Bonjour Habr ! Dans cet article, nous allons discuter de la question de savoir s'il vaut la peine d'organiser des ensembles RAID avec des solutions solides SATA SSD et NVMe SSD, et si cela peut réellement apporter un bénéfice significatif. Nous avons décidé d'explorer ce sujet en examinant les différents types de contrôleurs capables de le faire, ainsi que les domaines d'application de telles configurations.
Quoi qu'il en soit, chacun d'entre nous a déjà entendu des termes comme « RAID », « ensemble RAID », « contrôleur RAID », mais il est peu probable que cela ait suscité un intérêt sérieux, car cela ne concerne probablement pas un utilisateur moyen de PC. Cependant, tout le monde souhaite tirer profit de vitesses élevées pour les disques internes et de la fiabilité de leur fonctionnement. En effet, quelle que soit la puissance de la configuration de l'ordinateur, la vitesse des disques devient un goulet d'étranglement quand il s'agit de la performance globale d'un PC ou d'un serveur.
Cela a été le cas jusqu'à ce que des SSD NVMe modernes avec une capacité comparable de 1 To ou plus remplacent les disques durs traditionnels. Alors qu'auparavant, les PC étaient souvent équipés de combinaisons de SATA SSD et de quelques disques durs volumineux, ils commencent aujourd'hui à être remplacés par une autre solution : NVMe SSD associé à quelques SATA SSD volumineux. En ce qui concerne les serveurs d'entreprise et le cloud, beaucoup ont déjà migré vers les SATA SSD, simplement parce qu'ils sont plus rapides que les disques durs classiques et capables de gérer un plus grand nombre d'opérations d'entrée/sortie simultanément.
Cependant, la résilience du système reste à un niveau assez bas : nous ne pouvons pas, comme dans « la Bataille des extrasens », prévoir avec précision, même à une semaine près, quand tel ou tel SSD décidera de cesser de fonctionner. Alors que les HDD « meurent » progressivement, permettant de détecter des symptômes et de prendre des mesures, les SSD « meurent » instantanément et sans avertissement. Et maintenant, il est temps de se demander pourquoi tout cela est nécessaire. Faut-il organiser des ensembles RAID à partir de solutions solides SATA SSD et NVMe SSD, et en tirera-t-on réellement un bénéfice ?
Pourquoi avoir besoin d'un ensemble RAID ?
Le terme « tableau » implique déjà qu'il utilise plusieurs dispositifs de stockage (HDD et SSD) qui sont regroupés par un contrôleur RAID et reconnus par le système d'exploitation comme un stockage de données unique. L'objectif principal des tableaux RAID est de minimiser le temps d'accès aux données, d'augmenter la vitesse de lecture/écriture et d'assurer la fiabilité, grâce à la possibilité de récupération rapide en cas de défaillance. Cela dit, pour les sauvegardes domestiques, il n'est pas nécessaire d'utiliser RAID. En revanche, si vous avez un serveur domestique que vous devez accéder en continu 24/7, c'est une autre histoire.
Il existe plus d'une dizaine de niveaux de tableaux RAID, chacun se distinguant par le nombre de dispositifs utilisés et ayant ses propres avantages et inconvénients : par exemple, RAID 0 permet d'obtenir une grande performance sans redondance, RAID 1 permet de mettre en place une réflexion automatique des données sans gain de vitesse, tandis que RAID 10 combine les possibilités des deux précédents. RAID 0 et 1 sont les plus simples (car ne nécessitent pas de calculs logiciels) et, par conséquent, les plus populaires. En fin de compte, le choix de l'un ou l'autre niveau de RAID dépend des tâches qui lui sont attribuées et des capacités du contrôleur RAID.
RAID domestique et RAID d'entreprise : quelle est la différence ?
La base de toute entreprise moderne repose sur de grandes quantités de données qui doivent être stockées de manière fiable sur les serveurs des sociétés. De plus, comme nous l'avons mentionné précédemment, un accès constant 24/7 doit être assuré. Il est clair que, tout comme le matériel, la partie logicielle est importante, mais dans ce cas, nous parlons principalement de matériel qui garantit un stockage et un traitement fiables des informations. Aucun logiciel ne peut sauver une entreprise de la faillite si son équipement matériel ne répond pas aux tâches qui lui sont assignées.
