В Wir haben uns bereits mit der Frage „Werden wir RAID auf SSDs anwenden?“ am Beispiel von Kingston-Laufwerken befasst, dies jedoch nur innerhalb der Nullebene getan. Im aktuellen Artikel analysieren wir die Einsatzmöglichkeiten von professionellen und privaten NVMe-Lösungen in den gängigsten Arten von RAID-Arrays und sprechen über die Controller-Kompatibilität. mit Kingston-Laufwerken.
Warum braucht man RAID auf einer SSD?
Zu den Vorteilen von SSD-basierten Speicher-Arrays gegenüber HDD-Speicher-Arrays gehören schnellere Zugriffszeiten auf Daten auf dem Laufwerk und eine überlegene Lese-/Schreibleistung. Eine ideale SSD-basierte RAID-Leistung erfordert jedoch eine optimale Kombination aus Prozessor, Cache, Software und Hardware. Wenn alle diese Faktoren perfekt zusammenarbeiten, kann ein SSD-RAID eine vergleichbare Konfiguration mit herkömmlichen Festplatten deutlich übertreffen.
Eine typische SSD verbraucht weniger Strom als Festplatten. Wenn Sie also eine große Anzahl von SSDs in einem RAID-Array kombinieren, können sich die Energieeinsparungen im Vergleich zu einem HDD-RAID-Array auch in niedrigeren Kosten für die Energierechnung des Unternehmens niederschlagen.
SSD-RAID weist jedoch Einschränkungen und Nachteile auf, insbesondere den höheren Preis pro Gigabyte Speicherplatz im Vergleich zu Festplatten mit vergleichbarer Kapazität. Und die Zeit zwischen Flash-Speicherausfällen ist auf eine bestimmte Anzahl von Wiederschreibzyklen begrenzt. Das heißt, SSD-Laufwerke haben eine gewisse Lebensdauer, die vom Betrieb abhängt: Je mehr Informationen darauf überschrieben werden, desto schneller fällt das Laufwerk aus. Andererseits haben Enterprise-SSDs eine angemessene Lebensdauer, die mit mechanischen Festplatten vergleichbar ist.
Wie Kingston SSDs im RAID-Modus mit Broadcom-Controllern funktionieren
In den frühen Tagen der SSDs hatten RAID-Designs viele Nuancen. Auch aufgrund der Verwendung weniger fehlertoleranter Festplatten. Solid-State-Laufwerke sind wesentlich zuverlässiger als ihre auf Magnetplatten basierenden Gegenstücke. Wie wir wissen, gibt es in SSD-Lösungen keine beweglichen Teile, sodass mechanische Schäden auf null reduziert werden. Der Ausfall von Solid-State-Laufwerken aufgrund von Spannungsspitzen ist ebenfalls unwahrscheinlich, da Sie auf der Ebene eines Heim-PCs und eines beliebigen Servers durch USV, Überspannungsschutz und sogar ein Netzteil geschützt sind.
Gleichzeitig haben Solid-State-Laufwerke ein weiteres wesentliches Plus: Selbst wenn die Speicherzellen zum Schreiben abgenutzt sind, können Daten noch von ihnen gelesen werden, wenn jedoch die Magnetplatte beschädigt ist, leider.
Heutzutage ist es durchaus üblich, SSD-Lösungen in RAID-Verbänden unterschiedlicher Level einzusetzen. Die Hauptsache ist, die richtigen SSDs auszuwählen, deren Latenz minimal ist. Und im Idealfall verwenden Sie SSDs desselben Herstellers und desselben Modells, damit Sie nicht mit einem Sammelsurium an Laufwerken konfrontiert werden, die unterschiedliche Lastarten unterstützen und auf der Grundlage unterschiedlicher Speichertypen, Controller und anderer Technologien aufgebaut sind. Das heißt, wenn wir uns entscheiden, vier oder 16 NVMe-SSDs von Kingston zu kaufen, um ein RAID-Array zu erstellen, wäre es besser, wenn sie alle aus derselben Serie und Modellreihe stammen.
Übrigens drin Wir haben Broadcom-Controller nicht ohne Grund zitiert, als wir über NVMe-SSDs von Kingston sprachen. Tatsache ist, dass in den Handbüchern dieser Geräte sofort kompatible Laufwerke (einschließlich Lösungen des oben genannten amerikanischen SSD-Herstellers) vorgeschrieben sind, mit denen der Controller einwandfrei funktioniert. Diese Informationen sollten bei der Auswahl eines Controller-SSD-Pakets für RAID berücksichtigt werden.
Wir analysieren die Arbeit von SSD Kingston in den beliebtesten RAID-Typen – „1“, „5“, „10“, „50“.
