Ahoj Habr! V tomto článku vám řekneme, zda stojí za to organizovat pole RAID založená na SATA SSD a NVMe SSD solid-state řešení a bude z toho mít vážný zisk? Rozhodli jsme se na tento problém podívat s ohledem na typy a typy ovladačů, které to umožňují, a také na rozsah takových konfigurací.
Tak či onak, každý z nás alespoň jednou v životě slyšel takové definice jako „RAID“, „RAID-array“, „RAID-controller“, ale sotva tomu přikládal vážný význam, protože to vše je pro běžného člověka nepravděpodobné. PC boyar Zajímavé. Všichni ale chtějí vysoké rychlosti od interních disků a spolehlivost jejich práce. Koneckonců, bez ohledu na to, jak výkonné je plnění počítače, rychlost disku se stává úzkým hrdlem, pokud jde o kombinovanou rychlost počítače a serveru.
To bylo přesně do okamžiku, kdy byly tradiční HDD nahrazeny moderními NVMe SSD se srovnatelnou kapacitou 1 TB a více. A pokud dříve v PC byly častěji svazky SATA SSD + pár prostorných HDD, dnes je začíná nahrazovat jiné řešení - NVMe SSD + pár prostorných SATA SSD. Pokud jde o podnikové servery a cloud, mnoho z nich již úspěšně přešlo na SATA SSD, jednoduše proto, že jsou rychlejší než běžné plechovky a zvládnou více I/O současně.
Odolnost systému vůči chybám je však stále na poměrně nízké úrovni: nemůžeme, stejně jako v „Battle of Psychics“, předvídat s přesností až na týden, kdy ten či onen SSD na chvíli zemře. dlouho. A pokud HDD „umírají“ postupně, což vám umožní zachytit příznaky a jednat, pak SSD „umřou“ okamžitě a bez varování. A teď je čas přijít na to, proč je tohle všechno vůbec potřeba? Vyplatí se organizovat pole RAID založená na řešeních SATA SSD a NVMe SSD a bude z toho mít vážný zisk?
Proč potřebujete pole RAID?
Samotné slovo „pole“ již naznačuje, že k jeho vytvoření je použito několik disků (HDD a SSD), které jsou kombinovány pomocí řadiče RAID a rozpoznány operačním systémem jako jediné úložiště dat. Globálním úkolem, který mohou pole RAID vyřešit, je minimalizace doby přístupu k datům, zvýšení rychlosti čtení/zápisu a spolehlivosti, čehož je dosaženo díky schopnosti rychlé obnovy v případě selhání. Mimochodem, pro domácí zálohování není nutné používat RAID. Pokud ale máte vlastní domácí server, ke kterému potřebujete neustálý přístup 24/7, pak je to jiná věc.
Existuje více než tucet úrovní polí RAID, z nichž každá se liší počtem jednotek v ní použitých a má své klady a zápory: například RAID 0 vám umožní získat vysoký výkon bez odolnosti proti chybám, RAID 1 vám umožní nastavit automatické zrcadlení dat bez zvýšení rychlosti a RAID 10 kombinuje možnosti výše uvedeného. RAID 0 a 1 jsou nejjednodušší (protože nevyžadují softwarové výpočty) a v důsledku toho nejoblíbenější. Nakonec volba ve prospěch konkrétní úrovně RAID závisí na úkolech přiřazených diskovému poli a možnostech řadiče RAID.
Domácí a firemní RAID: jaký je rozdíl?
Základem každého moderního podnikání je velké množství dat, která musí být bezpečně uložena na firemních serverech. A přesto, jak jsme uvedli výše, musí jim být zajištěn nepřetržitý přístup 24/7. Je jasné, že spolu s hardwarem je důležitá i softwarová část, ale v tomto případě mluvíme o zařízení, které zajišťuje spolehlivé ukládání a zpracování informací. Žádný software nezachrání společnost před krachem, pokud „železné“ vybavení neodpovídá úkolům, které mu byly přiděleny.
