RAID-Algorithmen wurden der Öffentlichkeit bereits 1987 vorgestellt. Bis heute sind 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-Marke überschreitet, ist eher ein Zeichen von Alter als von Reife. Der Grund dafür ist der Fortschritt, der unaufhaltsam neue Möglichkeiten mit sich bringt. In einer Zeit, in der es praktisch keine anderen Speichergeräte als HDD gab, ermöglichten RAID-Algorithmen die effizienteste Nutzung der verfügbaren Speichermittel. Mit dem Aufkommen von SSDs hat sich die Situation jedoch grundlegend verändert. Heute ist RAID im Zusammenhang mit Solid-State-Laufwerken eher ein Hemmnis für deren Leistung. Um das volle Potenzial der Geschwindigkeitseigenschaften von SSDs auszuschöpfen, ist daher ein völlig neuer Ansatz erforderlich.
Neben den offensichtlichen Unterschieden zwischen HDD und SSD in der Arbeitsweise gibt es noch eine weitere wichtige Eigenschaft dieser Speichertypen: Jede Festplatte kann Daten mit einer Granularität von einem Block (in der Regel 4 KB) überschreiben. Bei SSDs hingegen ist der Schreibprozess deutlich komplexer.
- Änderungen an den Daten werden an einem neuen Ort gespeichert. Die Granularität bleibt derselbe Block, besteht jedoch aus mehreren Seiten und hat eine Größe von 256 KB bis 4 MB. Das bedeutet, dass beim Ändern von 4 KB auch alle benachbarten Seiten, die einen Block bilden, kopiert werden müssen.
- Die "alten" Blöcke werden als nicht verwendet markiert, damit sie später vom "Garbage Collector" gelöscht werden können.
Sequentielles Schreiben/Überschreiben auf SSD
Bei sequenziellen Schreib-/Überschreibvorgängen spielt diese Funktionsweise von SSDs hinsichtlich ihrer Leistung keine große Rolle, da die Blöcke knapp beieinander liegen und der "Garbage Collector" seine Arbeit im Hintergrund gut erledigt. Im wirklichen Leben, besonders im Enterprise-Segment, erfolgt der Datenzugriff auf SSDs jedoch meistens zufällig. Diese Daten werden an beliebigen Stellen auf den Speichermedien geschrieben.
Je mehr Daten auf die SSD geschrieben werden, desto schwieriger wird die Arbeit des "Garbage Collectors", da die Fragmentierung stark zunimmt. In der Folge kommt der Zeitpunkt, an dem der Prozess der Laufwerksbereinigung nicht mehr „im Hintergrund“ läuft: Die Leistung der SSD sinkt erheblich, da ein spürbarer Teil davon vom Garbage Collector beansprucht wird.
Die reale Datenanordnung auf der SSD im Alltag
Um den Einfluss der Arbeit des "Garbage Collectors" je nach Schreibmodus auf das Laufwerk zu veranschaulichen, können einfachste Tests durchgeführt werden: sequentielles und zufälliges Schreiben in 4KB-Blöcken auf ein 100GB-Laufwerk. (Quelle – Unternehmen )
Leistung beim sequentiellen Schreiben
Leistung bei zufälligen Schreibvorgängen
Wie aus den Tests hervorgeht, kann der Leistungsabfall über das Zweifache betragen. Und das ist nur ein einzelnes Laufwerk. Im Fall der Verwendung von SSDs in einer RAID-Gruppe steigt die Anzahl der Schreibvorgänge erheblich an, aufgrund der Arbeit mit Parität.
Allgemein gibt es für SSDs aufgrund dieser Arbeitsmerkmale einen Parameter namens Schreibverstärkung (write amplification). Dies ist das Verhältnis des Volumens der auf das Laufwerk geschriebenen Daten zu dem Volumen der Daten, die tatsächlich vom Host gesendet wurden. Und für das am häufigsten verwendete RAID5 beträgt dieses Verhältnis etwa ~3,5.
Insgesamt nutzen Systeme mit klassischem RAID nur etwa ~10% der tatsächlichen Geschwindigkeit von SSDs und skalieren nur schwach in Bezug auf die Leistung, wenn die Anzahl der Laufwerke auf mehr als zehn erhöht wird.
Es sei auch darauf hingewiesen, dass übermäßige Schreibvorgänge nicht nur die Leistung von SSDs verringern, sondern auch deren nicht unbegrenzte Lebensdauer verringern, wodurch die Lebensdauer des Laufwerks verkürzt wird.
, das das Herz aller AccelStor-Produkte bildet, wurde als Alternative zu herkömmlichen RAID-Algorithmen für den Einsatz mit SSDs entwickelt. Die Innovationskraft der Technologie wurde sowohl durch verschiedene Patente und Auszeichnungen (unter anderem auf dem Flash Memory Summit 2016) als auch durch Ergebnisse unabhängiger Tests (wie SPC1) hervorgehoben.
Der Kern besteht darin, alle eingehenden Schreibanforderungen, insbesondere vom Typ random, in einen Blocksatz umzuwandeln, der dem sequentiellen Schreibmodus aus Sicht des Speichers maximal ähnelt. Dadurch erfolgt das Schreiben auf SSDs in einem für sie optimalen Modus, und die endgültige Leistung übertrifft sämtliche Systeme mit herkömmlichem RAID.