Pour ces tâches, tout fabricant de matériel propose ce qu'on appelle des dispositifs d'entreprise. Chez Kingston, ce sont des solutions solides, comprenant des modèles SATA et , ainsi que les modèles NVMe DC1000M U.2 NVMe, DCU1000 U.2 NVMe et DCP-1000 PCI-e, destinés à une utilisation dans les centres de données et les supercalculateurs. Les ensembles constitués de tels disques sont généralement utilisés en association avec des contrôleurs matériels.
Pour le marché des consommateurs (c'est-à-dire pour les PC de bureau et les serveurs NAS), des disques tels que NVMe PCIe, mais dans ce cas, il n'est pas nécessaire d'acheter un contrôleur matériel. Vous pouvez vous contenter de celui intégré à la carte mère du PC ou du serveur NAS, sauf si vous prévoyez de monter vous-même un serveur domestique pour des tâches atypiques (par exemple, créer un petit hébergement domestique pour des amis). De plus, les ensembles RAID domestiques ne comprennent généralement pas des centaines ou des milliers de disques, se limitant à deux, quatre ou huit appareils (le plus souvent SATA).
Types et catégories de contrôleurs RAID
Il existe trois types de contrôleurs RAID, basés sur les principes de mise en œuvre des ensembles RAID :
1. Logiciels, où la gestion de l'ensemble repose sur le CPU et la DRAM (c'est-à-dire que l'exécution du code logiciel se fait sur le processeur).
2. Intégrés, c'est-à-dire embarqués dans les cartes mères des PC ou des serveurs NAS.
3. Matériels (modulaires), constitués de cartes d'extension discrètes pour les connecteurs PCI/PCIe des cartes mères.
Quelle est leur différence fondamentale ? Les contrôleurs RAID logiciels sont inférieurs en performances et en tolérance aux pannes par rapport aux contrôleurs intégrés et matériels, mais ne nécessitent pas de matériel spécial pour fonctionner. Cependant, il est important de s'assurer que le processeur du système hôte est suffisamment puissant pour faire fonctionner le logiciel RAID sans nuire aux performances des applications également exécutées sur l'hôte. Les contrôleurs intégrés sont généralement équipés d'une mémoire cache propre et utilisent une certaine quantité de ressources du CPU.
Les contrôleurs matériels possèdent à la fois une mémoire cache intégrée et un processeur pour exécuter des algorithmes logiciels. Ils permettent généralement de mettre en œuvre tous les types de niveaux de RAID et prennent en charge plusieurs types de dispositifs de stockage à la fois. Par exemple, les contrôleurs matériels modernes de Broadcom peuvent connecter simultanément des appareils SATA, SAS et NVMe, ce qui évite de changer de contrôleur lors de la mise à niveau des serveurs : en particulier, lors du passage d'un SSD SATA à un SSD NVMe, aucun changement de contrôleur n'est nécessaire.
C'est précisément à ce stade que nous en venons à la typologie des contrôleurs eux-mêmes. S'il existe des contrôleurs à trois modes, est-ce qu'il devrait y en avoir d'autres ? Dans ce cas, la réponse est affirmative. Selon les fonctions et les capacités, les contrôleurs RAID peuvent être classés en plusieurs types :
1. Contrôleurs ordinaires avec fonction RAID
Dans toute la hiérarchie, c'est le contrôleur le plus simple, qui permet de combiner des HDD et des SSD en réseaux RAID de niveaux « 0 », « 1 » ou « 0+1 ». Cela est réalisé par programmation au niveau du firmware. Toutefois, de tels appareils ne sont probablement pas recommandés pour une utilisation dans le secteur d'entreprise, car ils manquent de cache et ne prennent pas en charge les niveaux de RAID « 5 », « 3 », etc. En revanche, ils conviennent parfaitement à un serveur domestique d'entrée de gamme.
2. Contrôleurs fonctionnant en tandem avec d'autres contrôleurs RAID
Ce type de contrôleur peut fonctionner en tandem avec des contrôleurs intégrés sur les cartes mères. Cela est réalisé selon le principe suivant : le contrôleur RAID discret prend en charge les tâches « logiques », tandis que le contrôleur intégré s'occupe des fonctions d'échange de données entre les dispositifs de stockage. Mais il y a un hic : le fonctionnement parallèle de ces contrôleurs n'est possible que sur des cartes mères compatibles, ce qui limite considérablement leur champ d'application.