Pro tyto úkoly nabízí jakýkoli výrobce hardwaru tzv. firemní zařízení. Kingston má výkonná polovodičová řešení tváří v tvář modelům SATA и , stejně jako modely DC1000M U.2 NVMe, DCU1000 U.2 NVMe a DCP-1000 PCI-e NVMe určené pro použití v datových centrech (centrech zpracování dat) a superpočítačích. Pole takových jednotek se obvykle používají ve spojení s hardwarovými řadiči.
Pro spotřebitelský trh (to znamená pro domácí PC a servery NAS) jsou k dispozici takové disky jako NVMe PCIe, ale v tomto případě není nutné dokupovat hardwarový řadič. Můžete se omezit na PC nebo NAS server zabudovaný v základní desce, pokud si samozřejmě neplánujete sestavit domácí server pro atypické úkoly sami (založit si například malý domácí hosting pro přátele). Kromě toho domácí pole RAID zpravidla neznamenají přítomnost stovek a tisíců jednotek a jsou omezeny na dvě, čtyři a osm zařízení (obvykle SATA).
Typy a typy řadičů RAID
Existují tři typy řadičů RAID založené na principech implementace polí RAID:
1. Software, ve kterém řízení pole spadá na CPU a DRAM (tj. provádění programového kódu probíhá na procesoru).
2. Integrovaný, to znamená zabudovaný do základních desek PC nebo NAS serveru.
3. Hardware (modulární), což jsou diskrétní rozšiřující desky pro sloty základní desky PCI/PCIe.
Jaký je jejich zásadní rozdíl od sebe navzájem? Softwarové řadiče RAID jsou horší než integrované a hardwarové řadiče RAID, pokud jde o výkon a odolnost proti chybám, ale pro provoz nevyžadují speciální hardware. Je však důležité zajistit, aby procesor hostitelského systému byl dostatečně výkonný, aby mohl spouštět software RAID, aniž by to negativně ovlivnilo výkon aplikací, které také běží na hostiteli. Integrované řadiče jsou zpravidla vybaveny vlastní mezipamětí a využívají určité množství prostředků CPU.
Ale hardwarové mají jak vlastní vyrovnávací paměť, tak integrovaný procesor pro spouštění softwarových algoritmů. Obvykle vám umožňují implementovat všechny druhy úrovní RAID a podporují několik typů disků najednou. Například zařízení SATA, SAS a NVMe lze současně připojit k moderním hardwarovým řadičům Broadcom, což vám umožňuje neměnit řadič při upgradu serverů: zejména při přechodu ze SATA SSD na NVMe SSD řadiče nemění je třeba změnit.
Vlastně se v této poznámce dostáváme k typologii samotných ovladačů. Pokud existují třírežimové, měly by existovat další? V tomto případě bude odpověď na tuto otázku kladná. V závislosti na funkcích a možnostech lze řadiče RAID rozdělit do několika typů:
1. Běžné řadiče s funkcí RAID
V celé hierarchii se jedná o nejjednodušší řadič, který umožňuje kombinovat HDD a SSD do polí RAID úrovní „0“, „1“ nebo „0 + 1“. Programově je to implementováno na úrovni firmwaru. Taková zařízení však lze stěží doporučit pro použití v podnikovém segmentu, protože postrádají mezipaměť a nepodporují pole úrovní „5“, „3“ atd. Ale pro domácí server základní úrovně jsou docela vhodné.
2. Řadiče spárované s jinými řadiči RAID
Tento typ ovladače lze spárovat s integrovanými ovladači základní desky. To je realizováno podle následujícího principu: diskrétní RAID řadič se stará o řešení „logických“ problémů a vestavěný přebírá funkce výměny dat mezi disky. Je tu však jedna nuance: paralelní provoz takových ovladačů je možný pouze na kompatibilních základních deskách, což znamená, že jejich rozsah použití je vážně omezen.
