Jagame tõekspidamisi, kuidas SSD-d RAID raames käituvad ja milline maht on kasumlikum

Uues varasema materjali oleme juba käsitlenud küsimust “Kas RAID on SSD-l rakendatav” Kingston’i salvestusseadmete näitel, kuid tegime seda ainult nulltasemel. Käesolevas artiklis vaatleme professionaalsete ja koduste NVMe-lahenduste kasutusvõimalusi kõige populaarsemates RAID-massiivide tüüpides ning räägime kontrollerite ühilduvusest. Broadcom Kingston’i salvestusseadmetega.

Miks on RAID vajalik SSD-l?

SSD-põhiste salvestusmassiivide eelised võrreldes kõvakettade massiividega hõlmavad andmete juurdepääsuaja vähenemist salvestusseadmes ning suurepärast jõudlust lugemise/kirjutamise operatsioonides. Kuid SSD alusel põhineva RAID’i ideaalne jõudlus nõuab optimaalseid kombinatsioone protsessorist, vahemälust, tarkvarast ja riistvarast. Kui kõik need tegurid töötavad koos ideaalselt, võib SSD RAID-massiiv oluliselt ületada sarnase konfiguratsiooni, kus on kasutatud traditsioonilisi HDD-sid.

Tüüpiline SSD tarbib vähem energiat kui kõvakettad, seetõttu võib suure hulga tahkete salvestusseadmete ühendamine RAID-massiivi energiasääst, võrreldes HDD-st koosneva RAID-massiiviga, tuua kaasa ka kulude vähendamise ettevõtete elektriarvetes.

Kuid SSD RAID-il on piirangud ja puudused: eelkõige on gigabaidi hind kõrgem võrreldes sama mahutavuse kõvakettadega. Lisaks on flash-mälu tööaeg rikke üle piiratud teatud ümberkirjutamise tsüklite arvuga. See tähendab, et SSD-de eluea pikkus sõltub kasutamisest: mida aktiivsemalt andmeid sinna ümber kirjutatakse, seda kiiremini see seade rikneb. Teiselt poolt on ettevõtte tahked salvestusseadmed piisava elueaga, mis on võrreldav mehhaaniliste kõvakettadega.

Kuidas elavad Kingston’i SSD-d RAID-režiimis Broadcom’i kontrolleritega.

SSD-diskide varajaste päevade jooksul varjas RAID-konstruktsioonides end palju nüansse. Sealhulgas vähem usaldUSW-d HDD-diskide kasutamine. Tahkisnumbrid on oma magnetiliste kolleegide suhtes oluliselt usaldusväärsemad. Nagu me teame, SSD-lahendustes puuduvad liikuvad osad, mistõttu on mehaanilised kahjustused nullitud. Tahkisnumbrite rike pingetõusude tõttu on uskumatult vähe tõenäoline, arvestades, et koduarvutites ja igasugustes serverites kaitsevad teid UPS-id, võrgufilterid ja isegi toiteplokid.

Kuid tahkisnumbrite puhul on veel üks oluline eelis: isegi kui mälurakud kuluvad kirjutamise tõttu — andmete lugemine neist on endiselt võimalik, kuid magnetketta kahjustamise korral — kahjuks mitte.

Käesoleval ajal on SSD-lahenduste kasutamine erinevate RAID-massiivide tasemetes täiesti normaalne praktika. Peamine on valida õiged tahkisnumbrid, mille latentsus on minimaalne. Ja ideaaljuhul tuleks kasutada SSD-sid samalt tootjalt ja sama mudelit, et mitte tekkida segasid, mis toetavad erinevaid koormustüüpe ja on ehitatud erinevatel mälu-, kontrolleri- ja muudel tehnoloogiatel. See tähendab, et kui oleme otsustanud osta nelja või 16 NVMe SSD-d Kingstonilt RAID-massiivi loomiseks — las need kõik paremini olla samast seeriast ja mudelivalikust.

Muide, eelmisel artiklil Me ei toonud juhuslikult Broadcomi kontrollerite näidet, kui rääkisime Kingstonist NVMe SSD-dest. Asi on selles, et nende seadmete manuaalides on kohe kirjas ühilduvad salvestusseadmed (sealhulgas lahendused eelnimetatud Ameerika tootjalt SSD-d), millega kontroller töötab tõrgeteta. Selle teabe põhjal tuleb valida “kontroller-SSD” kombinatsioon RAID-ile.

