Bonjour Habr! Dans cet article, nous vous dirons s'il vaut la peine d'organiser des matrices RAID basées sur des solutions SSD SATA SSD et NVMe SSD, et y aura-t-il un profit sérieux ? Nous avons décidé d'examiner cette question en considérant les types et types de contrôleurs qui permettent de le faire, ainsi que le champ d'application de telles configurations.
D'une manière ou d'une autre, chacun de nous a entendu au moins une fois dans sa vie des définitions telles que « RAID », « RAID-array », « RAID-controller », mais il est peu probable que nous y attachions une importance sérieuse, car tout cela est peu probable pour un boyard PC ordinaire Intéressant. Mais tout le monde souhaite des vitesses élevées grâce aux disques internes et un fonctionnement sans problème. Après tout, quelle que soit la puissance du matériel de l’ordinateur, la vitesse du disque devient un goulot d’étranglement lorsqu’il s’agit des performances combinées du PC et du serveur.
C'était exactement le cas jusqu'à ce que les disques durs traditionnels soient remplacés par des SSD NVMe modernes avec des capacités comparables de 1 To ou plus. Et si auparavant, dans les PC, il existait souvent des combinaisons de SSD SATA + quelques disques durs de grande capacité, elles commencent aujourd'hui à être remplacées par une autre solution - SSD NVMe + quelques SSD SATA de grande capacité. Si nous parlons de serveurs d'entreprise et de « cloud », beaucoup ont déjà migré avec succès vers les SSD SATA, simplement parce qu'ils sont plus rapides que les « boîtes de conserve » conventionnelles et sont capables de traiter simultanément un plus grand nombre d'opérations d'E/S.
Cependant, la tolérance aux pannes du système est encore à un niveau assez faible : nous ne pouvons pas, comme dans la « Bataille des médiums », prédire avec une précision allant jusqu'à une semaine quand un disque SSD particulier mourra. Et si les disques durs « meurent » progressivement, ce qui vous permet d'en détecter les symptômes et d'agir, alors les disques SSD « meurent » immédiatement et sans avertissement. Et il est maintenant temps de comprendre pourquoi tout cela est nécessaire ? Vaut-il la peine d'organiser des matrices RAID basées sur des solutions SSD SATA et NVMe SSD, et y aura-t-il un profit sérieux ?
Pourquoi avez-vous besoin d’une matrice RAID ?
Le mot « matrice » lui-même implique déjà que plusieurs disques (HDD et SSD) sont utilisés pour le créer, qui sont combinés à l'aide d'un contrôleur RAID et reconnus par le système d'exploitation comme un seul stockage de données. La tâche globale que les matrices RAID peuvent résoudre est de minimiser le temps d'accès aux données, d'augmenter la vitesse et la fiabilité de lecture/écriture, ce qui est obtenu grâce à la capacité de récupération rapide en cas de panne. À propos, il n'est pas du tout nécessaire d'utiliser RAID pour les sauvegardes domestiques. Mais si vous disposez de votre propre serveur domestique, auquel vous avez besoin d’un accès constant 24h/7 et XNUMXj/XNUMX, c’est une autre affaire.
Il existe plus d'une douzaine de niveaux de matrices RAID, chacun différant par le nombre de disques utilisés et ayant ses propres avantages et inconvénients : par exemple, RAID 0 vous permet d'obtenir des performances élevées sans tolérance de panne, RAID 1 vous permet de met automatiquement en miroir les données sans augmenter la vitesse, et les combinaisons RAID 10 contiennent les possibilités de ce qui précède. Les RAID 0 et 1 sont les plus simples (puisqu'ils ne nécessitent pas de calculs logiciels) et, par conséquent, les plus populaires. En fin de compte, le choix en faveur de l'un ou l'autre niveau RAID dépend des tâches assignées à la matrice de disques et des capacités du contrôleur RAID.
RAID domestique et entreprise : quelle est la différence ?
La base de toute entreprise moderne repose sur de grands volumes de données qui doivent être stockés en toute sécurité sur les serveurs de l’entreprise. Et aussi, comme nous l'avons noté plus haut, ils doivent bénéficier d'un accès constant 24h/7 et XNUMXj/XNUMX. Il est clair que, outre le matériel, la partie logicielle est également importante, mais dans ce cas, nous parlons toujours d'équipements qui assurent un stockage et un traitement fiables de l'information. Aucun logiciel ne sauvera une entreprise de la ruine si le matériel ne répond pas aux tâches qui lui sont assignées.
