SSD vahemälu implementatsioon QSAN XCubeSAN-is

SSD-tehnoloogiad, mis suurendavad jõudlust ja mida laialdaselt rakendatakse salvestussüsteemides, on juba ammu leiutatud. Esiteks on see SSD-de kasutamine salvestusruumina, mis on 100% efektiivne, kuid kallis. Seetõttu kasutatakse tierimist ja vahemälu, kus SSD-d kasutatakse ainult kõige nõutumate ('kuumade') andmete jaoks. Tierimine sobib pikaajaliste (päevad-nädalad) 'kuumade' andmete kasutamise stsenaariumi jaoks. Vahemälu, vastupidi, lühiajalise (minutid-tunnid) kasutamise jaoks. Mõlemad variandid on rakendatud salvestussüsteemis. QSAN XCubeSAN. Käesolevas artiklis vaatleme teise algoritmi rakendust – SSD vahemälu.

. SSD vahemälu tehnoloogia põhiolemus on kasutada SSD-d vahemälu vahendina kõvakettade ja kontrolleri operatiivmälu vahel. SSD jõudlus on loomulikult madalam kui kontrolleri oma vahemälu jõudlus, kuid ruumala on küllaltki suurem. Seega saavutame teatud tasakaalu kiirus ja ruumi vahel.

SSD vahemälu kasutamise näidustused lugemiseks:

• Lugemise toimingute ülekaal kirjutamise toimingute üle (tavaliselt iseloomulik andmebaasidele ja veebirakendustele);
• Kitsaskoht kõvakettamassiivi jõudluses;
• Nõutavate andmete maht on väiksem kui SSD vahemälu maht.

Lugemise+kirjutamise SSD vahemälu kasutamise põhjused on samad, välja arvatud toimingute iseloom – segatüüp (nt failiserver).

Enamik salvestusseadmeste tootjatest kasutab oma toodetes SSD vahemälu ainult lugemiseks. Peamine erinevus QSAN on võimalus kasutada vahemälu ka kirjutamiseks. QSAN salvestusseadmestike SSD vahemälu aktiveerimise funktsiooni jaoks on vajalik eraldi litsentsi soetamine (antakse elektrooniliselt).

XCubeSAN-i SSD-kiiruspuud füüsiliselt realiseeritakse eraldi SSD kiiruspuudena. Süsteemis võib neid olla kuni neli. Iga puud, nagu võib arvata, kasutab oma SSD-de kogumit. Ja virtuaalse ketta omadustes määrame, kas see kasutab kiiruspuud ja millist. Kiiruspuu kasutamise lubamist ja keelamist mahtude jaoks saab teha online-režiimis ilma sisendi/väljundi seiskamiseta. Samuti saab kuumalt SSD-sid puudesse lisada ja neid sealt eemaldada. SSD kiiruspuu loomisel tuleb valida, millises režiimis see töötab: ainult lugemine või lugemine+kirjutamine. Sellest sõltub selle füüsiline organiseeritus. Kuna kiiruspuude võib olla mitu, võivad nende funktsioonid olla erinevad (tohutu süsteemis võivad samal ajal olla lugemis- ja lugemise+kirjutamise kiiruspuud).

Kui kasutada ainult lugemiseks mõeldud vahemälu, võib see koosneda 1–8 SSD-st. Kõvakettad ei pea olema ühe suuruse ega sama tootja omad, kuna need ühendatakse NRAID+ struktuuri. Kõik vahemälu SSD-d kasutatakse ühiselt. Süsteem püüab iseseisvalt jagada saabuvad päringud kõigi SSD-de vahel, et saavutada maksimaalne jõudlus. Kui üks SSD rikki läheb, siis ei juhtu midagi kohutavat: vahemälu sisaldab vaid andmete koopiat, mis on salvestatud kõvakettade kogumisse. Lihtsalt SSD vahemälu saadav maht väheneb (või muutub nulliks, kui kasutatakse algset SSD vahemälu üksiku seadme pealt).

Kui vahemälu kasutatakse lugemis- ja kirjutamisoperatsioonide jaoks, peavad pooli SSD-d olema paarides, kuna sisu peegeldatakse kettapaarides (kasutatakse NRAID 1+ struktuuri). Vahemälu dubleerimine on vajalik, kuna see võib sisaldada andmeid, mis pole veel kõvaketastele kirjutatud. Sel juhul tähendaks SSD rike vahemälust andmete kaotust. NRAID 1+ korral toob SSD rike lihtsalt kaasa vahemälu ülemineku 'ainult lugemise' töörežiimi, kus kirjutamata andmed suunatakse kõvakettamaatriksile. Pärast rikete eemaldamist naaseb vahemälu oma algsesse töörežiimi. Üksikasjalikult, vahemälu, mis töötab lugemise + kirjutamise režiimis, võib saada ka eraldatud hot spare'i suurema turvalisuse tagamiseks.

XCubeSAN-i SSD vahemälu kasutamisel on salvestusseadmemeetodite mälu mahu osas mitmeid nõudeid: mida rohkem on süsteemimälu, seda suurem on saadaval vahemälu maht.

Erinevalt enamiku SSD vahetusseadmestike tootjatest, kes pakuvad SSD vahemälu seadistamiseks vaid sisse-/väljalülitamise võimalust, pakub QSAN rohkem funktsioone. Esiteks saab valida vahemälu töörežiimi vastavalt koormuse iseloomule. Saadaval on kolm eelkonfigureeritud mustrit, mis sarnanevad toimingute jaoks: andmebaas, failisüsteem, veebiteenus. Lisaks saab administreerija luua oma profiili, määrates vajalikud parameetrite väärtused:

• Bloki suurus (Cache Block Size) – 1/2/4 MB
• Blokki lugemise päringute arv, et see kopeeritaks vahemälusse (Populate-on-Read Threshold) – 1..4
• Blokki kirjutamise päringute arv, et see kopeeritaks vahemälusse (Populate-on-Write Threshold) – 0..4

Profiile saab muuta «lennult», ent loomulikult koos vahemälu sisu nullimise ja selle uue «soojendamisega».

