¡Hola, Habr! En este artículo hablaremos sobre si vale la pena organizar arreglos RAID basados en soluciones de SSD SATA y NVMe, y si esto proporciona un beneficio significativo. Hemos decidido profundizar en este tema, analizando los tipos de controladores que permiten hacerlo, así como las áreas de aplicación de tales configuraciones.
De una forma u otra, cada uno de nosotros ha escuchado alguna vez términos como “RAID”, “arreglo RAID”, “controlador RAID”, pero rara vez se les ha otorgado una importancia seria, ya que al usuario promedio de PC probablemente no le interese mucho. Sin embargo, a todos nos gustaría tener altas velocidades de almacenamiento interno y la fiabilidad de su funcionamiento. Después de todo, no importa cuán potente sea la configuración de la computadora, la velocidad del dispositivo de almacenamiento se convierte en un cuello de botella cuando se habla del rendimiento general de la PC y el servidor.
Esto fue así hasta que los modernos SSD NVMe con capacidad comparable a 1 TB o más reemplazaron a los tradicionales HDD. Anteriormente, en las PCs era común ver combinaciones de SSD SATA más un par de HDD de gran capacidad, pero hoy están siendo reemplazados por otra solución: SSD NVMe más un par de SSD SATA de gran capacidad. En el caso de servidores corporativos y ‘nubes’, muchos ya han migrado a SSD SATA, simplemente porque son más rápidos que los antiguos ‘discos duros’ y pueden manejar una mayor cantidad de operaciones de entrada/salida simultáneamente.
Sin embargo, la redundancia del sistema sigue estando en un nivel bastante bajo: no podemos, como en ‘La batalla de los psíquicos’, predecir con precisión incluso hasta una semana cuándo un determinado dispositivo de almacenamiento sólido dejará de funcionar. Mientras que los HDD ‘mueren’ gradualmente, permitiendo captar síntomas y tomar medidas, los SSD ‘mueren’ de inmediato y sin previo aviso. Y ahora es el momento de aclarar, ¿para qué sirve todo esto? ¿Vale la pena organizar arreglos RAID basados en soluciones de SSD SATA y NVMe, y proporcionará algún beneficio significativo?
¿Para qué se necesita un arreglo RAID?
La palabra “arreglo” ya implica que se utilizan varios dispositivos (HDD y SSD) para su creación, que se combinan mediante un controlador RAID y son reconocidos por el sistema operativo como un solo almacenamiento de datos. La tarea global que permiten resolver los arreglos RAID es la minimización del tiempo de acceso a los datos, el aumento de la velocidad de lectura/escritura y la confiabilidad, que se logra gracias a la posibilidad de una recuperación rápida en caso de fallo. A propósito, para copias de seguridad en casa no es necesario utilizar RAID. Pero si tienes tu propio servidor en casa que requiere acceso constante 24/7, ahí la situación es diferente.
Existen más de una docena de niveles de arreglos RAID, cada uno de los cuales se diferencia por la cantidad de dispositivos utilizados y tiene sus ventajas y desventajas: por ejemplo, RAID 0 permite obtener un alto rendimiento sin tolerancia a fallos, RAID 1 establece la replicación automática de datos sin incremento de velocidad, y RAID 10 combina las posibilidades de los anteriores. RAID 0 y 1 son los más simples (ya que no requieren cálculos software) y, por ende, los más populares. En última instancia, la elección de un nivel de RAID u otro depende de las tareas asignadas al arreglo de discos y de las capacidades del controlador RAID.
RAID doméstico y corporativo: ¿cuál es la diferencia?
La base de cualquier negocio moderno son grandes volúmenes de datos que deben almacenarse de forma segura en los servidores de las empresas. Además, como hemos mencionado anteriormente, debe asegurarse el acceso constante 24/7. Es obvio que, junto con el hardware, también es importante la parte de software, pero en este caso hablamos sobre el equipo que asegura el almacenamiento y procesamiento de la información de manera confiable. Ningún software salvará a la empresa de la ruina si el equipamiento “hardware” no corresponde a las tareas que se le asignan.
