingston naleznete společnost.
Zdroj: habr.com
