Im haben wir bereits die Frage behandelt, ob „RAID auf SSD anwendbar ist“, am Beispiel von Kingston-Laufwerken, jedoch nur im Rahmen der Nullstufe. In diesem Artikel werden wir die Einsatzmöglichkeiten professioneller und privater NVMe-Lösungen in den beliebtesten RAID-Array-Typen untersuchen und über die Kompatibilität von Controllern berichten. mit Kingston-Laufwerken.
Warum ist RAID auf SSD notwendig?
Die Vorteile von Speicherarrays auf Basis von SSD gegenüber Speicherarrays auf Basis von Festplatten umfassen eine verkürzte Zugriffszeit auf die Daten auf dem Laufwerk sowie eine hervorragende Leistung bei Lese-/Schreibvorgängen. Für eine optimale RAID-Leistung auf Basis von SSD ist jedoch eine ideale Kombination von Prozessor, Cache sowie Software und Hardware erforderlich. Wenn all diese Faktoren perfekt zusammenarbeiten, kann ein RAID-Array aus SSDs die vergleichbare Konfiguration mit traditionellen HDDs erheblich übertreffen.
Typische SSDs verbrauchen weniger Energie als Festplatten. Daher kann das Zusammenfassen einer großen Anzahl von Solid-State-Disks in einem RAID-Array zu einer Energieeinsparung führen, die im Vergleich zu einem RAID-Array aus HDDs auch zu niedrigeren Kosten bei der Bezahlung von Unternehmensstromrechnungen führt.
Allerdings hat SSD RAID seine Einschränkungen und Nachteile: insbesondere den höheren Preis pro Gigabyte Speicherplatz im Vergleich zu Festplatten gleicher Kapazität. Zudem ist die Lebensdauer des Flash-Speichers auf eine bestimmte Anzahl von Wiederbeschreibungszyklen begrenzt. Das bedeutet, dass SSD-Laufwerke eine bestimmte Lebensdauer haben, die von der Nutzung abhängt: Je aktiver Informationen darauf überschrieben werden, desto schneller wird das Laufwerk ausfallen. Auf der anderen Seite haben unternehmensorientierte Solid-State-Laufwerke eine anständige Lebensdauer, die mit der von mechanischen Festplatten vergleichbar ist.
Wie sich SSD Kingston im RAID-Betrieb mit Broadcom-Controllern bewähren.
Mit dem Aufkommen von SSD-Laufwerken waren RAID-Konfigurationen mit vielen Nuancen verbunden. Dazu gehört auch die Verwendung weniger ausfallsicherer HDDs. Solid-State-Laufwerke sind erheblich zuverlässiger als ihre magnetischen Gegenstücke. Wie wir wissen, gibt es bei SSD-Lösungen keine beweglichen Teile, weshalb mechanische Schäden auf ein Minimum reduziert werden. Auch ein Ausfall von Solid-State-Laufwerken aufgrund von Spannungsstößen ist eher unwahrscheinlich, da in einem Heim-PC und jedem Server USVs, Netzfilter und sogar das Netzteil vorhanden sind, die einen Schutz bieten.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil von Solid-State-Laufwerken ist: Selbst wenn die Speichermodule abgenutzt sind, kann man dennoch Daten von ihnen lesen. Bei einem defekten Magnetlaufwerk sieht das leider anders aus.
Heute ist es durchaus gängige Praxis, SSD-Lösungen in RAID-Arrays unterschiedlicher Ebenen zu verwenden. Wichtig ist, die richtigen Solid-State-Laufwerke auszuwählen, deren Latenz minimal ist. Idealerweise sollten alle SSDs vom gleichen Hersteller und Modell stammen, um zu vermeiden, dass man eine Mischung aus Laufwerken hat, die verschiedene Lasttypen unterstützen und auf unterschiedlichen Speichermethoden, Controllern und anderen Technologien basieren. Das bedeutet, wenn wir uns entschieden haben, vier oder 16 NVMe-SSDs von Kingston für die RAID-Konfiguration zu erwerben, sollten sie besser alle aus derselben Serie und Modellreihe stammen.
Übrigens liegen Wir haben Controllers von Broadcom nicht ohne Grund als Beispiel genannt, wenn wir über NVMe-SSDs von Kingston gesprochen haben. Der Grund ist, dass in den Handbüchern für diese Geräte sofort die kompatiblen Laufwerke angegeben werden (einschließlich Lösungen des oben genannten amerikanischen SSD-Herstellers), mit denen der Controller problemlos funktioniert. Auf diese Informationen sollte man sich verlassen, wenn man die Kombination „Controller-SSD“ für RAID auswählt.
Wir analysieren die Funktionsweise der Kingston SSDs in den gängigsten RAID-Typen – „1“, „5“, „10“, „50“.