Das RAID-Level „Null“ bietet also keine Datenredundanz, sondern erhöht nur die Leistung. Da RAID 0 keinerlei Datenschutz bietet, werden wir es im Unternehmenssegment nicht berücksichtigen. RAID 1 hingegen bietet vollständige Redundanz, aber nur bescheidene Leistungssteigerungen und sollte daher in Betracht gezogen werden, wenn Leistungssteigerungen beim Aufbau eines SSD-RAID-Arrays nicht im Vordergrund stehen.
RAID 1 basierend auf Kingston SSDs und Broadcom-Controllern
Das auf dem Broadcom MegaRAID 9460-16i-Controller basierende RAID-Array der ersten Ebene kombiniert also zwei bis 32 Kingston-Laufwerke, die Kopien voneinander sind, und bietet vollständige Redundanz. Wenn bei der Verwendung herkömmlicher Festplatten die Geschwindigkeit beim Schreiben und Lesen von Daten auf dem Niveau dieser Festplatte blieb, erzielen wir mit NVMe-SSD-Lösungen eine Leistungssteigerung um das Zehnfache. Vor allem im Hinblick auf die Datenzugriffszeit. Mit zwei Kingston DC1000M U.2 NVMe SSDs im Server-RAID 1 erhalten wir beispielsweise 350 zufällige Lese-IOPS und 000 Schreib-IOPS.
Bezüglich der sequentiellen Lesegeschwindigkeit stimmen die Ergebnisse mit den Eigenschaften des Laufwerks überein – 3200 MB/s. Da aber beide NVMe-SSDs funktionstüchtig sind, können Daten gleichzeitig von ihnen gelesen werden, was die Lesevorgänge recht schnell macht. Allerdings wird die Schreibgeschwindigkeit (angeblich 2000 MB/s) langsamer sein, da jeder Schreibvorgang zweimal ausgeführt wird.
RAID 1 ist ideal für kleine Datenbanken oder jede andere Umgebung, die Fehlertoleranz, aber geringe Kapazität erfordert. Die Laufwerksspiegelung ist besonders hilfreich in Disaster-Recovery-Szenarien (die Leistung nimmt leicht ab), da sie eine sofortige „Wiederbelebung“ wichtiger Daten ermöglicht, wenn eines der Laufwerke im Array ausfällt. Da dieses Schutzniveau jedoch eine Verdoppelung der Speicherkapazität der gespiegelten Daten erfordert (100 TB würden 200 TB Speicher erfordern), verwenden viele Unternehmenssysteme kostengünstigere Speicheroptionen: RAID 5 und RAID 6.
RAID 5 basierend auf Kingston SSDs und Broadcom-Controllern
Um ein RAID-Array der fünften Ebene zu organisieren, benötigen wir mindestens drei Laufwerke, deren Daten verschachtelt (zyklisch auf alle Laufwerke im Array geschrieben), aber nicht dupliziert werden. Bei der Organisation sollte man ihre komplexere Struktur berücksichtigen, da hier ein Konzept wie „Prüfsumme“ (oder „Parität“) auftaucht. Unter diesem Konzept versteht man die logische algebraische XOR-Funktion (auch Exklusiv-ODER genannt), die die Verwendung von mindestens drei Laufwerken im Array vorschreibt (maximal 32). In diesem Fall werden Paritätsinformationen auf alle „Festplatten“ im Array geschrieben.
Für ein Array aus vier Kingston DC500R SATA SSDs mit einer Kapazität von jeweils 3,84 TB erhalten wir 11,52 TB Speicherplatz und 3,84 für Prüfsummen. Und wenn Sie 16 Kingston DC1000M U.2 NVMe-Laufwerke mit einer Kapazität von 7,68 TB in einem Level-115,2-RAID kombinieren, erhalten wir 7,68 TB mit einem Verlust von 5 TB. Wie Sie sehen, gilt: Je mehr Laufwerke, desto besser. Es ist auch besser, denn je mehr Laufwerke in RAID 0 vorhanden sind, desto höher ist die Gesamtschreibleistung. Und das lineare Lesen erreicht das Niveau von RAID XNUMX.
Eine RAID-5-Festplattengruppe bietet hohen Durchsatz (insbesondere bei großen Dateien) und Redundanz bei minimalem Stromverlust. Diese Art der Array-Organisation eignet sich am besten für Netzwerke, die viele kleine Eingabe-/Ausgabeoperationen (I/O) gleichzeitig ausführen. Sie sollten es jedoch nicht für Aufgaben verwenden, die eine große Anzahl von Schreibvorgängen für kleine oder kleine Blöcke erfordern.
