I har vi allerede set på spørgsmålet om "Er RAID anvendeligt på SSD" med fokus på Kingston-drev, men det blev kun gjort på et grundlæggende niveau. I denne artikel vil vi gennemgå mulighederne for brug af professionelle og hjemme-NVMe-løsninger i de mest populære typer af RAID-arrays og fortælle om kompatibiliteten af controllere. med Kingston-drev.
Hvorfor er RAID nødvendigt på SSD?
Fordelene ved lagersystemer baseret på SSD i forhold til lagersystemer med hårde diske inkluderer reduceret adgangstid til data og fremragende ydeevne ved læse-/skriveoperationer. For at RAID baseret på SSD skal yde optimalt, kræves der en optimal kombination af processor, cache, software og hardware. Når alle disse faktorer arbejder perfekt sammen, kan et SSD RAID-array betydeligt overgå en sammenlignelig konfiguration med traditionelle HDD'er.
En typisk SSD forbruger mindre energi end hårde diske, så når man kombinerer et stort antal solid-state drev i et RAID-array, kan energibesparelserne i forhold til et RAID-array af HDD'er også føre til lavere omkostninger på virksomhedens elregninger.
Selvom SSD RAID har sine begrænsninger og ulemper: især den højere pris pr. gigabyte plads sammenlignet med hårde diske af tilsvarende kapacitet. Og levetiden for flashhukommelse er begrænset af et bestemt antal omskrivningscykler. Det vil sige, at SSD-drev har en bestemt levetid, der afhænger af anvendelsen: jo mere information der omskrives, jo hurtigere vil drevet fejle. Til gengæld har enterprise solid-state drev en anstændig levetid, der er sammenlignelig med mekaniske harddiske.
Hvordan klarer SSD Kingston sig i RAID med Broadcom-controllere
Da SSD-diskene først dukkede op, havde RAID-konfigurationerne mange nuancer. Blandt andet på grund af brugen af mindre pålidelige HDD-diske. Solid state-diskene er meget mere pålidelige end deres magnetiske kolleger. Som vi ved, er der ingen bevægelige dele i SSD-løsninger, hvilket betyder, at mekaniske skader er reduceret til nul. Det er også usandsynligt, at solid state-diskene fejler på grund af spændingsstød, da din hjemme-pc og enhver server beskyttes af UPS, netfilter og endda strømforsyning.
Derudover har solid state-diskene endnu en væsentlig fordel: selv hvis hukommelsescellerne slides ved skrivning, kan data stadig læses fra dem, mens det desværre ikke er muligt ved skader på en magnetdisk.
I dag er det meget almindeligt at bruge SSD-løsninger i RAID-arrays af forskellige niveauer. Det vigtigste er at vælge de rigtige solid state-diske med minimal latenstid. Ideelt set bør SSD'erne være fra samme producent og model, så der ikke opstår en blanding af diske, der understøtter forskellige typer belastninger og er bygget på forskellige typer hukommelse, controllere og andre teknologier. Med andre ord, hvis vi har besluttet os for at købe fire eller 16 NVMe SSD'er fra Kingston til at oprette et RAID-array, så lad dem hellere være fra den samme serie og modelrække.
For at nævne noget, i vi nævnte ikke uden grund Broadcom-controllere, da vi talte om NVMe SSD'er fra Kingston. Faktisk angives kompatible diske (herunder løsninger fra den ovennævnte amerikanske SSD-producent) i manualerne til disse enheder, som controllere vil arbejde uden problemer med. Denne information skal man stole på ved valg af 'controller-SSD' til RAID.
Vi analyserer, hvordan SSD'er fra Kingston fungerer i de mest populære typer af RAID – “1”, “5”, “10”, “50”
Således giver "niveau nul" RAID ikke datarædsel, men øger kun ydeevnen. RAID 0 tilbyder overhovedet ikke databeskyttelse, så vi vil ikke overveje det inden for den erhvervsmæssige sektor. RAID 1, på den anden side, giver fuld redundans, men kun en beskeden stigning i ydeevnen, og derfor bør det overvejes, hvis forbedring af ydeevnen ikke er den primære faktor ved oprettelsen af et RAID-array med SSD'er.
RAID 1 baseret på SSD Kingston og Broadcom-controllere
Således kombinerer RAID-arrayet på første niveau, baseret på Broadcom MegaRAID 9460-16i-controlleren, mellem to og 32 Kingston-lagringsenheder, der er kopier af hinanden, og sikrer fuld redundans. Hvis læsning og skrivning af data med traditionelle HDD'er forblev på niveau med HDD'ens hastighed, får vi med NVMe SSD-løsninger en ti gange forbedring i ydeevnen, især med hensyn til adgangstid til data. For eksempel, med to Kingston DC1000M U.2 NVMe SSD'er i serverens RAID 1, vil vi opnå 350.000 IOPS ved læsning af tilfældige data og 75.000 IOPS ved skrivning.
