In haben wir bereits die Frage behandelt, ob „RAID auf SSDs anwendbar ist“ am Beispiel der Kingston-Laufwerke, aber nur auf der Basis von Level Null. In diesem Artikel werden wir die Verwendung von professionellen und privaten NVMe-Lösungen in den beliebtesten RAID-Konfigurationen untersuchen und über die Kompatibilität der Controller berichten. mit Kingston-Laufwerken.
Warum ist RAID auf SSDs notwendig?
Die Vorteile von SSD-basierten Speichermassen im Vergleich zu HDD-basierten Speichersystemen umfassen kürzere Zugriffszeiten auf die Daten und hervorragende Leistung bei Lese-/Schreiboperationen. Für die ideale RAID-Performance auf SSDs ist jedoch eine optimale Kombination aus CPU, Cache sowie Software- und Hardwarekomponenten erforderlich. Wenn all diese Faktoren perfekt zusammenarbeiten, kann ein RAID-Verbund aus SSDs eine vergleichbare Konfiguration mit herkömmlichen HDDs deutlich übertreffen.
Typische SSDs verbrauchen weniger Energie als Festplatten. Daher kann die Kombination mehrerer Solid-State-Laufwerke in einem RAID-Verbund im Vergleich zu einem RAID-Verbund aus HDDs nicht nur Energie, sondern auch Kosten bei den Unternehmensstromrechnungen einsparen.
Allerdings hat SSD-RAID seine Einschränkungen und Nachteile: Insbesondere sind die Kosten pro Gigabyte Speicherplatz höher als bei vergleichbaren Festplatten. Außerdem ist die Lebensdauer von Flash-Speichern auf eine bestimmte Anzahl von Schreibzyklen begrenzt. Das bedeutet, dass SSDs eine gewisse Lebensdauer haben, die von ihrer Nutzung abhängt: Je häufiger Informationen darauf überschrieben werden, desto schneller wird das Laufwerk ausfallen. Auf der anderen Seite haben Unternehmens-SSDs jedoch eine anständige Lebensdauer, die mit der von mechanischen Festplatten vergleichbar ist.
Wie Kingston SSDs im RAID-Modus mit Broadcom-Controllern laufen.
Zu Beginn der Ära der SSDs birgt die RAID-Konfiguration zahlreiche Herausforderungen, vor allem aufgrund der Verwendung weniger zuverlässiger HDD-Festplatten. Solid-State-Laufwerke sind deutlich zuverlässiger als ihre magnetischen Pendants. Wie wir wissen, haben SSD-Lösungen keine beweglichen Teile, wodurch mechanische Beschädigungen nahezu ausgeschlossen sind. Auch das Ausfallen von SSDs aufgrund von Spannungsschwankungen ist unwahrscheinlich, da sowohl beim Heim-PC als auch beim Server USVs, Netzfilter und sogar Netzteile Schutz bieten.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil von Solid-State-Laufwerken ist, dass selbst wenn die Speichermodule verschleißen, die Daten trotzdem abgerufen werden können. Bei einer Beschädigung der magnetischen Festplatte hingegen ist dies leider nicht der Fall.
Heutzutage ist es völlig normal, SSD-Lösungen in RAID-Arrays verschiedener Ebenen zu verwenden. Wichtig ist, die richtigen Solid-State-Laufwerke auszuwählen, deren Latenz minimal ist. Idealerweise sollten alle SSDs vom selben Hersteller und aus derselben Modellreihe stammen, um eine Mischmasch von Laufwerken zu vermeiden, die verschiedene Lasttypen unterstützen und auf unterschiedlichen Speichertechnologien, Controllern und weiteren Technologien basieren. Wenn wir also vier oder 16 NVMe SSDs von Kingston für die Erstellung eines RAID-Arrays beschaffen, sollten sie besser alle aus derselben Serie und Produktlinie stammen.
Übrigens liegen im Wir haben bewusst die Broadcom-Controller erwähnt, als wir über die NVMe SSDs von Kingston gesprochen haben. Der Grund dafür ist, dass in den Handbüchern zu diesen Geräten sofort die kompatiblen Laufwerke (einschließlich der Lösungen des oben genannten US-SSD-Herstellers) aufgeführt sind, mit denen der Controller ohne Probleme arbeitet. Auf diese Informationen sollte man bei der Auswahl der „Controller-SSD“-Kombination für RAID achten.
Wir untersuchen die Leistung der Kingston SSD in den beliebtesten RAID-Typen – „1“, „5“, „10“, „50“.
