Kas on vaja luua RAID-massiiv SSD-dest ja milliseid kontrollereid selleks vajatakse?

Tere, Habr! Käesolevas artiklis räägime, kas on mõttekas luua RAID-massiive, kasutades SATA SSD ja NVMe SSD tahkislahendusi, ning kas sellest saab tõeliselt suurt kasu. Otsustasime seda küsimust uurida, vaadates erinevaid kontrollerite tüüpe, mis võimaldavad seda teha, samuti nende konfiguratsioonide rakendusalasid.

Nii või teisiti, on igaühel meist vähemalt korra elus kuulnud selliseid mõisteid nagu “RAID”, “RAID-massiiv”, “RAID-kontroller”, kuid on vähe neid, kes sellele tõsiselt tähelepanu pööravad, kuna tavalisel arvutikasutajal ei ole ilmselt see huvitav. Ent kiiremad andmesalvestid ja nende usaldusväärne töö pakuvad huvi kõigile. Sest ükskõik kui võimas ka poleks arvuti riistvara, muutub salvestusseadmestiku töö kiirus kitsaskohaks, kui juttu tuleb arvuti ja serveri kogutootlikkusest.

See oli nii kuni hetkeni, mil traditsioonilised HDD-d asendasid kaasaegsed NVMe SSD-d, mille maht on sarnane 1 TB ja enamaga. Kui varem oli MINI arvutites tihti kombineeritud SATA SSD koos paariga mahuka HDD-ga, siis täna hakkab neid asendama teine lahendus — NVMe SSD koos paariga mahuka SATA SSD-ga. Kui rääkida ettevõtte serveritest ja „pilvedest”, siis paljud on juba edukalt üle läinud SATA SSD-dele, lihtsalt seetõttu, et need on kiirem kui tavalised “mehaanilised kettad” ja suudavad samal ajal töödelda suuremat hulka sisendi / väljundi operatsioone.

Kuid süsteemi talitlushäiretase jääb siiski üsna madalaks: me ei saa nagu „Selgeltnägijate tuleproovis” täpselt ette öelda, millal üks või teine tahkislaud lõpetab töö. Kui HDD-d “surevad” järk-järgult, andes võimaluse sümptomeid jälgida ja meetmeid võtta, siis SSD-d “surevad” kohe ja ilma hoiatuseta. Nüüd on paras aeg mõelda, miks see kõik üldse vajalik on? Kas tasub luua RAID-massiive, kasutades SATA SSD ja NVMe SSD tahkislahendusi, ning kas sellest on tõeliselt suurt kasu?

Miks on vajalik RAID-massiiv?

Sõna "massiiv" viitab juba sellele, et selle loomiseks kasutatakse mitmeid salvestusseadmeid (HDD ja SSD), mis ühendatakse RAID-kontrolleri abil ja tunnustatakse operatsioonisüsteemis kui ühte andmete salvestusruumi. RAID-massiivide peamine eesmärk on andmete juurde pääsemise aja minimeerimine, lugemis-/kirjutamiskiirus ja usaldusväärsuse suurendamine, mida saavutatakse võimaluse kaudu kiireks taastamiseks, kui esineb rike. Muide, koduste varukoopiate jaoks ei ole RAID kasutamine sugugi vajalik. Kui aga teil on koduserver, millele on vajalik pidev juurdepääs 24/7, siis on asi teine.

On olemas üle tosina erineva RAID-massiivi taseme, millest igaühel on erinev arv kasutatavaid salvestusseadmeid ning omad plussid ja miinused: näiteks RAID 0 võimaldab saavutada kõrge jõudluse, kuid ilma rikkeotsustamiseta, RAID 1 – korraldab automaatse andmete peegeldamise, ilma kiirusetõusuta, ja RAID 10 ühendab endas eelnevalt mainitud võimalusi. RAID 0 ja 1 on kõige lihtsamad (kuna ei nõua tarkvara arvutusi) ja seega ka kõige populaarsemad. Lõppkokkuvõttes sõltub valik selle või teise RAID-taseme kasuks diskimassiivi ülesannetest ja RAID-kontrolleri võimalustest.

Kodune ja ettevõtte RAID: milles on vahe?

Iga kaasaegse ettevõtte alus on suur hulk andmeid, mis peab olema usaldusväärselt salvestatud ettevõtte serveritesse. Ja nagu me juba varem ütlesime, peab neile olema tagatud pidev juurdepääs 24/7. Loogiliselt on selge, et koos "raftwarega" on oluline ka riistvara, kuid antud juhul räägime siiski varustusest, mis tagab usaldusväärse andmete salvestamise ja töötlemise. Ükski tarkvara ei suuda ettevõtet päästa pankrotti, kui "raistvara" ei vasta sellele esitatud nõuetele.