Analüüsime Kingston SSD-de tööd kõige populaarsemates RAID-tüüpidest — “1”, “5”, “10”, “50”

Nii et, RAIDi “null” tase ei paku andmete ülekandmisvõimet, vaid suurendab vaid jõudlust. RAID 0 ei paku üldse andmete kaitset, seega ei käsitle me seda ettevõtlussektoris. RAID 1, teisest küljest, tagab täieliku üleliigsuse, kuid ainult tagasihoidliku jõudluse tõusu, seega tuleks seda kaaluda juhul, kui jõudluse paranemine ei ole RAID-massiivi loomisel SSD-de seas määrav tegur.

RAID 1 Kingston SSD-de ja Broadcomi kontrollerite alusel

Seega Broadcom MegaRAID 9460-16i kontrolleril põhinev RAID 1-massiiv ühendab kahe kuni 32 Kingstoni salvestusseadet, mis on üksteise koopiad, ning tagab täieliku ülekandmisvõime. Kui traditsiooniliste HDD-de puhul jäi andmete lugemise ja kirjutamise kiirus selle samas HDD-sse, siis NVMe SSD-lahenduste kasutamisel saavutame me kümnekordse jõudluse kasvu. Eriti andmete juurdekuuluvuse osas. Näiteks kahe Kingston DC1000M U.2 NVMe SSD-ga serveri RAID 1-s saavutame 350 000 IOPS juhuslike andmete lugemisel ja 75 000 IOPS kirjutamisel.

Järjestikuste lugemiskiirusnäitajate osas vastavad tulemused salvestusseadmete omadustele — 3200 MB/s. Kuid kuna mõlemad NVMe SSD-d töötavad, saavad andmeid lugeda korraga, mis muudab lugemisprotsessid üsna kiireks. Kuid kirjutamise kiirus (mida reklaamitakse 2000 MB/s) on aeglasem, kuna iga kirjutamistoiming tehakse kahekordselt.

RAID 1 massiiv sobib ideaalselt väikesteks andmebaasideks või igasuguseks keskkonnaks, mis vajab talitlushäirete vastupidavust, kuid vähenenud mahtu. Salvestusseadmete peegeldamine on eriti abiks hädaparandusstsenaariumides (sellisel juhul on jõudlus veidi halvem), kuna see tagab oluliste andmete kohese „elustamise“, kui üks massiivi salvestusseadmest rikki läheb. Kuid kuna see kaitseaste nõuab andmete peegelkoodi salvestamiseks mahtude kahekordistamist (100 TB salvestamiseks on vajalik 200 TB ruumi), kasutatakse paljudes ettevõtte süsteemides ökonoomsemaid ladustamisvõimalusi: RAID 5 ja RAID 6.

RAID 5 Kingston SSD-de ja Broadcomi kontrollerite alusel

RAID 5 taseme massiivi korraldamiseks on meil vaja vähemalt kolme salvestusseadet, millele andmed vahelduvad (tsükliliselt kirjutatakse kõikidele massiivi salvestusseadmetele), kuid ei dubleerita. Nende korraldamisel tuleks arvestada nende keerukamat ülesehitust, kuna siia tekib selline mõiste nagu "kontrollsummad" (või "pariteet"). Selle all mõistetakse loogilist algebralist funktsiooni XOR (see on ka välistav „O”), mis määrab, et massiivis peab olema vähemalt kolm salvestusseadet (maksimaalselt – 32). Samuti kirjutatakse teave pariteedi kohta kõikidele massiivi “ketastele”.

Nelja Kingston DC500R SATA SSD-salvestusseadmest, millest igaühe maht on 3,84 TB, saame 11,52 TB salvestusruumi ja 3,84 TB kontrollsummade jaoks. Kui ühendame RAID 5 tasemesse 16 Kingston DC1000M U.2 NVMe salvestusseadet, mille maht on 7,68 TB, saame 115,2 TB ruumi, kaotades 7,68 TB. Nagu näete, mida rohkem salvestusseadmeid, seda parem tulemus. See on parem ka seetõttu, et mida rohkem salvestusseadmeid on RAID 5-s, seda kõrgem on kirjutamise operatsioonide kogutootlikkus. Ja järjepidev lugemine saavutab RAID 0 taseme.