Der „Null“-RAID-Level bietet keine Datenredundanz, sondern erhöht lediglich die Leistung. RAID 0 bietet überhaupt keinen Datenschutz, weshalb wir es im Unternehmenssegment nicht betrachten werden. RAID 1 hingegen bietet vollständige Redundanz, hat jedoch nur einen bescheidenen Leistungszuwachs und sollte daher nur in Betracht gezogen werden, wenn die Leistungssteigerung bei der Erstellung eines RAID-Arrays aus SSDs kein entscheidender Faktor ist.
RAID 1 auf Basis von SSDs von Kingston und Broadcom-Controllern
Das RAID-Array der ersten Stufe auf Basis des Broadcom MegaRAID 9460-16i Controllers kombiniert zwei bis 32 Kingston-Speicherlaufwerke, die Kopien voneinander sind, und bietet vollständige Redundanz. Während bei herkömmlichen HDDs die Lese- und Schreibgeschwindigkeit auf dem Niveau der HDD blieb, erhalten wir mit NVMe-SSD-Lösungen einen zehnfachen Leistungszuwachs. Besonders bei der Zugriffszeit auf Daten. Beispielsweise erzielen wir mit zwei Kingston DC1000M U.2 NVMe SSDs in einem Server-RAID 1 350.000 IOPS beim Lesen von zufälligen Daten und 75.000 IOPS beim Schreiben.
In Bezug auf die sequenzielle Lesegeschwindigkeit entsprechen die Ergebnisse den Spezifikationen des Speichermediums – 3200 MB/s. Da jedoch beide NVMe SSDs in Betrieb sind, können Daten gleichzeitig von ihnen gelesen werden, was die Lesevorgänge ziemlich schnell macht. Die Schreibgeschwindigkeit (angegeben mit 2000 MB/s) wird jedoch langsamer sein, da jeder Schreibvorgang doppelt ausgeführt wird.
Das RAID 1-Array eignet sich ideal für kleine Datenbanken oder jede andere Umgebung, die Fehlertoleranz, aber nur geringe Kapazität erfordert. Das Spiegeln der Speichermedien ist besonders nützlich in Notfallszenarien (die Leistung wird dabei etwas beeinträchtigt), da es eine sofortige „Wiederherstellung“ wichtiger Daten ermöglicht, wenn eines der Laufwerke im Array ausfällt. Da dieses Schutzniveau jedoch eine Verdopplung der Kapazität für die Speicherung einer Spiegelkopie der Daten erfordert (für die Speicherung von 100 TB werden 200 TB Platz benötigt), werden in vielen Unternehmenssystemen wirtschaftlichere Speicheroptionen wie RAID 5 und RAID 6 verwendet.
RAID 5 auf Basis von SSDs von Kingston und Broadcom-Controllern
Für die Organisation eines RAID-5-Arrays benötigen wir mindestens drei Speicherlaufwerke, auf denen die Daten alternierend (zyklisch auf alle Laufwerke im Array geschrieben) gespeichert werden, jedoch nicht dupliziert sind. Bei ihrer Organisation sollte man deren komplexere Struktur berücksichtigen, da hier das Konzept der „Prüfziffer“ (oder „Parität“) eingeführt wird. Dieses Konzept bezieht sich auf die logische algebraische Funktion XOR (auch bekannt als exklusives „ODER“), die den Einsatz von mindestens drei Laufwerken im Array erfordert (maximal 32). Dabei werden die Paritätsinformationen auf alle „Disks“ im Array geschrieben.
Für ein Array aus vier Kingston DC500R SATA SSDs mit jeweils 3,84 TB Kapazität erhalten wir 11,52 TB Speicherplatz und 3,84 TB für Prüfziffern. Wenn wir hingegen 16 Kingston DC1000M U.2 NVMe-Laufwerke mit 7,68 TB zu einem RAID-5-Array zusammenfassen, erhalten wir 115,2 TB bei einem Verlust von 7,68 TB. Wie Sie sehen, desto mehr Laufwerke, desto besser. Dies gilt auch, weil je mehr Laufwerke im RAID 5 vorhanden sind, desto höher die Gesamttleistung bei Schreibvorgängen ist. Das sequenzielle Lesen erreicht dabei die Leistung eines RAID 0.
Die RAID 5-Gruppe von Laufwerken bietet hohe Durchsatzleistung (insbesondere für große Dateien) und Redundanz mit minimalem Leistungsverlust. Diese Art der Array-Organisation eignet sich am besten für Netzwerke, die viele kleine Ein- und Ausgabeoperationen (I/O) gleichzeitig ausführen. Es ist jedoch nicht ratsam, sie für Aufgaben zu verwenden, die eine große Anzahl an Schreibvorgängen für kleine oder sehr kleine Blöcke erfordern.