Der „Null“-RAID-Level bietet keine Datenredundanz, sondern verbessert lediglich die Leistung. RAID 0 bietet überhaupt keinen Datenschutz, weshalb wir ihn im Unternehmenssektor nicht betrachten werden. RAID 1 hingegen gewährleistet vollständige Redundanz, liefert jedoch nur einen bescheidenen Leistungszuwachs und sollte daher nur in Betracht gezogen werden, wenn eine Leistungssteigerung nicht das Hauptkriterium beim Erstellen eines RAID-Arrays aus SSDs ist.
RAID 1 mit Kingston SSDs und Broadcom Controllern
Das RAID-Array der ersten Ebene mit dem Broadcom MegaRAID 9460-16i Controller kombiniert zwei bis 32 Kingston-Laufwerke, die alle identisch sind, und bietet vollständige Redundanz. Während bei herkömmlichen HDDs die Lese- und Schreibgeschwindigkeit auf dem Niveau der HDD bleibt, erzielen wir mit NVMe SSD-Lösungen eine zehnfache Leistungssteigerung. Besonders hinsichtlich der Zugriffszeiten auf die Daten. Beispielsweise erreichen wir mit zwei Kingston DC1000M U.2 NVMe SSDs im Server-RAID 1 350.000 IOPS beim Lesen zufälliger Daten und 75.000 IOPS beim Schreiben.
Bei der sequenziellen Lesegeschwindigkeit entsprechen die Ergebnisse den Spezifikationen des Laufwerks – 3200 MB/s. Da jedoch beide NVMe-SSDs betriebsbereit sind, können die Daten gleichzeitig von ihnen gelesen werden, was die Lesevorgänge ziemlich schnell macht. Die Schreibgeschwindigkeit (angegeben mit 2000 MB/s) ist jedoch langsamer, da jede Schreiboperation zweimal durchgeführt wird.
Ein RAID 1-Array ist ideal für kleine Datenbanken oder jede andere Umgebung, die Redundanz erfordert, jedoch nur über begrenzte Kapazität verfügt. Die Spiegelung der Laufwerke ist besonders hilfreich in Notfallszenarien (die Leistung kann dabei etwas beeinträchtigt werden), da sie eine sofortige "Wiederherstellung" wichtiger Daten ermöglicht, falls eines der Laufwerke im Array ausfällt. Allerdings erfordert dieser Schutzlevel die Verdopplung der Speicherplatzkapazität für die Speicherung der Spiegelkopie (zum Speichern von 100 TB benötigt man 200 TB Speicherplatz), weshalb in vielen Unternehmenssystemen kosteneffizientere Speicheroptionen wie RAID 5 und RAID 6 verwendet werden.
RAID 5 auf Basis von SSDs von Kingston und Broadcom-Controllern
Für die Einrichtung eines RAID-Arrays der Stufe 5 benötigen wir mindestens drei Speicherlaufwerke, auf denen die Daten abwechselnd (zyklisch auf alle Laufwerke im Array geschrieben) gespeichert werden, ohne dupliziert zu werden. Bei ihrer Organisation ist es wichtig, die komplexere Struktur zu berücksichtigen, da hier das Konzept der "Prüfziffer" (oder "Parität") eine Rolle spielt. Dieses Konzept beruht auf der logischen algebraischen Funktion XOR (exklusives 'ODER'), das die Verwendung von mindestens drei Laufwerken im Array vorschreibt (maximal 32). Dabei werden die Informationen über die Parität auf allen "Disks" im Array gespeichert.
Für ein Array aus vier SATA SSD-Laufwerken Kingston DC500R mit jeweils 3,84 TB Kapazität erhalten wir 11,52 TB Speicherplatz und 3,84 TB für Prüfziffern. Wenn wir 16 NVMe-Laufwerke Kingston DC1000M U.2 mit 7,68 TB in einem RAID der Stufe 5 kombinieren, erhalten wir 115,2 TB bei einem Verlust von 7,68 TB. Wie Sie sehen, desto mehr Laufwerke, desto besser das Ergebnis. Außerdem ist es besser, weil je mehr Laufwerke im RAID 5 vorhanden sind, desto höher die Gesamtleistung bei Schreiboperationen. Und die sequenzielle Lesegeschwindigkeit erreicht das Niveau eines RAID 0.
Die RAID 5-Gruppe bietet eine hohe Bandbreite (insbesondere für große Dateien) und Redundanz bei minimalem Leistungsverlust. Diese Art der Anordnung ist besonders geeignet für Netzwerke, die viele kleine E/A-Operationen gleichzeitig durchführen. Sie sollten jedoch vorsichtig sein, wenn es um Aufgaben geht, die viele Schreibvorgänge mit kleinen oder sehr kleinen Blöcken erfordern.