Kuna vaatame SSD vahemälu tööprintsiipi, saame tuvastada peamised toimingud selle kasutamisel:

• Andmete lugemine, kui need ei ole vahemälus;
• Andmete lugemine, kui need on vahemälus;
• Andmete kirjutamine, kui kasutatakse lugemisvahemälu;
• Andmete kirjutamine, kui kasutatakse lugemis- ja kirjutamisvahemälu.

Andmete lugemine, kui need puuduvad vahemälust

1. Küsimus hostilt jõuab kontrollisse;
2. Kuna nõutavaid andmeid ei ole SSD vahemälus, loetakse need kõvaketastelt;
3. Loetud andmed saadetakse hostile. Samal ajal kontrollitakse, kas need plokid on „kuumad“;
4. Kui jah, siis kopeeritakse need SSD vahemälusse edaspidiseks kasutamiseks.

Andmete lugemine, kui need on vahemälus olemas

1. Küsimus hostilt jõuab kontrollisse;
2. Kuna nõutavad andmed on SSD vahemälus, loetakse need sealt;
3. Loetud andmed saadetakse hostile.

Andmete kirjutamine lugemisvahemälu kasutamisel

1. Kirjutussoov hostilt jõuab kontrollisse;
2. Andmed kirjutatakse kõvaketastele;
3. Hostile saadetakse teade eduka kirjutamise kohta;
4. Samal ajal kontrollitakse, kas plokk on „kuum“ (võrreldakse Populate-on-Write Threshold parameetrit). Kui jah, siis kopeeritakse see SSD vahemälusse edaspidiseks kasutamiseks.

Andmete kirjutamine lugemis- ja kirjutamisvahemälu kasutamisel

1. Kirjutussoov hostilt jõuab kontrollisse;
2. Andmed kirjutatakse SSD vahemällu;
3. Hostile saadetakse teade eduka kirjutamise kohta;
4. Andmed SSD vahemälust kirjutatakse taustal kõvaketastele;

Kontroll asja korral

Teststand

2 serverit (CPU: 2 x Xeon E5-2620v3 2.4Hz / RAM: 32GB) on ühendatud kahte porti kaudu otse Fibre Channel 16G XCubeSAN XS5224D (16GB RAM/kontroller) süsteemi.

Kasutatud on 16 x Seagate Constellation ES, ST500NM0001, 500GB, SAS 6Gb/s, mis on ühendatud RAID5 (15+1) ja 8 x HGST Ultrastar SSD800MH.B, HUSMH8010BSS200, 100GB, SAS 12Gb/s vahemäluna.

Loodi 2 mahtu: üks igale serverile.

Test 1. SSD vahemälu ainult lugemiseks 1-8 SSD-ga.

SSD Cache

• I/O tüüp: Kohandamine
• Vahemälu ploki suurus: 4MB
• Populate-on-read lävend: 1
• Populate-on-write lävend: 0

I/O mustril

• Tööriist: IOmeter V1.1.0
• Töötajad: 1
• Ootel (Queue Depth): 128
• Juhtimisnõuded: 4KB, 100% lugemine, 100% juhuslik

Teoorias, mida rohkem SSD, seda suurem efektiivsus. Praktikas tõestati see ka. Ainus, suurenenud SSD arv väikse arvu mahtude korral ei too kaasa plahvatuslikku efekti.

Test 2. SSD vahemälu lugemise + kirjutamise režiim 2-8 SSD-ga.

SSD Cache

• I/O tüüp: Kohandamine
• Vahemälu ploki suurus: 4MB
• Populate-on-read lävend: 1
• Populate-on-write lävend: 1

I/O mustril

• Tööriist: IOmeter V1.1.0
• Töötajad: 1
• Ootel (Queue Depth): 128
• Juhtimisnõuded: 4KB, 100% kirjutamine, 100% juhuslik

Sama tulemus: plahvatuslik efektiivsuse kasv ja skaleerimine SSD arv suurenedes.

Mõlemas testis oli tööandmete maht väiksem summarisest vahemälu mahust. Seetõttu kandsid kõik plokid aja jooksul vahemälusse. Töö toimus juba sisuliselt SSD-l, puudutamata peaaegu üldse kõvakettaid. Nende testide eesmärk oli visuaalselt näidata vahemälu soojendamise efektiivsust ja selle jõudluse skaleeritavust sõltuvalt SSD-de arvust.

Nüüd tuleme taevast tagasi maapeale ja kontrollime elulisemat olukorda, kus andmete maht on suurem kui vahemälu suurus. Et test oleks mõistlikul ajal valmis (vahemälu „soojenemise” aeg suureneb dramaatiliselt mahukuse suurenedes), piirame maht 120GB.

Test 3. Andmebaasi töö simuleerimine

SSD Cache

• I/O tüüp: Andmebaas
• Vahemälu ploki suurus: 1MB
• Populeeri lugemise künnis: 2
• Populate-on-write lävend: 1

I/O mustril

• Tööriist: IOmeter V1.1.0
• Töötajad: 1
• Ootel (Queue Depth): 128
• Juurdepääsu spetsifikatsioonid: 8KB, 67% lugemine, 100% juhuslik

18.04 LTS

Ilmselt on järeldus, et SSD vahemälu kasutamise efektiivsus, et suurendada iga andmemagasi jõudlust, on üsna hea. Seotud QSAN XCubeSAN see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see, see.

Allikas: habr.com