En ya hemos abordado la cuestión de si “se puede aplicar RAID en SSD” utilizando unidades Kingston, pero lo hicimos solo en el contexto del nivel cero. En este artículo, analizaremos las opciones para usar soluciones NVMe profesionales y domésticas en los tipos de arreglos RAID más populares y hablaremos sobre la compatibilidad de los controladores con unidades Kingston.
¿Por qué se necesita RAID en SSD?
Las ventajas de los arreglos de almacenamiento basados en SSD en comparación con los arreglos de almacenamiento en discos duros incluyen una reducción en el tiempo de acceso a los datos en el almacenamiento y un rendimiento superior en operaciones de lectura/escritura. Sin embargo, para un rendimiento óptimo, RAID basado en SSD requiere una combinación ideal de procesador, caché, software y hardware. Cuando todos estos factores funcionan perfectamente juntos, un arreglo RAID de SSD puede superar significativamente una configuración comparable que utiliza discos duros tradicionales.
Un SSD típico consume menos energía que los discos duros, por lo que al combinar un gran número de unidades de estado sólido en un arreglo RAID, el ahorro de energía en comparación con un arreglo RAID de HDD puede también resultar en una reducción de costos en las facturas de electricidad corporativas.
Sin embargo, SSD RAID tiene limitaciones y desventajas: en particular, un costo más alto por gigabyte de espacio en comparación con discos duros de capacidad similar. Y la vida útil de la memoria flash hasta la falla está limitada por un número determinado de ciclos de reescritura. Es decir, las unidades SSD tienen un ciclo de vida específico que depende del uso: cuanto más se reescribe la información en ellas, más rápidamente fallará la unidad. Por otro lado, los SSD corporativos tienen una vida útil decente, comparable a la de los discos duros mecánicos.
¿Cómo viven los SSD Kingston en RAID con controladores Broadcom?
Al principio de la llegada de los discos SSD, las configuraciones RAID tenían muchos matices. Esto se debía, en parte, al uso de discos duros HDD menos confiables. Los discos de estado sólido son mucho más fiables que sus homólogos basados en discos magnéticos. Como sabemos, en las soluciones SSD no hay elementos móviles, por lo que los daños mecánicos se reducen a cero. La posibilidad de que un disco sólido falle debido a picos de voltaje también es poco probable, teniendo en cuenta que en un PC doméstico o en cualquier servidor, se utilizan SAI, filtros de red e incluso la fuente de alimentación para protegerse.
Además, los discos de estado sólido tienen otra ventaja importante: incluso si las celdas de memoria se desgastan por las escrituras, todavía se puede leer la información de ellas, mientras que con un disco magnético dañado, lamentablemente, no es posible.
Hoy en día, utilizar soluciones SSD en matrices RAID de diferentes niveles es una práctica bastante normal. Lo principal es elegir los discos de estado sólido adecuados, cuya latencia sea mínima. Y, idealmente, usar SSD del mismo fabricante y modelo, para evitar mezclar discos que admiten diferentes tipos de cargas y están basados en diferentes tipos de memoria, controladores y otras tecnologías. Es decir, si decidimos adquirir cuatro o 16 SSD NVMe de la empresa Kingston para crear una matriz RAID, es mejor que todos ellos sean de la misma serie y línea de modelos.
Por cierto, en no es casualidad que mencionáramos los controladores de Broadcom al hablar de los SSD NVMe de Kingston. La razón es que en los manuales de estos dispositivos se enumeran inmediatamente los discos compatibles (incluyendo soluciones del mencionado fabricante estadounidense de SSD) con los que el controlador funcionará sin inconvenientes. Esta información es fundamental al elegir una combinación de ‘controlador-SSD’ para RAID.