Es gibt noch eine Nuance: Fällt mindestens eines der NVMe-Laufwerke aus, wechselt RAID 5 in den Degradationsmodus und der Ausfall eines anderen Speichergeräts kann für alle Daten kritisch werden. Wenn ein Laufwerk im Array ausfällt, verwendet der RAID-Controller die Paritätsinformationen, um alle fehlenden Daten wiederherzustellen.
RAID 10 basierend auf Kingston SSDs und Broadcom-Controllern
RAID 0 bietet uns also eine zweifache Steigerung der Geschwindigkeit und Zugriffszeit, und RAID 1 sorgt für Zuverlässigkeit. Idealerweise würden sie kombiniert, und hier hilft RAID 10 (oder 1 + 0). „Zehn“ setzt sich aus vier SATA-SSD- oder NVMe-Laufwerken zusammen (maximal 32) und impliziert ein Array von „Spiegeln“, wobei die Anzahl der Laufwerke immer ein Vielfaches von vier sein muss. Die Daten in diesem Array werden mithilfe einer festen Blockpartitionierung (wie im Fall von RAID 0) und Striping zwischen Laufwerken geschrieben, wodurch Kopien auf die „Laufwerke“ in einem RAID 1-Array verteilt werden. Und mit der Möglichkeit, gleichzeitig auf mehrere Laufwerksgruppen zuzugreifen Gleichzeitig zeigt RAID 10 eine hohe Leistung.
Da RAID 10 in der Lage ist, Daten über mehrere gespiegelte Paare zu verteilen, bedeutet dies, dass es den Ausfall eines Laufwerks in einem Paar tolerieren kann. Wenn jedoch beide Spiegelpaare (also alle vier Laufwerke) ausfallen, ist ein Datenverlust unvermeidlich. Dadurch erhalten wir auch eine gute Fehlertoleranz und Zuverlässigkeit. Beachten Sie jedoch, dass das Array der zehnten Ebene wie RAID 1 nur die Hälfte der Gesamtkapazität nutzt und daher eine teure Lösung ist. Und auch schwierig einzurichten.
RAID 10 eignet sich für den Einsatz mit Data Warehouses, die 100 % Redundanz gespiegelter Festplattengruppen erfordern, sowie die erhöhte I/O-Leistung von RAID 0. Es ist die beste Lösung für mittelgroße Datenbanken oder jede Umgebung, die eine höhere Fehlertoleranz erfordert als RAID 5.
RAID 50 basierend auf Kingston SSDs und Broadcom-Controllern
Ein kombiniertes Array ähnlich dem Level-5-RAID, bei dem es sich um ein Level-50-Array handelt, das aus Level-5-Arrays aufgebaut ist. Nach wie vor besteht das Hauptziel dieses Arrays darin, die doppelte Leistung bei gleichzeitiger Wahrung der Datenzuverlässigkeit in RAID XNUMX-Arrays zu erreichen. Gleichzeitig bietet RAID XNUMX eine verbesserte Schreibleistung und einen besseren Datenschutz als Standard-RAID XNUMX im Falle eines Laufwerksausfalls und ermöglicht auch eine schnellere Wiederherstellung im Falle eines Ausfalls eines der Laufwerke.
Die RAID 50-Laufwerksgruppe teilt die Daten in kleinere Blöcke auf und verteilt sie dann auf jedes RAID 5-Array. Die RAID 5-Laufwerksgruppe wiederum teilt die Daten auch in kleinere Blöcke auf, berechnet die Parität, führt eine logische ODER-Operation an den Blöcken durch und führt dann Führt Datenblockschreib- und Paritätsvorgänge für jede Festplatte in der Festplattengruppe durch.
Auch wenn die Leistung zwangsläufig sinkt, wenn eines der Laufwerke ausfällt, ist dies nicht so schwerwiegend wie bei einem RAID 5-Array, da ein Ausfall nur eines der Arrays betrifft, während das andere voll funktionsfähig bleibt. Tatsächlich kann RAID 50 bis zu acht Ausfälle von Festplatten/SSDs/NVMe-Laufwerken überstehen, wenn sich jede ausgefallene „Festplatte“ in einem separaten RAID 5-Array befindet.
RAID 50 eignet sich am besten für Anwendungen, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern und eine große Anzahl von Anforderungen verarbeiten müssen, während gleichzeitig hohe Datenübertragungsraten und niedrigere Laufwerkskosten als RAID 10 aufrechterhalten werden müssen. Allerdings sind zum Einrichten eines RAID 50-Arrays mindestens sechs Laufwerke erforderlich , Kosten sind als Faktor nicht völlig ausgeschlossen. Ein Nachteil von RAID 50 besteht darin, dass es wie RAID 5 einen komplexen Controller benötigt: z im letzten Artikel von Broadcom.