Selliste ülesannete jaoks pakub iga "raistvara" tootja nn korporatiivse seadmeid. Kingston pakub võimsaid tahkislahendusi SATA mudelite näol. Kingston 450R (DC450R) ja seeria DC500, samuti NVMe-mudelite DC1000M U.2 NVMe, DCU1000 U.2 NVMe ja DCP-1000 PCI-e, mis on mõeldud andmekeskustes ja superarvutites kasutamiseks. Sellistest seadmetest koosnevaid maatrikseid kasutatakse tavaliselt koos riistvarakontrolleritega.

Kuid tarbijaturul (st kodu-PC-de ja NAS-serverite jaoks) on saadaval sellised seadmed nagu Kingston KC2000 NVMe PCIe, kuid sel juhul ei ole hädavajalik osta riistvarakontrollerit. Võib piirduda emaplaadi või NAS-serveri sisseehitatud kontrolleriga, kui te ei plaani iseseisvalt kokku panna kodust serverit ebatüüpiliste ülesannete jaoks (näiteks väikese koduhostingu loomiseks sõpradele). Lisaks, kodused RAID-maatriksid ei eelda tavaliselt sadu ja tuhandeid seadmeid, piirdudes kahe, nelja ja kaheksa seadmega (tavaliselt SATA).

RAID-kontrollerite tüübid ja liigid

On olemas kolm tüüpi RAID-kontrollereid, mis põhinevad RAID-maatriksite rakendamise printsiipidel:

1. Tarkvaralised, kus hallatav maatriks toetub CPU-le ja DRAM-ile (st tarkvarakoodi täitmine toimub protsessoris).

2. Integreeritud, ehk emaplaatidesse või NAS-serveritesse ehitatud.

3. Riistvaralised (moodulid), mis on diskreetsete laiendusplaatide kujul PCI/PCIe süsteemi plaatide jaoks.

Milline on nende põhimõtteline erinevus? Tarkvaralised RAID-kontrollerid jäävad integreeritud ja riistvaralistest maha tootlikkuse ja tõrgeteta töö osas, kuid ei vaja tööks spetsiaalset riistvara. Siiski on oluline veenduda, et host-süsteemi protsessor oleks piisavalt võimas RAID-tarkvara käivitamiseks, ilma et see negatiivselt mõjutaks selliste rakenduste jõudlust, mis töötavad ka hostis. Integreeritud kontrollerid on tavaliselt varustatud oma vahemäluga ja kasutavad teatud hulka CPU ressursse.

Riistade omavad mitte ainult oma vahemälu, vaid ka sisseehitatud protsessorit tarkvaraliste algoritmide täitmiseks. Need võimaldavad tavaliselt rea RAID-massiivide tasemete elluviimist ning toetavad mitmesuguseid andmekandjaid. Näiteks, kaasaegsed Broadcomi riistvarakontrollerid võimaldavad samaaegselt ühendada SATA-, SAS- ja NVMe-seadmeid, mis tähendab, et serverite täiendamisel ei pea kontrollerit vahetama: näiteks SATA SSD-lt NVMe SSD-le üleminekul kontrollerit vahetama ei pea.

Nii oleme jõudnud kontrollerite tüpoloogiani. Kui on olemas kolmerežiimilised, peavad olema ka muud? Antud juhul on vastus sellele küsimusele positiivne. RAID-kontrollerid võib klassifitseerida mitmesse tüüpi vastavalt funktsioonidele ja võimalustele:

1. Tavalised kontrollerid RAID-funktsiooniga
Kogu hierarhias on see kõige lihtsam kontroller, mis võimaldab ühendada HDD ja SSD RAID-massiividesse tasemetes “0”, “1” või “0+1”. Tarkvaraline teostus toimub püsivara tasandil. Siiski on selliseid seadmeid raske soovitada ettevõtte sektorisse, kuna neil puudub vahemälu ja ei toetata massiive tasemetes “5”, “3” jne. Koduse algtaseme serveri jaoks sobivad nad aga suurepäraselt.

2. Kontrollerid, mis töötavad koos teiste RAID-kontrolleritega
Selle tüüpi kontrollerid saavad töötada koos emaplaatide integreeritud kontrolleritega. See on teostatud järgmiselt: diskreetne RAID-kontroller lahendab “loogilisi” ülesandeid, samas kui integreeritud kontroller tegeleb andmete vahetusega andmekandjate vahel. Kuid on üks nüanss: selliste kontrollerite paralleelne töö on võimalik ainult ühilduvates süsteemiplattides, seega on nende rakenduste valdkond tõsiselt kitsendatud.

