Dans nous avons déjà abordé la question de savoir si 'RAID peut être utilisé sur SSD' en prenant les disques Kingston comme exemple, mais nous l'avons fait uniquement dans le cadre du niveau zéro. Dans cet article, nous examinerons les options d'utilisation des solutions NVMe professionnelles et domestiques dans les types de configurations RAID les plus populaires et nous parlerons de la compatibilité des contrôleurs avec les disques Kingston.
Pourquoi avoir recours au RAID sur SSD ?
Les avantages des systèmes de stockage basés sur SSD par rapport aux systèmes de stockage sur disques durs comprennent une réduction du temps d'accès aux données sur le disque et une performance exceptionnelle lors des opérations de lecture/écriture. Cependant, pour une performance idéale du RAID basé sur SSD, un mélange optimal de processeur, de cache, de logiciels et de matériel est requis. Lorsque tous ces facteurs fonctionnent parfaitement ensemble, un array RAID de SSD peut largement surpasser une configuration comparable utilisant des HDD traditionnels.
Un SSD typique consomme moins d'énergie que des disques durs, donc en combinant un grand nombre de disques SSD dans un array RAID, l'économie d'énergie par rapport à un array RAID de HDD peut également entraîner une réduction des coûts sur les factures d'électricité de l'entreprise.
Cependant, le RAID SSD a des limitations et des inconvénients : en particulier, un coût par gigaoctet plus élevé par rapport aux disques durs de capacité comparable. De plus, le temps de fonctionnement de la mémoire flash avant défaillance est limité à un certain nombre de cycles d'écriture. Cela signifie que les disques SSD ont une durée de vie déterminée qui dépend de leur utilisation : plus les données sont réécrites activement, plus le disque échouera rapidement. D'autre part, les disques SSD d'entreprise ont une durée de vie respectable, comparable à celle des disques durs mécaniques.
Comment les SSD Kingston se comportent-ils en mode RAID avec des contrôleurs Broadcom ?
Au début de l'apparition des disques SSD, les configurations RAID comportaient de nombreuses nuances. Celles-ci étaient notamment dues à l'utilisation de disques durs (HDD) moins résilients. Les disques SSD sont beaucoup plus fiables que leurs homologues basés sur des disques magnétiques. Comme nous le savons, les solutions SSD n'ont pas d'éléments mobiles, donc les dommages mécaniques sont réduits à néant. La panne de disques SSD à cause des fluctuations de tension est également peu probable, sachant qu'à domicile ou dans n'importe quel serveur, vous êtes protégés par des onduleurs, des filtres réseau et même des blocs d'alimentation.
De plus, les disques SSD ont un autre atout majeur : même si les cellules de mémoire s'usent par l'écriture, il est possible de lire les données à partir d'elles. En revanche, si un disque magnétique est endommagé, hélas.
Aujourd'hui, il est tout à fait courant d'utiliser des solutions SSD dans des ensembles RAID de différents niveaux. L'essentiel est de choisir les bons disques SSD dont la latence est minimale. Idéalement, il faut utiliser des SSD du même fabricant et du même modèle pour éviter un mélange de disques supportant différents types de charges et construits sur la base de différentes technologies de mémoire, de contrôleurs, etc. En d'autres termes, si nous avons décidé d'acheter quatre ou 16 SSD NVMe de la société Kingston pour constituer un ensemble RAID, il vaut mieux qu'ils proviennent tous de la même série et de la même gamme.
À propos, dans nous avons délibérément cité les contrôleurs Broadcom lorsque nous avons parlé des SSD NVMe de Kingston. En effet, dans les manuels de ces appareils, les disques compatibles (y compris les solutions du fabricant américain de SSD mentionné ci-dessus) sont immédiatement indiqués, avec lesquels le contrôleur fonctionnera sans problèmes. C'est cette information qu'il faut prendre en compte lors du choix d'une combinaison 'contrôleur-SSD' pour RAID.