Para estas tareas, cualquier fabricante de hardware ofrece lo que se llama dispositivos corporativos. En Kingston, se trata de potentes soluciones de estado sólido en forma de modelos SATA. y , así como modelos NVMe DC1000M U.2 NVMe, DCU1000 U.2 NVMe y DCP-1000 PCI-e, diseñados para su uso en centros de datos y supercomputadoras. Los arreglos de tales unidades suelen utilizarse junto con controladores de hardware.
Para el mercado de consumo (es decir, para PC domésticos y servidores NAS) están disponibles unidades como NVMe PCIe, pero en este caso no es necesario adquirir un controlador de hardware. Se puede utilizar el integrado en la placa madre de la PC o del servidor NAS, siempre que no se planee armar un servidor doméstico para tareas no convencionales (como crear un pequeño hosting para amigos, por ejemplo). Además, los arreglos RAID domésticos suelen no contemplar la utilización de cientos o miles de unidades, limitándose a dos, cuatro u ocho dispositivos (generalmente SATA).
Tipos y clases de controladores RAID
Existen tres tipos de controladores RAID, basados en los principios de implementación de arreglos RAID:
1. Software, en los que la gestión del arreglo recae sobre la CPU y DRAM (es decir, la ejecución de código se realiza en el procesador).
2. Integrados, es decir, incorporados en las placas madre de PC o servidores NAS.
3. Hardware (modulares), que son tarjetas de expansión discretas para conectores PCI/PCIe en placas base.
¿Cuál es la diferencia fundamental entre ellos? Los controladores RAID de software son inferiores en rendimiento y resiliencia a los integrados y de hardware, pero no requieren hardware especial para funcionar. Sin embargo, es importante asegurarse de que el procesador del sistema host sea lo suficientemente potente para ejecutar el software RAID sin afectar negativamente el rendimiento de las aplicaciones que también están corriendo en el host. Los controladores integrados, por lo general, vienen con su propia memoria caché y utilizan cierta cantidad de recursos de la CPU.
Los controladores de hardware cuentan tanto con su propia memoria caché como con un procesador integrado para ejecutar algoritmos de software. Normalmente, permiten implementar todos los tipos de niveles de arreglos RAID y soportan varios tipos de dispositivos de almacenamiento. Por ejemplo, los controladores de hardware modernos de la empresa Broadcom pueden conectar simultáneamente dispositivos SATA, SAS y NVMe, lo que significa que no es necesario cambiar el controlador al actualizar los servidores: en particular, al migrar de SSD SATA a SSD NVMe, no será necesario cambiar los controladores.
Y con esto, hemos llegado a la tipologización de los propios controladores. Si existen controladores de tres modos, ¿deben haber otros? En este caso, la respuesta a esta pregunta será afirmativa. Dependiendo de las funciones y capacidades, los controladores RAID se pueden dividir en varios tipos:
1. Controladores comunes con función RAID
En toda la jerarquía, este es el controlador más simple, que permite combinar HDD y SSD en arreglos RAID de niveles “0”, “1” o “0+1”. Esta función se implementa a nivel de firmware. Sin embargo, es poco probable que tales dispositivos sean recomendables para su uso en el segmento corporativo, ya que carecen de caché y no soportan arreglos de niveles “5”, “3”, etc. Pero son completamente adecuados para un servidor doméstico de nivel de entrada.
2. Controladores que trabajan en conjunto con otros controladores RAID
Este tipo de controladores puede operar junto con controladores integrados en placas madre. Esto se lleva a cabo del siguiente modo: el controlador RAID discreto asume la solución de tareas "lógicas", mientras que el integrado se encarga de las funciones de intercambio de datos entre los dispositivos de almacenamiento. Pero hay un matiz: el funcionamiento paralelo de tales controladores solo es posible en placas base compatibles, lo que significa que su ámbito de aplicación se reduce considerablemente.