3. Iseseisvad RAID-kontrollerid
Need diskreedised lahendused sisaldavad kõik vajalikud kiibid ettevõtte klassi serveritega töötamiseks, omades oma BIOS-i, vahemälu ja protsessorit vigade kiireks parandamiseks ja kontrollsummade arvutamiseks. Lisaks vastavad nad kvaliteedi ja usaldusväärsuse kõrgetele standarditele ning sisaldavad kõrgekvaliteedilisi mälu mooduleid.

4. Välist RAID-kontrollerid
Pole kergesti arvatav, et kõik ülaltoodud kontrollerid on sisemised ja saavad toite emaplaadi PCIe pesast. Mis see tähendab? See tähendab, et emaplaadi rike võib põhjustada RAID-massiivi tõrkeid ja andmete kaotust. Välimised kontrollerid on sellest probleemist vabastatud, kuna need paiknevad eraldi korpuses koos iseseisva toiteblokkidega. Usaldusväärtuse osas tagavad sellised kontrollerid andmete salvestamise kõrgeima taseme.

Broadcom, Microsemi Adaptec, Intel, IBM, Dell ja Cisco on vaid mõned ettevõtted, mis pakuvad praegu riistvaralisi RAID-kontrolle.

RAID kontrollerite töötamisrežiimid SAS/SATA/NVMe

Kolme režiimi HBA- ja RAID-kontrollerite (või Tri-Mode funktsiooniga kontrollerite) peamine ülesanne on luua riistvaraline RAID NVMe baasil. Broadcomi kontrollerid 9400 seeriast suudavad seda teha, näiteks MegaRAID 9460-16i. See kuulub iseseisvate RAID-kontrollerite tüüpi, millel on neli SFF-8643 pesa ning Tri-Mode toe tõttu võimaldab samaaegselt liita SATA/SAS- ja NVMe-mälu. Lisaks on see üks kõige energiatõhusamaid kontrollerite turul (kasutab vaid 17 vatti energiat, vähem kui 1,1 vatti iga 16 porti kohta).

Ühendusliideseks on PCI Express x8 versioon 3.1, mis võimaldab saavutada läbilaskevõime 64 Gbit/s (2020. aastal on oodata PCI Express 4.0 kontrollerite turule toomist). 16-portilise kontrolleri aluseks on 2-tuumaline kiip SAS3516 ja 72-bitine DDR4-2133 SDRAM (4 Gt), samuti on võimalik liita kuni 240 SATA/SAS- või kuni 24 NVMe-seadet. RAID-massiivide korraldamise osas toetatakse tasemeid “0”, “1”, “5” ja “6”, samuti “10”, “50” ja “60”. Muide, vahemälu MegaRAID 9460-16i ja teiste 9400 seeria kontrollerite puhul on kaitstud pingesüsteemi tõrgete eest täiendava CacheVault CVPM05 mooduliga.

Kolme režiimi tehnoloogia aluseks on SerDesi andmeedastusfunktsioon: andmete järjestikuse esituse muundamine SAS/SATA liideste kaudu paralleelseks vormiks PCIe NVMe-s ja vastupidi. See tähendab, et kontroller sünkroniseerib kiirus ja protokollid, et töötada sujuvalt koos mistahes kolme tüüpi salvestusseadmega. See tagab keskkondade skaleerimise keskusprotsessorite infrastruktuuris: kasutajad saavad kasutada NVMe-d märkimisväärsete muudatusteta süsteemi muudes konfiguratsioonides.

Kuid NVMe-draividega konfiguratsioonide planeerimisel on oluline arvestada, et NVMe-lahendused kasutavad ühendamiseks 4 PCIe rida, mis tähendab, et iga draiv kasutab kõiki SFF-8643 portide ridu. Tulemuseks on see, et MegaRAID 9460-16i kontrollerile saab otse ühendada ainult neli NVMe-draivi. Või piirata end kahele NVMe-lahendusele, samal ajal kui kaheksa SAS-draivi on ühendanud (vt allpool oleva ühendusskeemi).

Joonisel on näidatud pordi "0" (C0 / Connector 0) ja pordi "1" kasutamine NVMe ühendusteks, samuti pordid "2" ja "3" SAS ühendusteks. See asetus võib olla pööratud, kuid iga x4 NVMe draiv peab olema ühendatud naaberridades. Kontrolleri töörežiime seadistatakse konfiguratsioonitööriistade StorCLI või Human Interface Infrastructure (HII) kaudu, mis töötab UEFI keskkonnas.