Es ist auch erwähnenswert, dass RAID 50 aufgrund der Zuweisung von Kapazität für die Speicherung von Paritätsdatensätzen weniger Speicherplatz verbraucht als RAID 5. Es verfügt jedoch immer noch über mehr nutzbaren Speicherplatz als andere RAID-Level, insbesondere solche, die Spiegelung verwenden. Bei einer Mindestanforderung von sechs Laufwerken kann RAID 50 eine kostspielige Option sein, aber der zusätzliche Speicherplatz rechtfertigt die Kosten durch den Schutz von Unternehmensdaten. Dieser Array-Typ wird für Daten empfohlen, die eine hohe Speicherzuverlässigkeit, hohe Anforderungsraten, hohe Übertragungsraten und eine hohe Speicherkapazität erfordern.
RAID 6 und RAID 60: Auch wir haben sie nicht vergessen
Da wir über Arrays der fünften und fünfzigsten Ebene gesprochen haben, wäre es eine Sünde, Arten der Array-Organisation wie RAID 6 und RAID 60 nicht zu erwähnen.
Die Leistung von RAID 6 ist ähnlich wie bei RAID 5, allerdings erhalten hier mindestens zwei Laufwerke Parität, wodurch das Array den Ausfall von zwei Laufwerken ohne Datenverlust überstehen kann (bei RAID 5 ist diese Situation höchst unerwünscht). Dies führt zu einer höheren Zuverlässigkeit. Ansonsten ist alles wie im Array der fünften Ebene: Bei einem Ausfall einer oder zweier Festplatten stellt der RAID-Controller mithilfe von Paritätsblöcken alle fehlenden Informationen wieder her. Wenn zwei Laufwerke ausfallen, erfolgt die Wiederherstellung nicht gleichzeitig: Zuerst wird das erste Laufwerk reanimiert, dann das zweite. Somit werden zwei Datenwiederherstellungsvorgänge durchgeführt.
Es ist leicht zu erraten, dass, wenn RAID 50 ein Level-60-Array aus Level-6-Arrays ist, RAID 50 ein Level-8-Array aus Level-16-Arrays ist, über das wir gerade gesprochen haben. Das heißt, diese Organisation des RAID-Speichers ermöglicht es Ihnen, den Verlust von zwei SSDs in jeder Gruppe von RAID-XNUMX-Laufwerken zu überstehen. Das Funktionsprinzip ähnelt dem, über das wir im Abschnitt RAID XNUMX gesprochen haben, aber die Anzahl der Ausfälle, die a Das Array der Stufe XNUMX kann einem Wachstum von XNUMX auf XNUMX Laufwerke standhalten. Typischerweise werden solche Arrays für den Online-Kundendienst verwendet, der eine hohe Fehlertoleranz erfordert.
Zusammenfassend:
Obwohl die Spiegelung eine höhere Fehlertoleranz als RAID 50/60 bietet, benötigt sie auch viel mehr Platz. Da sich die Datenmenge verdoppelt, stehen Ihnen tatsächlich nur 50 % der Gesamtkapazität der im Server installierten Laufwerke zur Aufzeichnung und Speicherung von Informationen zur Verfügung. Die Wahl zwischen RAID 50/60 und RAID 10 hängt höchstwahrscheinlich von den verfügbaren Budgets, der Serverkapazität und Ihren Datenschutzanforderungen ab. Darüber hinaus stehen die Kosten im Vordergrund, wenn wir über SSD-Lösungen (sowohl für Unternehmen als auch für Verbraucher) sprechen.
Ebenso wichtig ist, dass wir jetzt mit Sicherheit wissen, dass SSD-basiertes RAID eine absolut sichere Lösung und eine gängige Praxis für das heutige Unternehmen ist. Im Rahmen der Heimnutzung gibt es auch einen Grund, auf NVMe umzusteigen, wenn das Budget es zulässt. Und wenn Sie noch eine Frage haben, warum das alles nötig ist, gehen Sie zurück zum Anfang des Artikels – wir haben sie bereits ausführlich beantwortet.
Dieser Artikel wurde mit Unterstützung unserer Kollegen bei Broadcom erstellt, die ihre Controller den Ingenieuren von Kingston zum Testen mit SATA/SAS/NVMe-Laufwerken der Enterprise-Klasse zur Verfügung stellen. Dank dieser freundlichen Symbiose müssen Kunden nicht an der Zuverlässigkeit und Stabilität der Kingston-Laufwerke mit HBA- und RAID-Controllern aus der Produktion zweifeln. .
Weitere Informationen zu Kingston-Produkten finden Sie unter Unternehmen.
Source: habr.com