Es gibt noch einen weiteren Aspekt: Bei Ausfall eines der NVMe-Laufwerke wechselt RAID 5 in den Degradierungsmodus, und der Ausfall eines weiteren Speichermediums kann kritisch für alle Daten werden. Im Falle eines Ausfalls eines Laufwerks innerhalb des RAIDs verwendet der RAID-Controller Paritätsinformationen, um alle fehlenden Daten wiederherzustellen.
RAID 10 basierend auf Kingston SSDs und Broadcom-Controllern
RAID 0 bietet eine doppelte Geschwindigkeit und schnelleren Zugriff, während RAID 1 für Zuverlässigkeit sorgt. Ideal wäre eine Kombination beider Systeme, und hier kommt RAID 10 (oder 1+0) ins Spiel. RAID 10 besteht aus vier SATA SSD- oder NVMe-Laufwerken (maximal 32) und bildet ein Array aus „Spiegeln“, wobei die Anzahl der Laufwerke immer durch vier teilbar sein muss. Die Daten werden in diesem Array durch die Aufteilung in feste Blöcke (wie bei RAID 0) und durch Wechseln zwischen den Laufwerken geschrieben, wobei Kopien zwischen den „Festplatten“ im RAID 1-Array verteilt werden. Dank des gleichzeitigen Zugriffs auf mehrere Laufwerksgruppen bietet RAID 10 eine hohe Leistung.
Da RAID 10 Daten über mehrere Spiegelpaare verteilen kann, bedeutet dies, dass der Ausfall eines Laufwerks in einem Paar toleriert werden kann. Bei einem Ausfall beider Spiegelpaare (d.h. aller vier Laufwerke) kommt es jedoch unweigerlich zu Datenverlust. Insgesamt bietet es eine gute Fehlertoleranz und Zuverlässigkeit. Es ist jedoch zu beachten, dass der 10. Level-RAID, wie auch der RAID 1, nur die Hälfte der gesamten Kapazität nutzt, was es zu einer kostspieligen Lösung macht. Außerdem ist es komplex in der Konfiguration.
RAID 10 eignet sich für Datenspeicher, die 100% Redundanz der Spiegel-Diskgruppen sowie eine verbesserte I/O-Leistung von RAID 0 benötigen. Es ist die beste Lösung für mittelgroße Datenbanken oder jede Umgebung, die eine höhere Fehlertoleranz als bei RAID 5 erfordert.
RAID 50 basiert auf Kingston SSDs und Broadcom-Controllern.
Ein kombinierter Verbund, der dem RAID Level 10 ähnlich ist und aus RAID Level 0 besteht, welches aus RAID 5-Arrays erstellt wird. Wie im vorherigen Fall liegt das Hauptziel dieses Verbunds darin, die doppelte Leistung bei gleichzeitiger Gewährleistung der Datensicherheit in RAID 5-Arrays zu erreichen. RAID 50 bietet dabei eine verbesserte Schreibgeschwindigkeit und besseren Datenschutz als das Standard-RAID 5 im Falle eines Festplattenausfalls und ermöglicht eine schnellere Wiederherstellung bei einem Ausfall eines der Speichergeräte.
Die RAID 50-Gruppe unterteilt die Daten in kleinere Blöcke und verteilt sie auf jedes RAID 5-Array. Die RAID 5-Gruppe zerlegt die Daten wiederum ebenfalls in kleinere Blöcke, berechnet die Parität, führt logische OR-Operationen für die Blöcke durch und führt anschließend Schreibvorgänge in die Datenblöcke sowie die Paritätsprüfung für jede Festplatte in der Gruppe durch.
Obwohl die Leistung bei einem Ausfall eines der Laufwerke unweigerlich sinkt, ist dies nicht so gravierend wie bei einem RAID 5-Array, da ein Ausfall nur eines der Array beeinflusst und das andere vollständig funktionsfähig bleibt. Tatsächlich kann RAID 50 bis zu acht Ausfälle von HDD/SSD/NVMe-Laufwerken verkraften, solange jeder ausgefallene "Disk" in einem separaten RAID 5-Array ist.
RAID 50 eignet sich am besten für Anwendungen, die hohe Zuverlässigkeit erfordern und eine große Anzahl von Anfragen verarbeiten müssen, während sie hohe Übertragungsgeschwindigkeiten bei geringeren Kosten für die Laufwerke im Vergleich zu einem RAID 10-Array aufrechterhalten. Da jedoch mindestens sechs Laufwerke für die Einrichtung eines RAID 50-Arrays benötigt werden, kann der Kostenfaktor nicht vollständig ausgeschlossen werden. Ein Nachteil von RAID 50 ist, dass es, ähnlich wie RAID 5, einen komplexen Controller benötigt: wie den dem vorherigen Artikel von Broadcom.