Med hensyn til sekventiel læsehastighed vil resultaterne svare til lagringsenhedens specifikationer — 3200 MB/s. Men da begge NVMe SSD'er er i drift, kan data læses fra dem samtidigt, hvilket gør læseoperationer ret hurtige. Skrivehastigheden (den specificerede er 2000 MB/s) vil dog være langsommere, fordi hver skriveoperation udføres to gange.
RAID 1-arrayet er perfekt til små databaser eller ethvert andet miljø, der kræver fejltolerance men har lille kapacitet. Spejling af lagringsenheder er særligt nyttig i katastrofegenopretningsscenarier (hvor ydeevnen dog bliver en smule reduceret), da det sikrer øjeblikkelig "genoplivning" af vigtige data, hvis en af lagringsenhederne i arrayet svigter. Men da dette beskyttelsesniveau kræver fordobling af kapaciteten til opbevaring af spejlkopien af data (til opbevaring af 100 TB kræves 200 TB plads), anvendes mere økonomiske lagerløsninger i mange erhvervssystemer: RAID 5 og RAID 6.
RAID 5 baseret på SSD Kingston og Broadcom-controllere
For setting up a RAID level 5 array, we need at least three drives where the data alternates (cyclically written across all drives in the array) but is not duplicated. When organizing them, one must consider their more complicated structure, as there is a concept of 'parity' or 'checksum'. This term refers to the logical algebraic function XOR (exclusive OR), which dictates the use of at least three drives in the array (up to a maximum of 32). The parity information is written across all 'disks' in the array.
For an array of four Kingston DC500R SATA SSDs, each with a capacity of 3.84 TB, we will get 11.52 TB of space and 3.84 TB for checksums. And if we combine 16 Kingston DC1000M U.2 NVMe drives with a capacity of 7.68 TB in RAID level 5, we’ll achieve 115.2 TB with a loss of 7.68 TB. As you can see, the more drives, the better the result. It’s also better because the more drives in RAID 5, the higher the overall performance during write operations. Sequential reading will reach the level of RAID 0.
A RAID 5 disk group provides high throughput (especially for large files) and redundancy with minimal power loss. This type of array organization is best suited for networks that perform many small I/O operations simultaneously. However, it is not advisable to use it for tasks that require a large number of write operations of small blocks.
There’s also another nuance: if at least one of the NVMe drives fails, RAID 5 enters degradation mode, and the failure of another storage device can become critical for all data. In the event of a failure of one drive in the array, the RAID controller uses the parity information to reconstruct all the missing data.
RAID 10 based on Kingston SSDs and Broadcom controllers
RAID 0 giver os en dobbelt stigning i hastighed og adgangstid, mens RAID 1 sikrer pålidelighed. Ideelt set ville man kombinere dem, og her kommer RAID 10 (eller 1+0) ind i billedet. "Ti" opsættes med fire SATA SSD- eller NVMe-drev (maksimum – 32) og indebærer et array af "spejle", hvor antallet af drev altid skal være et multiplum af fire. Data i dette array skrives ved at opdeles i faste blokke (som i RAID 0) og alternere mellem drevene og distribuere kopier mellem "diskene" i RAID 1. Takket være muligheden for samtidig adgang til flere grupper af drev viser RAID 10 høj ydeevne.
Da RAID 10 er i stand til at distribuere data over flere spejlpar, betyder det, at det kan tåle fejl på et drev i et par. Men i tilfælde af fejl på begge spejlpar (dvs. på alle fire drev) vil der uundgåeligt ske datatab. Resultatet er også en god fejltolerance og pålidelighed. Det er dog værd at bemærke, at ligesom RAID 1, bruger ti niveau arrayet kun halvdelen af den samlede kapacitet, hvilket gør det til en dyr løsning. Det er også kompliceret at konfigurere.
RAID 10 er velegnet til datasystemer, der kræver 100 procent redundans af spejldiskgrupper samt øget ind- og uddata ydeevne som RAID 0. Det er den bedste løsning til middelstore databaser eller enhver miljø, der kræver højere fejltolerance end RAID 5.
RAID 50 baseret på Kingston SSD og Broadcom controllere
En kombination af array, der ligner RAID 10, som er et niveau 0 array dannet af niveau 5 arrays. Ligesom før er det primære mål for dette array at opnå fordoblet ydeevne mens pålideligheden i RAID 5 arrayene bevares. Desuden sikrer RAID 50 forbedret skriveydelse og bedre databeskyttelse end standard RAID 5 i tilfælde af drevfejl, samt hurtigere genopretning ved nedbrud af et af drevene.