Es gibt noch einen weiteren Aspekt: Wenn eines der NVMe-Laufwerke ausfällt, wechselt RAID 5 in den Degradationsmodus, und der Ausfall eines weiteren Speichers kann kritisch für alle Daten werden. Bei einem Ausfall eines Laufwerks im Array verwendet der RAID-Controller die Paritätsinformationen, um alle fehlenden Daten wiederherzustellen.
RAID 10 basierend auf Kingston SSDs und Broadcom Controllern.
Also stellt RAID 0 einen doppelt so hohen Geschwindigkeits- und Zugriffszeitgewinn bereit, während RAID 1 für Zuverlässigkeit sorgt. Idealerweise würden wir sie kombinieren, und hierbei kommt RAID 10 (oder 1+0) ins Spiel. "Die Zehn" setzt sich aus vier SATA-SSD- oder NVMe-Laufwerken (maximal 32) zusammen und besteht aus "Spiegeln", wobei die Anzahl der Laufwerke stets ein Vielfaches von vier sein muss. Die Daten in diesem Array werden durch Aufteilung in feste Blöcke (wie bei RAID 0) und Abwechseln zwischen den Laufwerken geschrieben, wodurch Kopien zwischen den „Disks“ im RAID 1-Array verteilt werden. Dank der Möglichkeit des gleichzeitigen Zugriffs auf mehrere Laufwerksgruppen zeigt RAID 10 eine hohe Leistung.
Da RAID 10 in der Lage ist, Daten über mehrere Spiegelpaarungen zu verteilen, bedeutet dies, dass es den Ausfall eines Laufwerks in einem Paar tolerieren kann. Tritt jedoch der Ausfall beider Spiegelpaarungen (also aller vier Laufwerke) auf, kommt es unvermeidlich zu einem Datenverlust. Letztlich erhalten wir auch eine gute Ausfallsicherheit und Zuverlässigkeit. Es ist jedoch zu beachten, dass auch RAID 1 die Hälfte des gesamten Speichervolumens nutzt und somit eine kostspielige Lösung darstellt. Außerdem ist es auch komplex in der Konfiguration.
RAID 10 eignet sich für den Einsatz mit Datenspeichern, die eine 100-prozentige Redundanz von Gruppen spiegelnder Laufwerke sowie eine erhöhte I/O-Leistung von RAID 0 benötigen. Es ist die beste Lösung für mittelgroße Datenbanken oder jede Umgebung, die höhere Ausfallsicherheit als RAID 5 erfordert.
RAID 50 basierend auf Kingston SSDs und Broadcom Controllern
Ein kombiniertes Array, das RAID 10 ähnelt und ein Array der Stufe 0 darstellt, созданное из массивов пятого уровня. Wie im vorherigen Fall besteht das Hauptziel dieses Arrays darin, die doppelte Leistung bei gleichzeitiger Beibehaltung der Datensicherheit in RAID 5-Arrays zu erzielen. Bei diesem Ansatz bietet RAID 50 eine höhere Schreibleistung und besseren Datenschutz als das Standard-RAID 5 im Falle eines Laufwerksausfalls und ermöglicht außerdem eine schnellere Wiederherstellung im Falle eines Ausfalls eines der Laufwerke.
Die RAID 50-Gruppe verteilt Daten auf kleinere Blöcke und verteilt sie dann auf jedes RAID 5-Array. Die RAID 5-Gruppe teilt ebenfalls Daten in kleinere Blöcke, berechnet die Parität, führt eine logische OR-Operation für Blöcke durch und führt dann Schreiboperationen für Daten- und Paritätsblöcke auf jedem Laufwerk der Gruppe durch.
Und obwohl die Leistung bei einem Ausfall eines der Laufwerke unvermeidlich sinkt, ist dies nicht so gravierend wie bei einem RAID 5-Array, da ein Ausfall nur einen der Arrays betrifft, während der andere voll funktionsfähig bleibt. Tatsächlich kann RAID 50 bis zu acht HDD-/SSD-/NVMe-Laufwerksausfälle verkraften, wenn jeder ausgefallene „Datenträger“ sich in einem separaten RAID 5-Array befindet.
RAID 50 eignet sich am besten für Anwendungen, die hohe Zuverlässigkeit erfordern und eine große Anzahl von Anfragen bei gleichzeitig hoher Datenübertragungsrate und geringeren Kosten für die Laufwerke im Vergleich zu einem RAID 10-Array verarbeiten müssen. Da jedoch mindestens sechs Laufwerke erforderlich sind, um ein RAID 50-Array einzurichten, kann der Preis nicht vollständig als Faktor ausgeschlossen werden. Ein Nachteil von RAID 50 ist, dass, ähnlich wie bei RAID 5, ein komplexer Controller erforderlich ist: wie der im vorherigen Artikel von Broadcom.