RAID 5 ketaste rühm tagab kõrge läbilaskevõime (eriti suurte failide puhul) ja üleliigse hoidmise minimaalsete jõudluse kaotustega. Parim see massiivi korralduse tüüp sobib võrkudele, mis teevad palju väikseid sisend-väljundoperatsioone (I/O) samaaegselt. Kuid selle kasutamine ülesannetes, mis nõuavad suurt hulka väikeste või väikeste plokkide kirjutamisoperatsioone, ei ole soovitatav.
On ka veel üks nüanss: juhul kui vähemalt üks NVMe salvestusseade ebaõnnestub, siseneb RAID 5 degradatsioonirežiimi ja veel ühe salvestusseadmest väljalangemine võib olla kriitiline kõikide andmete jaoks. Kui üks salvestusseade massiivis ebaõnnestub, kasutab RAID-kontroller puuduvate andmete taastamiseks pariteetinformation.

RAID 10, mis põhineb Kingston SSD-del ja Broadcom kontrolleritel

Seega, RAID 0 pakub meile kahekordset kiirus- ja vastupidavuse kasvu, samas kui RAID 1 tagab usaldusväärsuse. Ideaalis oleks need kaks kombinatsioonis, ja siin aitab meid RAID 10 (või 1+0). „Kümnes” koosneb neljast SATA SSD- või NVMe-draivist (max 32) ning eeldab „peeglite” kogumit, mille draivide arv peab alati olema nelja kordne. Andmed salvestatakse selle kogumi raames fikseeritud plokkide kaupa (nagu RAID 0 korral) ja vahelduvad draivide vahel, jagades koopiaid „diskide” vahel RAID 1 matris. Tänu sellele, et on võimalik samal ajal pääseda juurde mitmele draivigruppile, näitab RAID 10 kõrget jõudlust.

Kuna RAID 10 suudab jagada andmeid mitme peegeldupaaride vahel, tähendab see, et see võib taluda ühe draivi riket paaris. Siiski, kui mõlemad peegeldupaarid (ehk kõik neli draivi) ebaõnnestuvad, toimub paratamatu andmekadu. Lõppkokkuvõttes saame ka head talitlushäirete vastupidavust ja usaldusväärsust. Kuid tasub meeles pidada, et nagu RAID 1, kasutab kümnes tase vaid pool kogumahtuvusest, seega on see kulukas lahendus. Veelgi keerulisem seadistada.

RAID 10 sobib kasutamiseks andmehoidlatega, mis nõuavad 100-protsendilist peegelduse ülejääki, samuti paremat toimivust RAID 0. See on parim lahendus keskmise suurusega andmebaasidele või igas keskkonnas, kus on vajalik suurem talitlushäirete vastupidavus kui RAID 5-l.

SSD Kingston ja Broadcomi kontrollerid põhinev RAID 50

Kombineeritud kogum, mis sarnaneb kümnenda taseme RAID-iga, mis on nulltaseme kogum, mis on loodud viienda taseme kogumitest. Nagu eelneval juhul, on selle kogumi põhieesmärk saavutada kahekordne jõudlus andmete usaldusväärsuse säilitamisel RAID 5 kogumites. Samuti tagab RAID 50 suurema kirjutamiskiirus ja parema andmete kaitse võrreldes tavalise RAID 5-ga draivi rikke korral, samuti suudab see kiiremini taastuda ühe draivi ebaõnnestumise korral.

RAID 50 ketasüsteem jagab andmed väiksemateks plokkideks ja seejärel jaotab need igasse RAID 5 massiivi. RAID 5 ketasüsteem jagab samuti andmed väiksemateks plokkideks, arvutab pariteedi, teeb loogilise OR-operatsiooni plokkide jaoks ja seejärel teostab andmete ja pariteedi kontrollplokkide salvestamise operatsioonid igale kettale keskuses.

Ja kuigi jõudlus väheneb ühel ketasel rikki minnes, pole see nii kriitiline kui RAID 5 massiivi puhul, kuna ühe rikke korral mõjutab see ainult ühte massiivi, jättes teise täiesti funktsionaalseks. Tegelikult võib RAID 50 taluda kuni kaheksat HDD/SSD/NVMe ketta riket, kui iga rikki läinud 'ketas' asub eraldi RAID 5 massiivis.