Analizamos el rendimiento de los SSD Kingston en los tipos de RAID más populares: '1', '5', '10', '50'
Así que, el nivel de RAID "cero" no ofrece redundancia de datos, solo aumenta el rendimiento. RAID 0 no proporciona ninguna protección de datos en absoluto, por lo que no lo consideraremos en el segmento corporativo. RAID 1, por otro lado, proporciona redundancia completa, pero solo un modesto aumento en el rendimiento, y debe ser considerado cuando el aumento del rendimiento no es un factor fundamental al crear un arreglo RAID con SSD.
RAID 1 basado en SSD Kingston y controladores Broadcom
Así que, un arreglo RAID de primer nivel basado en el controlador Broadcom MegaRAID 9460-16i combina de dos a 32 unidades Kingston, que son copias entre sí, y proporciona redundancia completa. Si al utilizar HDDs tradicionales la velocidad de lectura y escritura de datos permanecía a nivel de dicho HDD, al usar soluciones NVMe SSD, obtenemos un aumento de rendimiento diez veces mayor. Especialmente en cuanto al tiempo de acceso a los datos. Por ejemplo, con dos SSD Kingston DC1000M U.2 NVMe en un RAID 1 en servidor, obtendremos 350,000 IOPS al leer datos aleatorios y 75,000 IOPS al escribir.
En cuanto a la velocidad secuencial de lectura, los resultados corresponderán a las especificaciones de la unidad: 3200 MB/s. Pero, dado que ambos SSD NVMe están en funcionamiento, los datos pueden ser leídos de ellos simultáneamente, lo que hace que las operaciones de lectura sean bastante rápidas. Sin embargo, la velocidad de escritura (que está especificada como 2000 MB/s) será más lenta, porque cada operación de escritura se realiza dos veces.
El arreglo RAID 1 es ideal para pequeñas bases de datos o cualquier otro entorno que requiera alta disponibilidad, pero con baja capacidad. La copia espejo de las unidades es especialmente útil en escenarios de recuperación ante desastres (esto disminuye ligeramente el rendimiento), ya que proporciona una "resurrección" instantánea de datos importantes si una de las unidades en el arreglo falla. Pero, dado que este nivel de protección requiere el doble de capacidad para almacenar la copia espejo de los datos (para almacenar 100 TB se necesitarán 200 TB de espacio), en muchos sistemas corporativos se utilizan opciones de almacenamiento más económicas: RAID 5 y RAID 6.
RAID 5 basado en SSD Kingston y controladores Broadcom
Para organizar una matriz RAID de nivel cinco, se requieren al menos tres unidades de almacenamiento, cuyos datos se alternan (se escriben cíclicamente en todas las unidades de la matriz), pero no se duplican. Al organizarlas, se debe tener en cuenta su estructura más compleja, ya que aquí aparece el concepto de 'suma de verificación' (o 'paridad'). Este término se refiere a una función lógica algebraica XOR (que también es 'o exclusivo'), que dicta el uso de un mínimo de tres unidades en la matriz (máximo – 32). Además, la información sobre la paridad se escribe en todos los 'discos' de la matriz.
Para una matriz de cuatro unidades SSD SATA Kingston DC500R de 3,84 TB cada una, obtendremos 11,52 TB de espacio y 3,84 para las sumas de verificación. Y si combinamos 16 unidades NVMe Kingston DC1000M U.2 de 7,68 TB en un RAID de nivel cinco, obtendremos 115,2 TB con una pérdida de 7,68 TB. Como pueden ver, cuantas más unidades, mejor será el rendimiento final. También es mejor porque cuantas más unidades haya en RAID 5, mayor será el rendimiento total en las operaciones de escritura. Y la lectura secuencial alcanzará el nivel de RAID 0.
Un grupo de discos RAID 5 ofrece un alto ancho de banda (especialmente para archivos grandes) y redundancia con una mínima pérdida de potencia. Este tipo de organización de matriz es más adecuado para redes que realizan muchas operaciones de entrada/salida (I/O) pequeñas simultáneamente. Sin embargo, no se debe utilizar para tareas que requieren un gran número de operaciones de escritura de bloques pequeños o pequeños.