Nous examinons le fonctionnement des SSD Kingston dans les types RAID les plus populaires — '1', '5', '10', '50'
Ainsi, le niveau « zéro » du RAID n'assure pas de redondance des données, mais augmente uniquement les performances. Il n'offre aucune protection des données, donc nous ne le considérerons pas dans le cadre du segment d'entreprise. Le RAID 1, en revanche, offre une redondance complète, mais seulement un modeste gain de performance. Il doit donc être envisagé uniquement si l'augmentation des performances n'est pas un facteur déterminant lors de la création d'un tableau RAID à partir de SSD.
RAID 1 sur la base de SSD Kingston et de contrôleurs Broadcom
Ainsi, le tableau RAID de premier niveau basé sur le contrôleur Broadcom MegaRAID 9460-16i regroupe de deux à 32 disques Kingston, qui sont des copies l'un de l'autre, et assure une redondance complète. Alors qu'avec des HDD traditionnels, les vitesses de lecture et d'écriture des données restent à celles de ces mêmes HDD, avec des solutions NVMe SSD, nous obtenons un gain de performance dix fois supérieur. Surtout en ce qui concerne le temps d'accès aux données. Par exemple, avec deux SSD Kingston DC1000M U.2 NVMe dans un RAID 1 serveur, nous obtenons 350 000 IOPS pour la lecture de données aléatoires et 75 000 IOPS pour l'écriture.
Pour ce qui est de la vitesse de lecture séquentielle, les résultats correspondront aux caractéristiques du disque — 3200 Mo/s. Cependant, comme les deux SSD NVMe sont en état de fonctionnement, les données peuvent être lues simultanément, ce qui rend les opérations de lecture assez rapides. En revanche, la vitesse d'écriture (annoncée à 2000 Mo/s) sera plus lente, car chaque opération d'écriture est effectuée deux fois.
Le tableau RAID 1 est idéal pour les petites bases de données ou tout autre environnement exigeant une haute disponibilité avec une capacité réduite. La duplication des disques est particulièrement utile dans les scénarios de reprise après sinistre (la performance étant légèrement dégradée), car elle permet une « réanimation » instantanée des données importantes en cas de défaillance d'un des disques du tableau. Cependant, comme ce niveau de protection nécessite de doubler la capacité pour stocker une copie miroir des données (pour stocker 100 To, il faudra 200 To d'espace), de nombreux systèmes d'entreprise optent pour des solutions de stockage plus rentables : RAID 5 et RAID 6.
RAID 5 sur la base de SSD Kingston et de contrôleurs Broadcom
Pour configurer un tableau RAID de niveau 5, nous avons besoin d'au moins trois disques, où les données sont alternées (écrites de manière cyclique sur tous les disques du tableau), mais ne sont pas dupliquées. Lors de leur organisation, il faut tenir compte de leur structure plus complexe, car un concept tel que "somme de contrôle" (ou "parité") entre en jeu. Cela fait référence à la fonction logique algébrique XOR (ou "OU exclusif"), qui impose l'utilisation d'au moins trois disques dans le tableau (maximum 32). Par ailleurs, les informations relatives à la parité sont écrites sur tous les « disques » du tableau.
Pour un tableau composé de quatre SSD SATA Kingston DC500R d'une capacité de 3,84 To chacun, nous obtiendrons 11,52 To d'espace et 3,84 To pour les sommes de contrôle. Et si nous combinons 16 SSD NVMe Kingston DC1000M U.2 d'une capacité de 7,68 To en RAID de niveau 5, nous obtiendrons 115,2 To avec une perte de 7,68 To. Comme vous pouvez le constater, plus il y a de disques, mieux c'est au final. Cela est d'autant plus vrai que plus il y a de disques dans un RAID 5, plus la performance globale lors des opérations d'écriture est élevée. De plus, la lecture séquentielle atteindra le niveau du RAID 0.