3. Nezávislé řadiče RAID
Tato diskrétní řešení obsahují všechny potřebné čipy pro práci se servery podnikové třídy, mají vlastní BIOS, mezipaměť a procesor pro rychlou opravu chyb a výpočty kontrolních součtů. Navíc splňují vysoké standardy spolehlivosti z hlediska výroby a mají vysoce kvalitní paměťové moduly.
4. Externí řadiče RAID
Není těžké uhodnout, že všechny výše uvedené řadiče jsou interní a jsou napájeny přes PCIe konektor základní desky. Co to říká? A že selhání základní desky může vést k chybám v provozu pole RAID a ztrátě dat. Externí ovladače jsou bez tohoto nedorozumění, protože jsou umístěny v samostatné skříni s nezávislým napájením. Z hlediska spolehlivosti poskytují tyto ovladače nejvyšší úroveň ukládání dat.
, Microsemi Adaptec, Intel, IBM, Dell a Cisco jsou jen některé ze společností, které v současnosti nabízejí hardwarové řadiče RAID.
Provozní režimy řadičů RAID SAS/SATA/NVMe
Primárním účelem třírežimových řadičů HBA a RAID (nebo řadičů s funkcí Tri-Mode) je vytvořit hardwarový RAID založený na NVMe. Ovladače Broadcom řady 9400 to umí: např. . Patří k nezávislému typu RAID řadičů, je vybaven čtyřmi konektory SFF-8643 a díky podpoře Tri-Mode umožňuje současné připojení SATA/SAS a NVMe disků. Kromě toho je to také jeden z energeticky nejúčinnějších ovladačů na trhu (spotřebovává pouze 17 wattů energie, zatímco na každý ze 1,1 portů spotřebuje méně než 16 wattu).
Rozhraní pro připojení je PCI Express x8 verze 3.1, které umožňuje šířku pásma 64 Gb/s (řadiče pro PCI Express 2020 se očekávají v roce 4.0). 16portový řadič je založen na 2jádrovém čipu a 72bitovou DDR4-2133 SDRAM (4 GB), stejně jako možnost připojit až 240 disků SATA / SAS nebo až 24 zařízení NVMe. Pokud jde o uspořádání polí RAID, jsou podporovány úrovně „0“, „1“, „5“ a „6“ a také „10“, „50“ a „60“. Mimochodem, mezipaměť a dalších ovladačů řady 9400 je chráněn před výpadky napájení volitelným modulem CacheVault CVPM05.
Technologie tri-mode je založena na funkci konverze dat SerDes: převod sériových dat v rozhraních SAS / SATA na paralelní formu v PCIe NVMe a naopak. To znamená, že řadič vyjednává rychlosti a protokoly, aby bezproblémově fungoval s jakýmkoli ze tří typů úložných zařízení. To poskytuje bezproblémový způsob škálování infrastruktur datových center: uživatelé mohou používat NVMe bez velkých změn v jiných konfiguracích systému.
Při plánování konfigurací s disky NVMe však stojí za zvážení, že řešení NVMe využívají k připojení 4 linky PCIe, což znamená, že každý disk využívá všechny porty SFF-8643. Ukazuje se, že přímo k řadiči MegaRAID 9460-16i lze připojit pouze čtyři disky NVMe. Nebo se omezte na dvě řešení NVMe a současně připojte osm disků SAS (viz schéma zapojení níže).
Obrázek ukazuje použití konektoru „0“ (C0 / konektor 0) a konektoru „1“ pro připojení NVMe, stejně jako konektory „2“ a „3“ pro připojení SAS. Toto uspořádání lze obrátit, ale každý disk x4 NVMe musí být připojen pomocí sousedních pruhů. Provozní režimy ovladače se nastavují pomocí konfiguračních nástrojů StorCLI nebo Human Interface Infrastructure (HII), které fungují v prostředí UEFI.