3. Contrôleurs RAID autonomes
Ces solutions discrètes intègrent tous les chips nécessaires pour fonctionner avec des serveurs de classe entreprise, disposant de leur propre BIOS, mémoire cache et processeur pour une correction rapide des erreurs et le calcul des sommes de contrôle. De plus, elles répondent à des normes élevées de fiabilité en matière de fabrication et disposent de modules de mémoire de haute qualité.
4. Contrôleurs RAID externes
Il n'est pas difficile de deviner que tous les contrôleurs mentionnés ci-dessus sont internes et alimentés via un connecteur PCIe de la carte mère. Que cela implique-t-il ? Cela signifie qu'une défaillance de la carte mère peut entraîner des erreurs de fonctionnement du système RAID et une perte de données. En revanche, les contrôleurs externes sont exempts de ce désagrément, car ils sont placés dans un boîtier séparé avec une alimentation indépendante. En termes de fiabilité, ces contrôleurs offrent le niveau le plus élevé de stockage des données.
, Microsemi Adaptec, Intel, IBM, Dell et Cisco ne sont que quelques-unes des entreprises qui proposent des contrôleurs RAID matériels actuellement.
Modes de fonctionnement des contrôleurs RAID SAS/SATA/NVMe
La tâche principale des contrôleurs HBA et RAID à trois modes (ou contrôleurs Tri-Mode) est de créer un RAID matériel basé sur NVMe. Les contrôleurs de la série 9400 de Broadcom sont capables de le faire, par exemple, . Il s'agit d'un type autonome de contrôleur RAID, équipé de quatre connecteurs SFF-8643 et, grâce à la prise en charge de Tri-Mode, permet de connecter simultanément des disques SATA/SAS et NVMe. De plus, c'est également l'un des contrôleurs les plus économes en énergie sur le marché (consomme seulement 17 Watts, soit moins de 1,1 Watt par port pour chacun des 16 ports).
L'interface de connexion est un PCI Express x8 de version 3.1, ce qui permet d'atteindre une bande passante de 64 Gbit/s (en 2020, des contrôleurs pour PCI Express 4.0 devraient apparaître). À la base du contrôleur 16 ports se trouve une puce à 2 cœurs et 72 bits de DDR4-2133 SDRAM (4 Go), ainsi que la possibilité de connecter jusqu'à 240 disques SATA/SAS ou jusqu'à 24 périphériques NVMe. En ce qui concerne l'organisation des ensembles RAID, les niveaux « 0 », « 1 », « 5 » et « 6 » sont supportés, ainsi que « 10 », « 50 » et « 60 ». À propos, la mémoire cache et d'autres contrôleurs de la série 9400 sont protégées contre les fluctuations de tension par un module supplémentaire CacheVault CVPM05.
La technologie à trois modes repose sur la fonction de conversion des données SerDes : transformation de la représentation séquentielle des données dans les interfaces SAS/SATA en une forme parallèle dans PCIe NVMe et vice versa. Cela signifie que le contrôleur synchronise les vitesses et les protocoles pour fonctionner sans heurts avec l'un des trois types de périphériques de stockage. Cela fournit un moyen ininterrompu de faire évoluer les infrastructures des centres de données : les utilisateurs peuvent utiliser NVMe sans modifications substantielles dans d'autres configurations système.
Cependant, lors de la planification de configurations avec des disques NVMe, il convient de noter que les solutions NVMe utilisent 4 lignes PCIe pour la connexion, ce qui signifie que chaque disque utilise toutes les lignes des ports SFF-8643. Ainsi, seuls quatre disques NVMe peuvent être connectés directement au contrôleur MegaRAID 9460-16i. Ou bien se limiter à deux solutions NVMe tout en connectant simultanément huit disques SAS (voir le schéma de connexion ci-dessous).
L'illustration montre l'utilisation du connecteur « 0 » (C0 / Connecteur 0) et du connecteur « 1 » pour les connexions NVMe, ainsi que des connecteurs « 2 » et « 3 » pour les connexions SAS. Cette disposition peut être inversée, mais chaque disque x4 NVMe doit être connecté en utilisant des lignes adjacentes. Les modes de fonctionnement du contrôleur sont configurés via les utilitaires de configuration StorCLI ou Human Interface Infrastructure (HII), qui fonctionne dans l'environnement UEFI.