RAID 50 on kõige parem kasutada rakendustes, mis vajavad kõrget usaldusväärsust ja peavad töötlema suurt hulka päringuid, säilitades samal ajal kõrge andmeedastuskiirus ja madalam salvestusruumi maksumus võrreldes RAID 10-ga. Kuid kuna RAID 50 massiivi seadistamiseks on vajalik vähemalt kuus ketast, ei saa maksumust täielikult kõrvaldada. Üks RAID 50 puudustest on see, et nagu RAID 5, vajab see keerulist kontrollerit: näiteks mainitud eelmisel artiklis MegaRAID 9460-16i Broadcomilt.

Oluline on märkida, et RAID 50-l on vähem kasutatavat ketta ruumi kui RAID 5, mis on tingitud pariteedi kontrollide salvestamiseks reserveeritud mahust. Siiski on sellel endiselt rohkem kasulikku ruumi kui teistel RAID tasanditel, eriti nendel, mis kasutavad peegeldust. Kuue ketta minimaalne nõue teeb RAID 50 kalliks valikuks, kuid täiendav kettaruumi olemasolu õigustab kulutusi, kaitstes ettevõtte andmeid. See massiivitüüp on soovitatav andmete töötlemiseks, mis vajavad kõrget salvestus-usaldusväärsust, kõrgeid päringute sagedusi, kõrgeid edastuskiirus ja suurt mahutavust.

RAID 6 ja RAID 60: neist me ei ole samuti unustanud

Kuna oleme rääkinud viienda ja viiekümnenda taseme massiividest, siis oleks patt mainimata jätta sellised massiivi korraldusvormid nagu RAID 6 ja RAID 60.

RAID 6 jõudlus on sarnane RAID 5-le, kuid siin on vähemalt kaks ketast pühendatud pariteedi haldamisele, mis võimaldab raiutimisel taluda kahe kettaseadmestiku riket ilma andmete kaotamiseta (RAID 5-s on selline olukord äärmiselt ebasoovitav). See tagab suurema usaldusväärsuse. Muus osas on kõik nagu viienda taseme massiivis: kui üks või kaks ketast talitavad, kasutab RAID-kontroller pariteediklotse, et taastada kogu puuduv informatsioon. Kui kaks ketast riknevad, ei toimu taastamine korraga: esmalt taastatakse esimene ketas, seejärel – teine. Seega teostatakse kaks andmete taastamise operatsiooni.

Ei ole raske arvata, et kui RAID 50 on nulltaseme massiiv viienda taseme massiividest, siis RAID 60 on nulltaseme massiiv kuuenda taseme massiividest, millest just rääkisime. See tähendab, et selline RAID-lao korraldus võimaldab taluda kahte SSD kaotust iga RAID 6 hoidjate grupis. Tööprintsiip on sarnane sellele, millest rääkisime RAID 50 peatükis, kuid kuuenda taseme massiivi taluda rikkumiste arv tõuseb 8-lt 16 kettale. Tüüpiliselt kasutatakse selliseid massiive klientide online-teenindamiseks, millel on kõrge rikke taluvus.

Kokkuvõtteks:

Kuigi peegeldamine pakub suuremat rikke taluvust kui RAID 50/60, nõuab see ka palju rohkem ruumi. Kuna andmete arv kahekordistub, saate tegelikult ainult 50% kogu serverisse paigaldatud kettaseadmete mahust andmete kirjutamiseks ja salvestamiseks. Valik RAID 50/60 ja RAID 10 vahel sõltub tõenäoliselt olemasolevatest eelarvetest, serveri mahtudest ja teie andmete kaitse vajadustest. Eelarve on oluline tegur, kui räägime SSD-lahendustest (nii ettevõtte kui ka tarbijaklassi).

Samuti on oluline, et me teame nüüdkindlalt – SSD baasil olev RAID on täiesti ohutu lahendus ja normaalne praktika tänapäeva äri jaoks. Ka kodukasutuses on mõttekas minna NVMe peale, kui eelarve lubab. Ja kui teil on veel küsimus, miks see kõik vajalik on, siis pöörduge artikli algusesse - oleme juba sellele põhjalikult vastanud.

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.

Lisainfo Kingston'i toodete kohta leiate ametlikul kodulehe ettevõttega.

Allikas: habr.com