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RAID-Algorithmen wurden der Öffentlichkeit bereits 1987 vorgestellt. Bis heute bleiben sie die gefragteste Technologie zum Schutz und zur Beschleunigung des Zugriffs auf Daten im Bereich der Datenspeicherung. Doch das Alter der IT-Technologie, die die 30 Jahre überschritten hat, ist eher ein Zeichen von Altern als von Reife. Der Grund dafür ist der Fortschritt, der unaufhaltsam neue Möglichkeiten mit sich bringt. In Zeiten, in denen es praktisch keine anderen Speichergeräte als HDDs gab, ermöglichten RAID-Algorithmen eine besonders effiziente Nutzung der vorhandenen Speichermittel. Mit dem Aufkommen von SSDs hat sich die Situation jedoch grundlegend geändert. Heute stellt RAID bei der Arbeit mit Solid-State-Laufwerken bereits eine „Schnur“ für deren Leistung dar. Daher ist ein völlig neuer Ansatz für die Arbeit mit SSDs erforderlich, um das volle Potenzial der Geschwindigkeitsmerkmale auszuschöpfen.

Neben den offensichtlichen Unterschieden in den Arbeitsprinzipien von HDD und SSD gibt es eine weitere wichtige Eigenschaft dieser Speichermedien: Jede Festplatte kann beliebige Daten mit einer Granularität von einem Block (heutzutage meist 4 KB) überschreiben. Bei SSDs hingegen stellt der überschreibende Prozess eine deutlich kompliziertere Prozedur dar:

• Änderungen an den Daten werden an einem neuen Ort kopiert. Dabei bleibt die Granularität zwar gleich – es handelt sich ebenfalls um einen Block, der aus mehreren Seiten besteht und eine Größe von 256 KB bis 4 MB hat. Das heißt, wenn die gleichen 4 KB geändert werden, müssen auch alle benachbarten Seiten, die einen Block bilden, mitkopiert werden.
• „Alte“ Blöcke werden als nicht verwendet markiert, um später vom „Müllsammler“ (Garbage Collector) gelöscht zu werden.

Sequentielles Schreiben/Überschreiben auf SSDs

Im Falle des sequentiellen Schreibens/Überschreibens spielt diese Funktionsweise der SSDs hinsichtlich ihrer Leistung keine große Rolle, da sich die Blöcke nahe beieinander befinden und der „Müllsammler“ seine Arbeit problemlos im Hintergrund erledigt. In der Praxis, insbesondere im Enterprise-Segment, erfolgt jedoch der Zugriff auf Daten in der Regel zufällig. Diese Daten werden in beliebigen Bereichen der Speichermedien geschrieben.

Je mehr Daten auf eine SSD geschrieben werden, desto schwieriger wird es für den „Garbage Collector“, da die Fragmentierung stark zunimmt. Infolgedessen kommt der Moment, an dem der Reinigungsprozess des Speichers nicht mehr „im Hintergrund“ abläuft: Die Leistung der SSD sinkt erheblich, da ein signifikanter Teil davon vom Garbage Collector beansprucht wird.

Der tatsächliche Speicherort der Daten auf der SSD bei alltäglicher Nutzung

Um den Einfluss der Arbeit des „Garbage Collectors“ in Abhängigkeit vom Schreibmodus auf das Laufwerk zu veranschaulichen, können einfache Tests durchgeführt werden: sequentielles und zufälliges Schreiben in 4KB-Blöcken auf ein 100GB-Laufwerk. (Quelle – Unternehmen Micron)

Leistung beim sequentiellen Schreiben

Leistung beim zufälligen Schreiben

Wie aus den Tests hervorgeht, kann der Leistungsabfall mehr als das Doppelte erreichen. Und das ist nur ein einzelnes Laufwerk. Bei der Verwendung von SSDs in einer RAID-Gruppe steigt die Anzahl der Schreibvorgänge erheblich, dank der Arbeit mit Parität.