Un groupe de disques RAID 5 offre une grande bande passante (en particulier pour les fichiers volumineux) et de la redondance avec une perte de puissance minimale. Ce type d'organisation de tableau convient le mieux aux réseaux qui exécutent simultanément de nombreuses petites opérations d'entrée-sortie (I/O). En revanche, il n'est pas conseillé de l'utiliser pour des tâches nécessitant de nombreuses opérations d'écriture sur de petits blocs ou segments.
Il y a aussi un autre point : en cas de défaillance d'au moins un des SSD NVMe, le RAID 5 passe en mode dégradé et la panne d'un autre dispositif de stockage peut devenir critique pour toutes les données. En cas de défaillance d'un disque dans le tableau, le contrôleur RAID utilise l'information de parité pour reconstruire toutes les données manquantes.
RAID 10 basé sur des SSD Kingston et des contrôleurs Broadcom
Ainsi, le RAID 0 nous offre un doublement de la vitesse et du temps d'accès, tandis que le RAID 1 garantit la fiabilité. Idéalement, il serait souhaitable de les combiner, et c'est là qu'intervient le RAID 10 (ou 1+0). La “dix” est constituée de quatre disques SSD SATA ou NVMe (maximum – 32) et implique un ensemble de “miroirs”, dont le nombre de disques doit toujours être un multiple de quatre. Les données dans cet ensemble sont écrites en les divisant en blocs fixes (comme dans le cas du RAID 0) et en alternant entre les disques, distribuant des copies entre les « disques » dans l'ensemble RAID 1. Grâce à la possibilité d'accès simultané à plusieurs groupes de disques, le RAID 10 offre une haute performance.
Comme le RAID 10 est capable de répartir les données sur plusieurs paires miroir, cela signifie qu'il peut tolérer la défaillance d'un disque dans la paire. Cependant, en cas de défaillance des deux paires miroir (c'est-à-dire de tous les quatre disques), une perte de données est inévitable. En fin de compte, nous obtenons également une bonne tolérance aux pannes et fiabilité. Mais il convient de noter que, tout comme le RAID 1, l'ensemble de dixième niveau utilise seulement la moitié de la capacité totale, ce qui le rend coûteux. De plus, il est complexe à configurer.
Le RAID 10 est adapté pour les applications de stockage de données nécessitant une redondance à 100 % des groupes de disques miroir, ainsi qu'une performance d'entrée/sortie améliorée du RAID 0. C'est la meilleure solution pour des bases de données de taille moyenne ou tout environnement qui exige une tolérance aux pannes plus élevée que celle du RAID 5.
RAID 50 basé sur les SSD Kingston et les contrôleurs Broadcom
Un ensemble combiné, similaire à celui du RAID de dixième niveau, qui est un ensemble de niveau zéro créé à partir d'ensembles de niveau cinq. Comme dans le cas précédent, l'objectif principal de cet ensemble est d'obtenir des performances doublées tout en maintenant la fiabilité des données dans les ensembles RAID 5. Dans ce cas, le RAID 50 fournit des performances d'écriture accrues et une meilleure protection des données que le RAID 5 standard en cas de défaillance d'un disque, ainsi qu'une capacité de récupération plus rapide en cas de défaillance de l'un des disques.
Le groupe de disques RAID 50 divise les données en blocs plus petits, puis les répartit sur chaque tableau RAID 5. Le groupe de disques RAID 5, quant à lui, divise également les données en blocs plus petits, calcule une parité, effectue une opération logique OR pour les blocs, puis réalise des opérations d'écriture dans les blocs de données et de contrôle de parité pour chaque disque du groupe de disques.
Et bien que les performances diminuent inévitablement en cas de défaillance d'un des disques, cela n'est pas aussi significatif que dans un tableau RAID 5, car une seule défaillance n'affecte qu'un seul des tableaux, laissant l'autre entièrement opérationnel. En réalité, RAID 50 peut supporter jusqu'à huit pannes de HDD/SSD/NVMe, si chaque disque défaillant se trouve dans un tableau RAID 5 distinct.