Alle SSDs in den AccelStor-Systemen werden in zwei symmetrische Gruppen FlexiRemap® unterteilt. Die Gruppengröße variiert je nach Modell und umfasst 5 bis 11 Speichergeräte. Für die Fehlertoleranz innerhalb der Gruppe wird Parität ähnlich wie bei RAID5 eingesetzt. Beide Gruppen arbeiten zusammen und bilden einen gemeinsamen Speicherbereich. Daher wird die Gesamtfehlertoleranz mit einem RAID50-Array verglichen, das aus zwei Gruppen besteht: Das System kann den Ausfall von bis zu zwei SSDs verkraften, jedoch nicht mehr als einem in jeder FlexiRemap®-Gruppe.
Alle eingehenden Schreibanfragen werden in Blöcke von 4 KB aufgeteilt, die im Round-Robin-Verfahren auf beide Gruppen von FlexiRemap® geschrieben werden. Das System führt dabei kontinuierlich Buch über die Nachfrage nach den geschriebenen Blöcken und versucht, bei deren Veränderung möglichst ähnliche Blöcke nah beieinander zu schreiben. Dies ergibt eine virtuelle Entsprechung von Tiering, um es in Begriffen von Speicherlösungen auszudrücken. In diesem Fall wird die Arbeit des "Garbage Collectors" erheblich erleichtert: Denn ungenutzte Blöcke werden ständig in der Nähe bleiben.
It is worth noting that Im Gegensatz zu den Produkten der Konkurrenz verwenden wir keine Funktionalität zum Cachen von eingehenden Anfragen im Arbeitsspeicher des Controllers. Alle eingehenden Datenblöcke werden sofort auf SSD geschrieben. Der Host erhält die Bestätigung des erfolgreichen Schreibens erst nach der physischen Ablage der Daten auf den Laufwerken. Im RAM werden lediglich die Zuordnungstabellen der Blöcke auf der SSD gespeichert, um den Zugriff zu beschleunigen und zu bestimmen, wo der nächste Datenblock aufgezeichnet werden soll. Selbstverständlich befinden sich für die Zuverlässigkeit Kopien dieser Tabellen auch auf den Speichermedien. Dadurch benötigen die AccelStor-Systeme keinen Cache-Schutz in Form einer Batterie/Kondensator (es besteht jedoch die Möglichkeit, eine Verbindung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung herzustellen – für ein „sanftes“ Ausschalten im Falle von Stromproblemen).
Dank dieses Ansatzes zur Organisation des Schreibvorgangs kann der „Garbage Collector“ tatsächlich im Hintergrund arbeiten, ohne die Geschwindigkeit der Speichermedien wesentlich zu beeinflussen, was letztendlich ermöglicht, innerhalb des Systems bis zu 90 % der SSD-Leistung zu nutzen. Genau hierin liegen die hohen IOPS-Werte in den AccelStor-Systemen im Vergleich zu All-Flash-Systemen, die auf RAID-Algorithmen basieren.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der FlexiRemap®-Technologie ist die signifikante Reduzierung der übermäßigen Schreibvorgänge auf SSDs. Der Schreibverstärkungsfaktor (write amplification) für AccelStor-Systeme beträgt lediglich 1,3. Das bedeutet, dass die Lebensdauer der Speichermedien im Vergleich zu RAID 5 mehr als 2,5 Mal erhöht wird!
Dank der kontinuierlichen Überwachung durch das System der Datenplatzierung auf SSDs werden alle Laufwerke gleichmäßig abgenutzt. Dieser Ansatz ermöglicht eine Prognose ihrer Lebensdauer und sendet rechtzeitig ein Signal an den Administrator über die Erschöpfung der Schreibressourcen.
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 FlexiRemap®-Gruppe, die sich im degraded Zustand befindet, in den „Read-Only“-Modus, und alle Schreibanfragen werden an die zweite Gruppe geleitet. Dieser Schutzmechanismus ist vorgesehen, um den Rebuild-Vorgang zu beschleunigen und die Wahrscheinlichkeit eines weiteren Ausfalls eines Laufwerks in der gleichen Gruppe zu verringern. Es ist kein Geheimnis, dass alle Laufwerke in der Gruppe während des Rebuilds aufgrund der Interferenzen von Lese-, Schreib- und Wiederherstellungsoperationen auf dem Hot Spare einer höheren Belastung ausgesetzt sind. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit eines weiteren Festplattenausfalls. Und je mehr Schreiboperationen durchgeführt werden, desto länger dauert der Rebuild.
Nach Abschluss des Wiederherstellungsprozesses und der Rückkehr der FlexiRemap®-Gruppe in den Normalzustand wird es zu einer leichten Ungleichheit in den Schreibressourcen zwischen den beiden Gruppen kommen. Daher werden zukünftige Schreiboperationen häufiger auf die wiederhergestellte Gruppe entfallen (natürlich so, dass die Gesamtleistung des Systems nicht stark leidet).
Die Leistung von All-Flash-Systemen, die auf RAID-Algorithmen basieren, lässt sich selbst mit komplexen Caching-Systemen nicht über bestimmte Werte hinaus steigern (~280K IOPS bei 4K Zufallswrites). Die Technologie FlexiRemap® überwindet dank eines völlig anderen Ansatzes zur Organisation des Speichers nicht nur diese Hürde, sondern verlängert auch die Lebensdauer von SSDs um ein Vielfaches. Daher bieten die Systeme erhebliche Vorteile gegenüber All-Flash-Array-Lösungen in vielen Bereichen (IOPS/$, GB/$, TCO, ROI), was sie zu idealen Kandidaten für Schlüsselpositionen in den Rechenzentren von Kunden macht, um ressourcenintensive Aufgaben zu lösen.
Quelle: habr.com