Insgesamt gibt es aufgrund dieser Eigenschaften von SSDs einen Parameter namens Schreibverstärkung (write amplification). Dabei handelt es sich um das Verhältnis des Volumens der auf das Laufwerk geschriebenen Daten zu dem Volumen der Daten, die tatsächlich vom Host gesendet wurden. Und für das beliebteste RAID5 liegt dieser Faktor bei etwa 3,5.

Infolgedessen nutzen Systeme mit klassischem RAID in ihrer Basis nur etwa 10 % ihrer tatsächlichen Geschwindigkeit und skalieren bei einer Erhöhung der Anzahl der Laufwerke über ein Dutzend hinweg nur geringfügig in der Leistung.

Außerdem ist zu beachten, dass überflüssige Schreibvorgänge nicht nur die Leistung der SSD verringern, sondern auch ihre nicht unbegrenzte Lebensdauer verkürzen, wodurch die Lebensdauer des Laufwerks sinkt.

Die FlexiRemap®-Technologie, die das Herzstück aller AccelStor-Produkte bildet, wurde gerade als Alternative zu klassischen RAID-Algorithmen für die Arbeit mit SSDs entwickelt. Die Innovationskraft der Technologie wird sowohl durch verschiedene Patente und Auszeichnungen (unter anderem auf dem Flash Memory Summit 2016) als auch durch die Ergebnisse unabhängiger Tests (zum Beispiel SPC1) hervorgehoben.

Essenz FlexiRemap® besteht darin, alle eingehenden Schreibanfragen, insbesondere vom Typ random, in eine Reihe von Blöcken umzuwandeln, die dem Modus der sequenziellen Aufzeichnung aus Sicht des Speichermediums so ähnlich wie möglich ist. Dadurch erfolgt die Aufzeichnung auf SSDs in dem für sie komfortabelsten Modus, und die endgültige Leistung übertrifft jede klassische RAID-Systeme.

Alle SSDs in AccelStor-Systemen werden in zwei symmetrische Gruppen FlexiRemap® unterteilt. Die Gruppengröße hängt vom Modell ab und umfasst 5-11 Speichergeräte. Zur Ausfallsicherheit innerhalb der Gruppe wird Parität ähnlich wie bei RAID5 verwendet. Beide Gruppen arbeiten zusammen, um einen gemeinsamen Speicherraum zu bilden. Daher wird die endgültige Ausfallsicherheit analog zu einem RAID50-Bereich sein, der aus zwei Gruppen besteht: Das System kann den Ausfall von bis zu zwei SSDs verkraften, jedoch nicht mehr als einer in jeder FlexiRemap®-Gruppe.

Alle eingehenden Schreibanfragen werden in 4-KB-Blöcke aufgeteilt, die im Round-Robin-Modus auf beide Gruppen von FlexiRemap® geschrieben werden. Dabei führt das System ständig Buch über die Nachfrage nach geschriebenen Blöcken und versucht, ähnliche Blöcke bei Änderungen so nah wie möglich zueinander zu schreiben. So entsteht eine virtuelle Analogie zu Tiering, wenn man es in den Begriffen von Speichersystemen ausdrückt. In diesem Fall wird die Arbeit des Garbage Collectors erheblich erleichtert: Denn ungenutzte Blöcke befinden sich ständig in der Nähe.

Es ist erwähnenswert, dass AccelStor-Systeme im Gegensatz zu den Produkten der Wettbewerber verwenden sie nicht die Funktionalität, eingehende Anfragen im Arbeitsspeicher des Controllers zwischenzuspeichern. Alle eingehenden Datenblöcke werden sofort auf SSDs geschrieben. Der Host erhält eine Bestätigung über die erfolgreiche Aufzeichnung erst nach der physischen Ablage der Daten auf den Speichermedien. Im RAM werden nur die Zuordnungstabellen der Blöcke auf SSDs zur Beschleunigung des Zugriffs und zur Bestimmung, wo der nächste Datenblock geschrieben werden soll, gespeichert. Selbstverständlich sind zur Zuverlässigkeit Kopien dieser Tabellen auch auf den Speichermedien vorhanden. Infolgedessen benötigen die AccelStor-Systeme keinen Cache-Schutz in Form von Batterie/Kondensator (obwohl die Möglichkeit besteht, eine Verbindung zur USV herzustellen – für ein „sanftes“ Herunterfahren im Falle von Stromproblemen).