Le mode par défaut est le profil « PD64 » (support uniquement SAS / SATA). Comme mentionné précédemment, il y a trois profils au total : le mode « SAS / SATA uniquement » (PD240 / PD64 / PD16), le mode « uniquement NVMe » (PCIe4), et le mode mixte, où tous les types de disques peuvent fonctionner : « PD64-PCIe4 » (support de 64 disques physiques et virtuels avec 4 disques NVMe). En mode mixte, la valeur du profil défini doit être : « ProfileID=13 ». Il convient de noter que le profil sélectionné est enregistré comme principal et n'est pas réinitialisé même lors d'un retour aux paramètres d'usine via la commande Set Factory Defaults. Il ne peut être changé que manuellement.
Faut-il créer un tableau RAID sur SSD ?
Nous avons déjà compris que les ensembles RAID garantissent de hautes performances. Mais vaut-il la peine de constituer un RAID avec des disques SSD pour un usage domestique et professionnel ? De nombreux sceptiques affirment que l'augmentation de vitesse n'est pas suffisamment significative pour justifier l'achat de disques NVMe. Mais est-ce vraiment le cas ? Peu probable. La principale limitation à l'utilisation des SSD en RAID (que ce soit à domicile ou au niveau professionnel) peut uniquement être le prix. En effet, le coût par gigaoctet de l'espace sur un HDD est bien moins élevé.
Connecter plusieurs « disques » SSD à un contrôleur RAID pour créer un ensemble SSD dans certaines configurations peut avoir un impact énorme sur les performances. Cependant, il ne faut pas oublier que la performance maximale est limitée par la bande passante du contrôleur RAID lui-même. Le niveau RAID qui propose la meilleure vitesse est le RAID 0.
La mise en place d'un RAID 0 classique avec deux SSD, utilisant la méthode de répartition des données en blocs fixes et leur alternance entre les supports SSD, entraînera un doublement des performances (par rapport aux vitesses fournies par un seul SSD). Un ensemble RAID 0 avec quatre SSD sera déjà quatre fois plus rapide que le SSD le plus lent de l'ensemble (selon la limite de bande passante au niveau du contrôleur RAID des SSD).
D'après une simple arithmétique, un SSD SATA est environ trois fois plus rapide qu'un HDD SATA traditionnel. Les solutions NVMe sont encore plus efficaces — jusqu'à dix fois et plus. En supposant que deux disques durs dans un RAID de niveau zéro montreront des performances doublées, en les augmentant de 50 %, deux SSD SATA seront six fois plus rapides, et deux SSD NVMe seront vingt fois plus rapides. En particulier, un disque Kingston KC2000 NVMe PCIe peut atteindre des vitesses de lecture et d'écriture séquentielles allant jusqu'à 3200 Mo/s, ce qui, dans un format RAID 0, atteindra des chiffres impressionnants de 6 Go/s. La vitesse de lecture/écriture des blocs aléatoires de 4 Ko passera de 350 000 IOPS à 700 000 IOPS. Mais… en même temps, le RAID « zéro » ne nous offre pas de redondance.
On peut dire qu'à domicile, la redondance de stockage n'est généralement pas nécessaire, donc la configuration RAID la plus appropriée pour les SSD est effectivement le RAID 0. C'est un moyen fiable d'obtenir une augmentation significative des performances en alternative à l'utilisation de technologies telles que les disques SSD basés sur Intel Optane. Mais comment se comporteront les solutions SSD dans les types RAID les plus populaires (« 1 », « 5 », « 10 », « 50 ») — nous en parlerons dans notre prochain article.
Cet article a été préparé avec le soutien de nos collègues de Broadcom, qui fournissent leurs contrôleurs aux ingénieurs de Kingston pour des tests avec des unités de stockage SATA/SAS/NVMe de classe entreprise. Grâce à cette synergie amicale, les clients peuvent avoir confiance dans la fiabilité et la stabilité des unités de stockage Kingston avec les contrôleurs HBA et RAID. .
Vous pouvez trouver plus d'informations sur les produits Kingston de l'entreprise.
Source : habr.com