3. Controladores RAID autónomos
Estas soluciones discretas incluyen a bordo todos los chips necesarios para funcionar con servidores de clase empresarial, teniendo su propio BIOS, memoria caché y un procesador para la rápida corrección de errores y cálculo de sumas de verificación. Además, cumplen con altos estándares de fiabilidad en términos de fabricación y cuentan con módulos de memoria de alta calidad.
4. Controladores RAID externos
No es difícil deducir que todos los controladores mencionados anteriormente son internos y reciben energía a través del conector PCIe de la placa base. ¿Qué significa esto? Que una falla en la placa base puede causar errores en el funcionamiento de la matriz RAID y pérdida de datos. Los controladores externos, en cambio, están libres de este inconveniente, ya que se colocan en un chasis separado con una fuente de alimentación independiente. En términos de confiabilidad, dichos controladores ofrecen el más alto nivel de almacenamiento de datos.
, Microsemi Adaptec, Intel, IBM, Dell y Cisco son solo algunas de las compañías que actualmente ofrecen controladores RAID de hardware.
Modos de operación de los controladores RAID SAS/SATA/NVMe
La tarea principal de los controladores HBA y RAID de tres modos (o controladores con función Tri-Mode) es crear RAID de hardware basado en NVMe. La compañía Broadcom tiene controladores de la serie 9400 que pueden hacerlo: por ejemplo, . Se trata de un tipo de controlador RAID autónomo, equipado con cuatro conectores SFF-8643 y, gracias al soporte de Tri-Mode, permite conectar unidades SATA/SAS y NVMe simultáneamente. Además, es uno de los controladores más eficientes en energía del mercado (consume solo 17 vatios de energía, es decir, menos de 1,1 vatios por cada uno de los 16 puertos).
El método de conexión es PCI Express x8 de la versión 3.1, que permite alcanzar un ancho de banda de 64 Gbps (se espera que en 2020 aparezcan controladores para PCI Express 4.0). La base del controlador de 16 puertos es un chip de 2 núcleos y 72 bits de DDR4-2133 SDRAM (4 GB), y también se implementa la posibilidad de conectar hasta 240 unidades SATA/SAS o hasta 24 dispositivos NVMe. En cuanto a la organización de los arreglos RAID, se admiten los niveles “0”, “1”, “5” y “6”, así como “10”, “50” y “60”. Por cierto, la memoria caché y otros controladores de la serie 9400 están protegidos contra fallos de energía por un módulo adicional CacheVault CVPM05.
La tecnología de tres modos se basa en la función de conversión de datos SerDes: convierte la representación secuencial de datos en las interfaces SAS/SATA a una forma paralela en PCIe NVMe y viceversa. Es decir, el controlador sincroniza velocidades y protocolos para trabajar sin problemas con cualquiera de los tres tipos de dispositivos de almacenamiento. Esto proporciona una forma continua de escalar la infraestructura de los centros de datos: los usuarios pueden utilizar NVMe sin cambios significativos en otras configuraciones del sistema.
Sin embargo, al planificar configuraciones con unidades NVMe, es importante tener en cuenta que las soluciones NVMe utilizan 4 líneas PCIe para la conexión, lo que significa que cada unidad utiliza todas las líneas de los puertos SFF-8643. Por lo tanto, solo se pueden conectar directamente cuatro unidades NVMe al controlador MegaRAID 9460-16i. O limitarse a dos soluciones NVMe al conectar simultáneamente ocho unidades SAS (ver el esquema de conexión a continuación).
La imagen muestra el uso del conector "0" (C0 / Connector 0) y el conector "1" para las conexiones NVMe, así como los conectores "2" y "3" para las conexiones SAS. Esta disposición puede invertirse, pero cada unidad x4 NVMe debe conectarse utilizando líneas adyacentes. Los modos de operación del controlador se establecen a través de las herramientas de configuración StorCLI o de Human Interface Infrastructure (HII), que funciona en un entorno UEFI.