Vaikerežiim on profiil "PD64" (toetab ainult SAS / SATA). Nagu juba mainitud, on kokku kolm profiili: "SAS/SATA only mode" (PD240 / PD64 / PD 16), "NVMe only mode" (PCIe4) ja segarežiim, kus saavad töötada kõik salvestusseadmestik: "PD64-PCIe4" (toetab 64 füüsilist ja virtuaalset ketast koos 4 NVMe-draiviga). Segarežiimis peab määratud profiili väärtus olema selline – "ProfileID=13". Muide, valitud profiil salvestatakse peamisel kujul ja ei lähtestata isegi tehase seadetesse tagasimineku korral käsuga Set Factory Defaults. Selle muutmiseks on võimalik vaid käsitsi.

Kas on mõtet luua RAID-massiiv SSD-l?

Nii, me oleme juba mõistnud, et RAID-massiivid on kiire jõudluse garantii. Kuid kas on mõtet kokku panna RAID tahkekettad kodu- ja ärikasutuseks? Paljud skeptikud räägivad, et kiirusetõus ei ole nii märgatav, et investeerida NVMe-kettasse. Aga kas see tõesti nii on? Vaevalt. Suurim piirang SSD-de kasutamisel RAID-is (nii kodus kui ettevõttes) võib olla ainult hind. Nagu öeldakse, tähe hind gigabaiti kohta HDD-de puhul on märkimisväärselt madalam.

Mitme tahkeketta ühendamine RAID-kontrolleriga SSD-massiivi loomiseks teatud konfiguratsioonides võib tootlikkusele märkimisväärselt mõjuda. Siiski ei tohi unustada, et maksimaalne tootlikkus on piiratud RAID-kontrolleri endi läbilaskevõimega. Parim RAID-tase kiiruseste osas on RAID 0.

Tavalise RAID 0 korraldamine kahe SSD-dega, kus kasutatakse andmete jagamise meetodit fikseeritud plokkide kaupa ja nende vaheldumist tahkekettade vahel, toob kaasa kahekordse tootlikkuse (kui võrrelda selle kiirust ühe SSD-ga). RAID 0 koos nelja tahkekettaga on aga neli korda kiirem kui aeglaneim SSD massiivis (sõltuvalt RAID-kontrolleri läbilaskevõime piirangust).

Lihtsa aritmeetika kohaselt on SATA SSD umbes 3 korda kiirem kui traditsiooniline SATA HDD. NVMe-lahendused on veelgi efektiivsemad — 10 korda ja rohkem. Eeldades, et kaks kõvaketast RAID 0 tasemel näitavad kahekordset tootlikkust, suurendades seda 50% võrra, siis kaks SATA SSD-d on 6 korda kiirem, samas kui kaks NVMe SSD-d on 20 korda kiirem. Eriti, üks Kingston KC2000 NVMe PCIe ketas võib saavutada järjestikuse lugemise ja kirjutamise kiiruseni kuni 3200 MB/s, mis RAID 0 formaadis ulatub muljetavaldavasse 6 GB/s. Ja juhuslike 4 KB plokkide lugemise/kirjutamise kiirus tõuseb 350 000 IOPS-ist 700 000 IOPS-ini. Kuid… samas ei paku "null" RAID meile üleliigset turvalisust.

Võib öelda, et kodustes tingimustes ei ole tavaliselt üleliigne salvestusruum vajalik, seega on SSD jaoks kõige paremini sobiv RAID konfiguratsioon tõepoolest RAID 0. See on usaldusväärne viis saavutada märkimisväärne jõudluse tõus alternatiivina sellistele tehnoloogiatele nagu Intel Optane'i alusel töötavad tahked kettad. Kuidas aga SSD lahendused käituvad kõige populaarsemates RAID tüüpides (“1”, “5”, “10”, “50”) — sellest räägime oma järgmises materjalis.

See artikkel on koostatud meie Broadcomi kolleegide abiga, kes pakuvad oma kontrollerid Kingston'i inseneridele testimiseks SATA/SAS/NVMe ettevõtte tasemel salvestusseadmete jaoks. Tänu sellele sõbralikele sümbioosile ei pea klientidel olema kahtlusi Kingston'i salvestusseadmete usaldusväärsuses ja stabiilsuses HBA- ja RAID-kontrolleritega. Broadcom.

Lisainfot Kingston'i toodete kohta leiate ametlikult veebilehelt ettevõttega.

Allikas: habr.com