RAID 50 est préférable pour les applications nécessitant une haute fiabilité et devant traiter un grand nombre de requêtes tout en maintenant une vitesse de transfert élevée et un coût des disques inférieur à celui du RAID 10. Cependant, étant donné qu'au moins six disques sont nécessaires pour configurer un tableau RAID 50, le coût ne peut pas être complètement écarté comme facteur. Un des inconvénients de RAID 50 est que, comme RAID 5, il requiert un contrôleur complexe : tel que dans l'article précédent de Broadcom.
Il convient également de noter que RAID 50 dispose de moins d'espace disque utilisable que RAID 5, en raison de l'allocation de capacité pour stocker les enregistrements de parité. Cependant, il offre toujours plus d'espace utile que d'autres niveaux de RAID, en particulier ceux qui utilisent le mirroring. Avec l'exigence minimale de six disques, RAID 50 peut être une option coûteuse, mais l'espace disque supplémentaire justifie le coût en protégeant les données d'entreprise. Ce type de tableau est recommandé pour le stockage de données nécessitant une haute fiabilité, une fréquence élevée de requêtes, une vitesse de transfert élevée et une grande capacité de stockage.
RAID 6 et RAID 60 : nous n'avons pas non plus oublié d'en parler
Étant donné que nous avons discuté des tableaux de cinquième et de cinquantième niveaux, il serait malvenu de ne pas mentionner des types d'organisation tels que RAID 6 et RAID 60.
La performance du RAID 6 est similaire à celle du RAID 5, mais ici, au moins deux disques sont consacrés au contrôle de la parité, ce qui permet au tableau de survivre à la panne de deux disques sans perte de données (dans le RAID 5, une telle situation est extrêmement indésirable). Cela assure une fiabilité accrue. Pour le reste, c'est la même chose que dans le tableau de cinquième niveau : en cas de défaillance d'un ou deux disques, le contrôleur RAID utilise les blocs de parité pour recréer toutes les informations manquantes. Lors de la défaillance de deux disques, la restauration ne se fait pas en même temps : d'abord, le premier disque est réanimé, puis le second. Ainsi, deux opérations de récupération de données sont effectuées.
Il n'est pas difficile de deviner que si le RAID 50 est un tableau de niveau zéro composé de tableaux de cinquième niveau, alors le RAID 60 est un tableau de niveau zéro fait de tableaux de sixième niveau, dont nous venons de parler. Cela signifie qu'une telle organisation de stockage RAID permet de survivre à la perte de deux SSD dans chaque groupe de disques RAID 6. Le principe de fonctionnement est similaire à celui que nous avons décrit dans la section dédiée au RAID 50, mais le nombre de pannes que peut supporter le tableau de sixième niveau passe de 8 à 16 disques. Ces tableaux sont généralement utilisés pour le service en ligne aux clients, nécessitant une haute disponibilité.
En résumé :
Bien que le mirroring offre une meilleure tolérance aux pannes que le RAID 50/60, il nécessite également beaucoup plus d'espace. Étant donné que le volume de données est doublé, vous obtenez en fait seulement 50 % de la capacité totale des disques installés dans le serveur pour l'enregistrement et le stockage des informations. Le choix entre RAID 50/60 et RAID 10 dépendra probablement des budgets disponibles, de la capacité du serveur et de vos besoins en matière de protection des données. Il est à noter que le coût est primordial lorsque nous parlons de solutions SSD (à la fois de classe entreprise et grand public).
Il est tout aussi important de noter que nous savons maintenant avec certitude que le RAID basé sur SSD est une solution tout à fait sûre et une pratique normale pour les entreprises modernes. Il est également raisonnable de passer à NVMe dans un cadre domestique, si les budgets le permettent. Et si vous avez encore des questions sur l'utilité de tout cela, revenez au début de l'article - nous y avons déjà répondu en détail.
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. .
Pour plus d'informations sur les produits Kingston, vous pouvez consulter de l'entreprise.
Source : habr.com