Výchozí režim je profil "PD64" (podporuje pouze SAS/SATA). Jak jsme řekli výše, existují celkem tři profily: „Režim pouze SAS / SATA“ (PD240 / PD64 / PD 16), „Pouze režim NVMe“ (PCIe4) a smíšený režim, ve kterém mohou pracovat všechny typy disků: „ PD64 -PCIe4" (podpora 64 fyzických a virtuálních disků se 4 jednotkami NVMe). Ve smíšeném režimu by hodnota zadaného profilu měla být následující - "ProfileID=13". Mimochodem, vybraný profil se uloží jako odkaz a neresetuje se, ani když se vrátíte zpět na tovární nastavení pomocí příkazu Set Factory Defaults. Lze jej změnit pouze ručně.
Mám vytvořit pole RAID na SSD?
Takže jsme již pochopili, že pole RAID jsou klíčem k vysokému výkonu. Vyplatí se ale SSD RAID pro domácí a firemní použití? Mnoho skeptiků tvrdí, že zvýšení rychlosti není tak výrazné, aby se na discích NVMe zhroutilo. Ale je tomu skutečně tak? Stěží. Největším omezením použití SSD v RAIDu (jak doma, tak na firemní úrovni) může být pouze cena. Ať se vám to líbí nebo ne, náklady na gigabajt místa na HDD jsou mnohem levnější.
Připojení více SSD „disků“ k řadiči RAID za účelem vytvoření pole SSD v určitých konfiguracích může mít obrovský dopad na výkon. Nezapomeňte však, že maximální výkon je limitován propustností samotného RAID řadiče. Úroveň RAID, která nabízí nejlepší výkon, je RAID 0.
Typické nastavení RAID 0 se dvěma SSD, které používá pevnou metodu blokování a prokládání mezi SSD, zdvojnásobí výkon (ve srovnání s rychlostmi jednoho SSD). Pole RAID 0 se čtyřmi SSD přitom již bude čtyřikrát rychlejší než nejpomalejší SSD v poli (v závislosti na limitu šířky pásma na úrovni řadiče SSD RAID).
Na základě jednoduché aritmetiky je SATA SSD asi 3x rychlejší než tradiční SATA HDD. Řešení NVMe jsou ještě efektivnější – 10krát i více. Za předpokladu, že dva pevné disky v úrovni RAID 50 zdvojnásobí výkon o 6 %, jsou dva SATA SSD 20krát rychlejší a dva NVMe SSD 2000krát rychlejší. Konkrétně jediný disk Kingston KC3200 NVMe PCIe může dosáhnout rychlosti sekvenčního čtení a zápisu až 0 MB/s, což ve formátu RAID 6 dosáhne působivých 4 GB/s. A rychlost čtení/zápisu náhodných bloků o velikosti 350 KB se změní z 000 700 IOPS na 000 XNUMX IOPS. Jenže... „nulový“ RAID nám zároveň neposkytuje redundanci.
Dá se říci, že doma redundance úložiště obvykle není vyžadována, takže nejvhodnější konfigurací RAID pro SSD se skutečně stává RAID 0. Jedná se o spolehlivý způsob, jak dosáhnout výrazného zvýšení výkonu jako alternativa k používání technologií, jako je Intel Optane- na bázi SSD. A zde je návod, jak se řešení SSD chovají v nejoblíbenějších typech RAID („1“, „5“, „10“, „50“) – promluvíme si v našem dalším článku.
Tento článek byl připraven s podporou našich kolegů z Broadcomu, kteří poskytují své řadiče inženýrům Kingston k testování s disky SATA/SAS/NVMe podnikové třídy. Díky této přátelské symbióze nemusí zákazníci pochybovat o spolehlivosti a stabilitě disků Kingston s HBA a RAID řadiči z výroby. .
Více informací o produktech Kingston naleznete společnost.
Zdroj: www.habr.com