Pour ces tâches, tout fabricant de matériel propose des appareils dits d'entreprise. Kingston propose de puissantes solutions à semi-conducteurs sous la forme de modèles SATA и , ainsi que les modèles NVMe DC1000M U.2 NVMe, DCU1000 U.2 NVMe et DCP-1000 PCI-e, destinés à être utilisés dans les centres de données et les supercalculateurs. Les matrices de ces disques sont généralement utilisées conjointement avec des contrôleurs matériels.
Pour le marché grand public (c'est-à-dire pour les PC domestiques et les serveurs NAS), les disques tels que NVMe PCIe, mais dans ce cas il n'est pas nécessaire d'acheter un contrôleur matériel. Vous pouvez vous limiter à un PC ou un serveur NAS intégré à la carte mère, à moins bien sûr que vous envisagiez de monter vous-même un serveur domestique pour des tâches atypiques (démarrage d'un petit hébergement chez des amis par exemple). De plus, les matrices RAID domestiques ne nécessitent généralement pas des centaines ou des milliers de disques, étant limitées à deux, quatre et huit périphériques (généralement SATA).
Types et types de contrôleurs RAID
Il existe trois types de contrôleurs RAID basés sur les principes de mise en œuvre des matrices RAID :
1. Logiciel dans lequel la gestion de la baie incombe au CPU et à la DRAM (c'est-à-dire que le code du programme est exécuté sur le processeur).
2. Intégré, c'est-à-dire intégré aux cartes mères d'un PC ou d'un serveur NAS.
3. Matériel (modulaire), qui sont des cartes d'extension discrètes pour les connecteurs PCI/PCIe des cartes mères.
Quelle est leur différence fondamentale les uns par rapport aux autres ? Les contrôleurs RAID logiciels sont inférieurs aux contrôleurs intégrés et matériels en termes de performances et de tolérance aux pannes, mais ne nécessitent pas d'équipement spécial pour fonctionner. Cependant, il est important de s'assurer que le processeur du système hôte est suffisamment puissant pour exécuter le logiciel RAID sans affecter négativement les performances des applications qui s'exécutent également sur l'hôte. Les contrôleurs intégrés sont généralement équipés de leur propre mémoire cache et utilisent une certaine quantité de ressources CPU.
Mais les matériels disposent à la fois de leur propre mémoire cache et d'un processeur intégré pour exécuter des algorithmes logiciels. Généralement, ils vous permettent de mettre en œuvre tous les types de niveaux RAID et de prendre en charge plusieurs types de disques à la fois. Par exemple, les contrôleurs matériels modernes de Broadcom peuvent connecter simultanément des périphériques SATA, SAS et NVMe, ce qui permet de ne pas changer de contrôleur lors de la mise à niveau des serveurs : en particulier, lors du passage du SSD SATA au SSD NVMe, les contrôleurs n'ont pas besoin d'être modifiés.
En fait, nous arrivons ici à la typologie des contrôleurs eux-mêmes. S’il y en a des à trois modes, devrait-il y en avoir d’autres ? Dans ce cas, la réponse à cette question sera affirmative. Selon les fonctions et capacités, les contrôleurs RAID peuvent être divisés en plusieurs types :
1. Contrôleurs ordinaires avec fonction RAID
Dans toute la hiérarchie, il s'agit du contrôleur le plus simple qui vous permet de combiner des disques durs et SSD dans des matrices RAID de niveaux « 0 », « 1 » ou « 0+1 ». Ceci est implémenté par programme au niveau du micrologiciel. Cependant, de tels appareils peuvent difficilement être recommandés pour une utilisation dans le segment des entreprises, car ils ne disposent pas de cache et ne prennent pas en charge les tableaux de niveaux « 5 », « 3 », etc. Mais pour un serveur domestique d'entrée de gamme, ils conviennent tout à fait.