Hay otro matiz: si falla al menos uno de los dispositivos NVMe, RAID 5 entra en modo de degradación y la falla de otro dispositivo de almacenamiento puede volverse crítica para todos los datos. En caso de que un dispositivo falle en la matriz, el controlador RAID utilizará la información de paridad para recrear todos los datos faltantes.
RAID 10 basado en SSD Kingston y controladores Broadcom.
RAID 0 nos proporciona un aumento de velocidad y tiempo de acceso de dos veces, mientras que RAID 1 garantiza fiabilidad. Idealmente, quisiéramos combinar ambos, y aquí es donde entra RAID 10 (o 1+0). El "10" se compone de cuatro unidades SATA SSD o NVMe (máximo – 32) y consiste en un conjunto de "espejos", con un número de unidades que siempre debe ser un múltiplo de cuatro. Los datos en este arreglo se escriben mediante la segmentación en bloques fijos (como en el caso de RAID 0) y la alternancia entre las unidades, distribuyendo copias entre los "discos" en el arreglo RAID 1. Gracias a la posibilidad de acceso simultáneo a varios grupos de discos, RAID 10 muestra un alto rendimiento.
Dado que RAID 10 puede distribuir datos a través de varios pares de espejos, significa que puede tolerar la falla de una unidad en cada par. Sin embargo, en caso de que fallen ambos pares de espejos (es decir, las cuatro unidades), se producirá una pérdida inevitable de datos. Como resultado, también obtenemos una buena tolerancia a fallos y fiabilidad. Pero hay que tener en cuenta que al igual que RAID 1, el arreglo de décima nivel utiliza solo la mitad de la capacidad total, por lo que es una solución costosa. Además, es complicado de configurar.
RAID 10 es adecuado para almacenamiento de datos que requiere un 100% de redundancia a partir de grupos de discos espejados y también un rendimiento de entrada/salida mejorado de RAID 0. Esta es la mejor solución para bases de datos de tamaño medio o cualquier entorno que requiera mayor tolerancia a fallos que RAID 5.
RAID 50 basado en SSD Kingston y controladores Broadcom
Un arreglo combinado, similar al RAID de décimo nivel, que es un arreglo de nivel cero formado a partir de arreglos de quinto nivel. Al igual que en el caso anterior, el objetivo principal de este arreglo es lograr el doble de rendimiento mientras se mantiene la fiabilidad de los datos en los arreglos RAID 5. RAID 50 ofrece un rendimiento de escritura superior y mejor protección de datos en comparación con el RAID 5 estándar en caso de fallo de un disco, así como también una recuperación más rápida en caso de fallo de una de las unidades.
El grupo de discos RAID 50 divide los datos en bloques más pequeños y luego los distribuye en cada arreglo RAID 5. A su vez, el grupo de discos RAID 5 también divide los datos en bloques más pequeños, calcula la paridad, realiza una operación lógica OR para los bloques y luego lleva a cabo operaciones de escritura en los bloques de datos y de control de la paridad para cada disco en el grupo de discos.
Y aunque el rendimiento inevitablemente disminuye en caso de fallo de uno de los dispositivos, esto no es tan significativo como en un arreglo RAID 5, dado que un fallo afecta únicamente a uno de los arreglos, dejando el otro completamente operativo. De hecho, RAID 50 puede soportar hasta ocho fallos de HDD/SSD/NVMe, siempre que cada disco fallido se encuentre en un arreglo RAID 5 separado.
RAID 50 es mejor utilizar para aplicaciones que requieren alta fiabilidad y deben manejar un gran número de solicitudes manteniendo altas tasas de transferencia de datos y un costo más bajo de los dispositivos en comparación con un arreglo RAID 10. Sin embargo, dado que se requieren al menos seis dispositivos para configurar un arreglo RAID 50, el costo no debe ser completamente ignorado como un factor. Una de las desventajas de RAID 50 es que, al igual que RAID 5, necesita un controlador complejo: uno como el en el artículo anterior de Broadcom.