Es ist auch bemerkenswert, dass RAID 50 weniger genutzten Speicherplatz hat als RAID 5, da Kapazitäten für Paritätsprüfungen reserviert werden. Dennoch hat es immer noch mehr nutzbaren Platz als andere RAID-Level, insbesondere die, die Spiegelung verwenden. Mit einem Minimum von sechs Laufwerken kann RAID 50 eine kostspielige Option sein, aber zusätzlicher Speicherplatz rechtfertigt die Kosten, da er Unternehmensdaten schützt. Dieser Typ von Array wird empfohlen für den Umgang mit Daten, die eine hohe Speichersicherheit, hohe Anfrageraten, hohe Übertragungsgeschwindigkeit und große Kapazität erfordern.
RAID 6 und RAID 60: die haben wir ebenfalls nicht vergessen.
Da wir über die Arrays der fünften und fünfzigsten Stufe gesprochen haben, wäre es ein Fehler, auch Typen wie RAID 6 und RAID 60 nicht zu erwähnen.
Die Leistung von RAID 6 ist ähnlich wie bei RAID 5, wobei jedoch mindestens zwei Laufwerke für die Paritätskontrolle verwendet werden. Dies ermöglicht es dem Array, den Ausfall von zwei Laufwerken ohne Datenverlust zu überstehen (bei RAID 5 ist so etwas äußerst unerwünscht). Dadurch wird eine höhere Zuverlässigkeit gewährleistet. Ansonsten funktioniert alles wie im Array der fünften Stufe: Bei einem Ausfall eines oder zweier Festplatten verwendet der RAID-Controller Paritätsblöcke, um die fehlenden Informationen wiederherzustellen. Bei einem Ausfall zweier Laufwerke erfolgt die Wiederherstellung nicht gleichzeitig: Zuerst wird das erste Laufwerk reanimiert, dann das zweite. Damit werden zwei Datenwiederherstellungsoperationen durchgeführt.
Es liegt auf der Hand, dass RAID 50 ein Null-Level-Array aus RAID-5-Arrays darstellt, während RAID 60 ein Null-Level-Array aus RAID-6-Arrays ist, über die wir gerade gesprochen haben. Das heißt, eine solche Organisation des RAID-Speichers ermöglicht es, den Verlust von zwei SSDs in jeder RAID-6-Laufwerksgruppe zu überstehen. Das Funktionsprinzip ähnelt dem, über das wir im Abschnitt über RAID 50 gesprochen haben, aber die Anzahl der Ausfälle, die ein RAID-60-Array aushalten kann, steigt von 8 auf 16 Laufwerke. Solche Arrays werden normalerweise für die Online-Betreuung von Kunden verwendet, die hohe Ausfallsicherheit erfordert.
Zusammenfassend:
Obwohl das Mirroring eine höhere Ausfallsicherheit bietet als RAID 50/60, benötigt es auch deutlich mehr Speicherplatz. Da die Datenmenge verdoppelt wird, erhalten Sie tatsächlich nur 50 % der Gesamtkapazität der im Server installierten Laufwerke zur Speicherung und Aufzeichnung von Informationen. Die Wahl zwischen RAID 50/60 und RAID 10 wird wahrscheinlich von den verfügbaren Budgets, der Serverkapazität und Ihren Anforderungen an den Datenschutz abhängen. Dabei spielt der Preis eine wichtige Rolle, wenn wir über SSD-Lösungen (sowohl im Unternehmens- als auch im Verbraucherbereich) sprechen.
Es ist nicht weniger wichtig, dass wir nun genau wissen, dass RAID auf der Basis von SSDs eine durchaus sichere Lösung und gängige Praxis für moderne Unternehmen ist. Auch im privaten Bereich gibt es einen Grund, auf NVMe umzusteigen, wenn die Budgets dies zulassen. Und wenn Sie sich noch fragen, warum das alles nötig ist, kehren Sie zu Beginn des Artikels zurück – wir haben bereits ausführlich darauf geantwortet.
Dieser Artikel wurde mit Unterstützung unserer Kollegen von Broadcom erstellt, die ihre Controller Ingenieuren von Kingston zur Verfügung stellen, um Tests mit SATA/SAS/NVMe Enterprise-Class-Laufwerken durchzuführen. Dank dieser freundschaftlichen Symbiose müssen die Kunden nicht an der Zuverlässigkeit und Stabilität der Kingston-Laufwerke in Kombination mit HBA- und RAID-Controllern zweifeln. .
Zusätzliche Informationen zu den Produkten von Kingston finden Sie auf der Firma.
Quelle: habr.com