El modo predeterminado es el perfil "PD64" (solo soporte para SAS / SATA). Como mencionamos anteriormente, hay tres perfiles en total: el modo "solo SAS/SATA" (PD240 / PD64 / PD 16), el modo "solo NVMe" (PCIe4) y el modo mixto, en el que pueden operar todos los tipos de unidades: "PD64-PCIe4" (soporte para 64 discos físicos y virtuales con 4 unidades NVMe). En el modo mixto, el valor del perfil establecido debe ser así: "ProfileID=13". Cabe destacar que el perfil seleccionado se guarda como el principal y no se restablece incluso al volver a la configuración de fábrica mediante el comando Set Factory Defaults. Solo se puede cambiar manualmente.
¿Vale la pena crear un arreglo RAID en SSD?
Así que ya hemos entendido que las matrices RAID son la clave para un alto rendimiento. Pero, ¿vale la pena construir un RAID con unidades de estado sólido para uso doméstico y corporativo? Muchos escépticos argumentan que el aumento de velocidad no es tan significativo como para gastar en unidades NVMe. Pero, ¿es realmente así? Difícilmente. La mayor limitación para usar SSD en RAID (tanto en el hogar como a nivel corporativo) puede ser solo el precio. Hay que admitir que el costo por gigabyte de espacio en un HDD es significativamente más barato.
Conectar varias "unidades" de estado sólido al controlador RAID para crear una matriz de SSD en ciertas configuraciones puede tener un gran impacto en el rendimiento. Sin embargo, no hay que olvidar que el rendimiento máximo está limitado por el ancho de banda del propio controlador RAID. El nivel de RAID que ofrece la mejor velocidad de operación es el RAID 0.
La organización de un RAID 0 convencional con dos unidades SSD, que utiliza el método de segmentación de datos en bloques fijos y su alternancia entre los almacenes de estado sólido, resultará en un doble rendimiento (si se compara con las velocidades que ofrece un solo SSD). De este modo, una matriz RAID 0 con cuatro unidades de estado sólido será ya cuatro veces más rápida que el SSD más lento en la matriz (dependiendo de la limitación de ancho de banda en el nivel del controlador RAID SSD).
Si partimos de una simple aritmética, un SSD SATA es aproximadamente 3 veces más rápido que un tradicional HDD SATA. Las soluciones NVMe son aún más eficientes — 10 veces o más. Suponiendo que dos discos duros en un RAID de nivel cero mostrarán un rendimiento duplicado, aumentando su capacidad en un 50%, dos SSD SATA serán 6 veces más rápidos, mientras que dos SSD NVMe serán 20 veces más rápidos. En particular, una unidad Kingston KC2000 NVMe PCIe puede alcanzar velocidades de lectura y escritura secuenciales de hasta 3200 MB/s, lo que en formato RAID 0 alcanzará impresionantes 6 GB/s. Además, la velocidad de lectura/escritura de bloques aleatorios de 4 KB pasará de 350,000 IOPS a 700,000 IOPS. Pero... al mismo tiempo, un RAID "cero" no nos proporciona redundancia.
Se puede decir que en condiciones domésticas la redundancia de almacenamiento generalmente no es necesaria, por lo que la configuración RAID más adecuada para SSD es realmente RAID 0. Este es un método confiable para obtener un aumento significativo en el rendimiento como alternativa al uso de tecnologías como los discos sólidos basados en Intel Optane. Sin embargo, ¿cómo se comportan las soluciones SSD en los tipos de RAID más populares ("1", "5", "10", "50")? Hablaremos de esto en nuestro próximo material.
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. .
Más información sobre los productos de Kingston se puede encontrar la empresa.
Fuente: habr.com