Es lohnt sich auch zu erwähnen, dass RAID 50 weniger genutzten Speicherplatz hat als RAID 5, da Kapazität für die Speicherung von Paritätsinformationen reserviert wird. Dennoch bietet es immer noch mehr nutzbare Kapazität als andere RAID-Level, insbesondere solche, die Spiegelung verwenden. Bei einer Mindestanforderung von sechs Festplatten kann RAID 50 eine kostspielige Option sein, aber der zusätzliche Speicherplatz rechtfertigt die Kosten, indem er Unternehmensdaten schützt. Diese Art von Array wird empfohlen für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Speicherzuverlässigkeit, hohe Anfragefrequenzen, hohe Übertragungsgeschwindigkeiten und große Speicherkapazitäten.
RAID 6 und RAID 60: Auch an sie haben wir gedacht
Nachdem wir über Arrays der fünften und fünfzigsten Stufe gesprochen haben, sollten wir auch die Arten der Array-Organisation wie RAID 6 und RAID 60 erwähnen.
Die Leistung von RAID 6 ist vergleichbar mit RAID 5, jedoch werden hier mindestens zwei Laufwerke für die Paritätskontrolle verwendet. Dadurch kann das Array den Ausfall von zwei Laufwerken überstehen, ohne dass Daten verloren gehen – ein Zustand, der bei RAID 5 äußerst unerwünscht wäre. Dies sorgt für eine höhere Zuverlässigkeit. Ansonsten funktioniert es genauso wie bei einem RAID 5-Array: Wenn eines oder zwei Laufwerke ausfallen, verwendet der RAID-Controller die Paritätsblöcke, um alle fehlenden Informationen wiederherzustellen. Bei einem Ausfall von zwei Laufwerken erfolgt die Wiederherstellung nicht gleichzeitig: Zuerst wird das erste Laufwerk wiederhergestellt, danach das zweite. So werden zwei Datenwiederherstellungsoperationen durchgeführt.
Es ist leicht zu verstehen, dass RAID 50 ein Null-Level-Array aus Level-5-Arrays darstellt, während RAID 60 ein Null-Level-Array aus Level-6-Arrays ist, über die wir gerade gesprochen haben. Diese Struktur von RAID-Speichern ermöglicht es, den Verlust von zwei SSDs in jeder RAID-6-Gruppe zu überstehen. Das Prinzip funktioniert ähnlich wie das, das wir im Abschnitt über RAID 50 beschrieben haben, aber die Anzahl der Ausfälle, die ein RAID-60-Array verkraften kann, steigt von 8 auf 16 Laufwerke. Solche Arrays werden normalerweise für Online-Dienste verwendet, die eine hohe Fehlertoleranz erfordern.
Zusammenfassend:
Obwohl Mirroring eine höhere Ausfallsicherheit als RAID 50/60 bietet, benötigt es auch erheblich mehr Platz. Da sich die Datenmenge verdoppelt, erhalten Sie tatsächlich nur 50 % der Gesamtkapazität der im Server installierten Speicher für das Schreiben und Speichern von Informationen. Die Wahl zwischen RAID 50/60 und RAID 10 hängt wahrscheinlich von den verfügbaren Budgets, der Serverkapazität und Ihren Datensicherheitsbedürfnissen ab. Der Preis rückt in den Vordergrund, wenn wir über SSD-Lösungen (sowohl für Unternehmen als auch für Verbraucher) sprechen.
Ebenso wichtig ist, dass wir nun sicher wissen, dass RAID-basierte SSDs eine absolut sichere Lösung und gängige Praxis in der modernen Geschäftswelt sind. Auch im Heimgebrauch macht es Sinn, auf NVMe umzusteigen, sofern das Budget es zulässt. Und falls Sie sich immer noch fragen, warum das alles notwendig ist, gehen Sie zurück zum Anfang des Artikels – wir haben diese Frage bereits ausführlich beantwortet.
Dieser Artikel wurde mit Unterstützung unserer Kollegen von Broadcom erstellt, die ihre Controller den Ingenieuren von Kingston zur Verfügung stellen, um sie mit SATA/SAS/NVMe Unternehmensspeicher zu testen. Dank dieser freundlichen Zusammenarbeit müssen die Kunden nicht an der Zuverlässigkeit und Stabilität von Kingston-Speichermedien in Verbindung mit HBA- und RAID-Controllern zweifeln. .
Weitere Informationen zu den Produkten von Kingston finden Sie auf das Unternehmen.
Quelle: habr.com