RAID 50-diskegruppen opdeler data i mindre blokke og distribuerer dem på hver RAID 5-array. RAID 5-gruppen opdeler også data i mindre blokke, beregner paritet, udfører en logisk OR-operation for blokke og udfører derefter skriveoperationer for data- og paritetsblokke for hver disk i diskgruppen.
Og selvom ydeevnen uundgåeligt falder ved fejl på en af diske, er det ikke så kritisk som i en RAID 5-array, da en enkelt fejl kun påvirker en af arrayene og efterlader den anden fuldt funktionsdygtig. Faktisk kan RAID 50 modstå op til otte fejl fra HDD/SSD/NVMe-disk, hvis hver fejlende "disk" er i et separat RAID 5-array.
RAID 50 er bedst egnet til applikationer, der kræver høj pålidelighed og skal håndtere et stort antal forespørgsler, samtidig med at de opretholder høj dataoverførselshastighed og lavere omkostninger end i en RAID 10-array. Men da opsætningen af en RAID 50-array kræver mindst seks diske, kan omkostningerne ikke helt udelukkes som en faktor. En af ulemperne ved RAID 50 er, at, ligesom RAID 5, det kræver en kompleks controller: som den i den tidligere artikel fra Broadcom.
Det er også værd at bemærke, at RAID 50 har mindre brugt diskplads end RAID 5, på grund af afsætningen af kapacitet til opbevaring af paritetsoptegnelser. Alligevel har den stadig mere nyttig plads end andre RAID-niveauer, især dem der bruger spejling. Med et minimum krav på seks diske kan RAID 50 være en kostbar mulighed, men den ekstra diskplads retfærdiggør omkostningerne ved at beskytte virksomhedens data. Denne type array anbefales til behandling af data, der kræver høj lagringspålidelighed, høj forespørgselsfrekvens, høj overførselshastighed og stor kapacitet til opbevaring.
RAID 6 og RAID 60: dem har vi heller ikke glemt
Da vi har talt om femte og halvtreds niveau arrays, er det en skam ikke at nævne typerne af array-organisation som RAID 6 og RAID 60.
Ydelsen fra RAID 6 er lig med RAID 5, men her er der mindst to drev dedikeret til paritet, hvilket gør det muligt for arrayet at overleve nedbrud af to drev uden datatab (sådan en situation er ekstremt uønsket i RAID 5). Dette sikrer en højere pålidelighed. Ellers er alt det samme som i et array af den femte type: hvis der opstår fejl på et eller to drev, bruger RAID-controlleren paritetsblokke til at genskabe de manglende oplysninger. Ved nedbrud af to drev sker genopretningen ikke samtidig: først genoprettes det første drev, derefter det andet. På den måde udføres der to genoprettelsesoperationer.
Det er ikke svært at gætte, at hvis RAID 50 er et nul-niveau array af femte niveau arrays, så er RAID 60 et nul-niveau array af sjette niveau arrays, som vi netop har talt om. Med andre ord gør en sådan organisation af RAID-lagringen det muligt at overleve tabet af to SSD'er i hver RAID 6-drevgruppe. Funktionsprincipperne er de samme som dem, vi nævnte i afsnittet om RAID 50, men antallet af fejl, som det sekstende niveau-array kan tåle, stiger fra 8 til 16 drev. Normalt anvendes sådanne arrays til online-kundeservice, der kræver høj fejltolerance.
Lad os opsummere:
Selvom spejling tilbyder større fejltolerance end RAID 50/60, kræver det også meget mere plads. Da datamængden fordobles, får du faktisk kun 50% af den samlede kapacitet af de installerede drev i serveren til at skrive og opbevare oplysninger. Valget mellem RAID 50/60 og RAID 10 vil sandsynligvis afhænge af de tilgængelige budgetter, serverens kapacitet og dine behov for databeskyttelse. Her kommer omkostningerne i fokus, når vi taler om SSD-løsninger (både enterprise og forbrugerklasse).
Det er også vigtigt, at vi nu ved, at RAID baseret på SSD er en ganske sikker løsning og en normal praksis for moderne virksomheder. Også til hjemmebrug er der grund til at overveje at skifte til NVMe, hvis budgetterne tillader det. Og hvis du stadig har spørgsmål til, hvorfor dette er nødvendigt, så gå tilbage til begyndelsen af artiklen – vi har allerede besvaret det detaljeret.
Denne artikel er forberedt med støtte fra vores kolleger hos Broadcom, der leverer deres controllere til Kingston-ingeniører til test med SATA/SAS/NVMe enterprise-lagringsløsninger. Takket være dette venskabelige samarbejde kan kunderne være sikre på pålideligheden og stabiliteten af Kingston-lagringsløsninger med HBA- og RAID-controllere. .
For more information about Kingston products, visit the company.
Kilde: habr.com