Durch einen solchen Ansatz bei der Datenspeicherung ist der "Müllsammler" tatsächlich in der Lage, im Hintergrund zu arbeiten, ohne die Geschwindigkeit der Speichergeräte wesentlich zu beeinflussen, was es letztendlich ermöglicht, innerhalb des Systems bis zu 90 % der SSD-Leistung zu recyceln. In diesem Zusammenhang liegen die hohen IOPS-Werte der AccelStor-Systeme im Vergleich zu All Flash, die auf RAID-Algorithmen basieren.

Eine weitere wichtige Eigenschaft der Technologie FlexiRemap® ist die signifikante Reduzierung überflüssiger Schreiboperationen auf der SSD. Der Faktor der Schreibverstärkung (write amplification) für AccelStor-Systeme beträgt nur 1,3, was in allgemein verständlicher Sprache bedeutet, dass die Lebensdauer der Speichergeräte im Vergleich zu RAID5 um mehr als das 2,5-Fache verlängert wird!

Dank der stetigen Kontrolle des Systems über die Richtlinien zur Datenplatzierung auf der SSD verschleißen alle Speichergeräte gleichmäßig. Dieser Ansatz ermöglicht es, ihre Lebensdauer zu prognostizieren und dem Administrator rechtzeitig ein Signal über das Erreichen der Schreibressourcen zu senden.

Es ist klar, dass SSDs ausfallen können. In diesem Fall beginnt das System sofort mit dem Rebuild auf eine der Hot-Spare-Festplatten. Dabei wechselt die Gruppe FlexiRemap®, die sich im Zustand "degraded" befindet, in den "Nur-Lesen"-Modus, während alle Schreibanforderungen an die zweite Gruppe geleitet werden. Ein solcher Schutzmechanismus ist vorgesehen, um die Rebuild-Operation zu beschleunigen und die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls einer weiteren Festplatte in derselben Gruppe zu verringern. Denn es ist kein Geheimnis, dass während eines Rebuilds alle Festplatten in der Gruppe aufgrund von Interferenzen zwischen Lese-, Schreib- und Wiederherstellungsoperationen auf dem Hot Spare einer erhöhten Belastung ausgesetzt sind. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, dass eine weitere Festplatte ausfällt. Je mehr Schreiboperationen durchgeführt werden, desto länger dauert der Rebuild.

Nach Abschluss des Wiederherstellungsprozesses und der Rückkehr der FlexiRemap®-Gruppe in den Normalzustand entsteht eine kleine Ungleichheit in den Schreibressourcen zwischen den beiden Gruppen. Daher werden die nachfolgenden Schreiboperationen häufiger der wiederhergestellten Gruppe zugeordnet (natürlich so kalkuliert, dass die Gesamtleistung des Systems nicht stark leidet).

Die Leistungssteigerung von All-Flash-Systemen, die auf RAID-Algorithmen basieren, über bestimmte Werte (~280K IOPS@4K zufälliger Schreibvorgang) hinaus ist selbst bei Verwendung komplexer Cache-Systeme nicht möglich. Die Technologie FlexiRemap®, dank eines völlig anderen Ansatzes zur Organisation des Speicherraums, überwindet nicht nur diese Barriere mühelos, sondern verlängert auch die Lebensdauer von SSDs um ein Vielfaches. Somit bieten Systeme AccelStor ernsthafte Vorteile unter All-Flash-Arrays in vielen Bereichen (IOPS/$, GB/$, TCO, ROI), wodurch sie ideale Kandidaten für Schlüsselpositionen in den Rechenzentren der Kunden zur Lösung ressourcenintensiver Aufgaben werden.

Quelle: habr.com