También cabe señalar que RAID 50 tiene menos espacio en disco utilizable que RAID 5, debido a la asignación de capacidad para mantener registros de control de la paridad. Sin embargo, aún cuenta con más espacio útil que otros niveles de RAID, especialmente aquellos que utilizan espejado. Con un requisito mínimo de seis discos, RAID 50 puede ser una opción costosa, pero el espacio adicional en disco justifica el gasto al proteger los datos corporativos. Este tipo de arreglo se recomienda para trabajar con datos que requieren una alta fiabilidad de almacenamiento, una alta frecuencia de solicitudes, altas velocidades de transferencia y una gran capacidad de almacenamiento.
RAID 6 y RAID 60: tampoco nos hemos olvidado de ellos
Ya que hemos hablado de los arreglos de niveles cinco y cincuenta, sería un error no mencionar también tipos de organización de arreglos como RAID 6 y RAID 60.
El rendimiento de RAID 6 es similar al de RAID 5, pero aquí ya se controlan al menos dos unidades para la paridad, lo que permite que el arreglo soporte la falla de dos unidades sin pérdida de datos (en RAID 5 esta situación es extremadamente indeseable). Esto proporciona una mayor fiabilidad. Por lo demás, es igual que en el arreglo de nivel cinco: en caso de falla de una o dos unidades, el controlador RAID utiliza los bloques de paridad para recrear toda la información faltante. En caso de falla de dos unidades, la recuperación no ocurre simultáneamente: primero se reactiva la primera unidad, luego la segunda. Así, se realizan dos operaciones de recuperación de datos.
No es difícil deducir que, si RAID 50 es un arreglo de nivel cero hecho de arreglos de nivel cinco, entonces RAID 60 es un arreglo de nivel cero hecho de arreglos de nivel seis, de los cuales acabamos de hablar. Es decir, esta organización del almacenamiento RAID permite sobrevivir a la pérdida de dos SSD en cada grupo de unidades RAID 6. El principio de operación es similar al que discutimos en la sección sobre RAID 50, pero el número de fallos que puede soportar el arreglo de nivel sesenta aumenta de 8 a 16 unidades. Normalmente, estos arreglos se utilizan para servicios en línea que requieren alta disponibilidad.
Resumiendo:
A pesar de que la mirroring proporciona mayor tolerancia a fallos comparado con RAID 50/60, también requiere mucho más espacio. Dado que la cantidad de datos se duplica, en realidad solo obtenemos el 50% de la capacidad total de las unidades instaladas en el servidor para escribir y almacenar información. La elección entre RAID 50/60 y RAID 10 dependerá en gran medida de los presupuestos disponibles, la capacidad del servidor y sus necesidades de protección de datos. De hecho, el costo se vuelve primordial cuando hablamos de soluciones SSD (tanto de clase empresarial como de consumo).
No menos importante es que ahora sabemos con certeza que el RAID basado en SSD es una solución completamente segura y una práctica normal para los negocios modernos. También hay sentido en pasar a NVMe para aplicaciones domésticas, si el presupuesto lo permite. Y si aún se pregunta por qué es necesario todo esto, regrese al principio del artículo: ya hemos respondido detalladamente a esa cuestión.
Este artículo ha sido preparado con el apoyo de nuestros colegas de Broadcom, quienes proporcionan sus controladores a los ingenieros de Kingston para pruebas con unidades SATA/SAS/NVMe de clase empresarial. Gracias a esta simbiosis amigable, los clientes no tienen que preocuparse por la fiabilidad y estabilidad de funcionamiento de los dispositivos Kingston con controladores HBA y RAID. .
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Fuente: habr.com