2. Contrôleurs fonctionnant en tandem avec d'autres contrôleurs RAID
Ce type de contrôleur peut être associé aux contrôleurs de carte mère intégrés. Ceci est mis en œuvre selon le principe suivant : un contrôleur RAID discret se charge de résoudre les problèmes « logiques », et celui intégré prend en charge les fonctions d'échange de données entre les disques. Mais il y a une nuance : le fonctionnement parallèle de tels contrôleurs n'est possible que sur des cartes mères compatibles, ce qui signifie que leur champ d'application est sérieusement limité.
3. Contrôleurs RAID autonomes
Ces solutions discrètes contiennent toutes les puces 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 des calculs de somme de contrôle. De plus, ils répondent à des normes élevées de fiabilité en termes de fabrication et disposent de modules mémoire de haute qualité.
4. Contrôleurs RAID externes
Il n'est pas difficile de deviner que tous les contrôleurs répertoriés ci-dessus sont internes et sont alimentés via le connecteur PCIe de la carte mère. Qu'est-ce que cela signifie? Et cette panne de la carte mère peut entraîner des erreurs dans le fonctionnement de la matrice RAID et une perte de données. Les contrôleurs externes s'affranchissent de ce malentendu, puisqu'ils sont logés dans un boîtier séparé avec une alimentation indépendante. En termes de fiabilité, ces contrôleurs offrent le plus haut niveau de stockage de données.
, Microsemi Adaptec, Intel, IBM, Dell et Cisco ne sont que quelques-unes des sociétés qui proposent actuellement des contrôleurs RAID matériels.
Modes de fonctionnement des contrôleurs RAID SAS/SATA/NVMe
L'objectif principal des contrôleurs HBA et RAID tri-mode (ou des contrôleurs dotés de la fonctionnalité Tri-Mode) est de créer un RAID matériel basé sur NVMe. Les contrôleurs de la série 9400 de Broadcom peuvent faire cela : par exemple, . Il appartient à un type indépendant de contrôleur RAID, est équipé de quatre connecteurs SFF-8643 et, grâce à la prise en charge Tri-Mode, vous permet de connecter simultanément des disques SATA/SAS et NVMe. De plus, c'est également l'un des contrôleurs les plus économes en énergie du marché (consommant seulement 17 Watts d'énergie, avec moins de 1,1 Watt pour chacun des 16 ports).
L'interface de connexion est le PCI Express x8 version 3.1, qui permet un débit de 64 Gbit/s (des contrôleurs pour PCI Express 2020 devraient apparaître en 4.0). Le contrôleur à 16 ports est basé sur une puce à 2 cœurs et SDRAM DDR72-4 2133 bits (4 Go), ainsi que la possibilité de connecter jusqu'à 240 disques SATA/SAS ou jusqu'à 24 appareils NVMe. En termes d'organisation des matrices RAID, les niveaux « 0 », « 1 », « 5 » et « 6 », ainsi que « 10 », « 50 » et « 60 » sont pris en charge. Au fait, la mémoire cache et les autres contrôleurs de la série 9400 sont protégés contre les pannes de tension par le module CacheVault CVPM05 en option.
La technologie à trois modes est basée sur la fonction de conversion de données SerDes : convertir la représentation série des données dans les interfaces SAS/SATA sous forme parallèle dans PCIe NVMe et vice versa. Autrement dit, le contrôleur négocie les vitesses et les protocoles pour fonctionner de manière transparente avec l'un des trois types de périphériques de stockage. Cela offre un moyen transparent de faire évoluer les infrastructures du centre de données : les utilisateurs peuvent utiliser NVMe sans apporter de modifications significatives aux autres configurations du système.
Cependant, lors de la planification de configurations avec des disques NVMe, il convient de considérer que les solutions NVMe utilisent 4 voies PCIe pour se connecter, ce qui signifie que chaque disque utilise toutes les lignes de ports SFF-8643. Il s'avère que seuls quatre disques NVMe peuvent être connectés directement au contrôleur MegaRAID 9460-16i. Ou limitez-vous à deux solutions NVMe tout en connectant simultanément huit disques SAS (voir schéma de connexion ci-dessous).
La figure 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 NVMe x4 doit être connecté en utilisant des voies adjacentes. Les modes de fonctionnement du contrôleur sont définis via les utilitaires de configuration StorCLI ou Human Interface Infrastructure (HII), qui fonctionnent dans l'environnement UEFI.
Le mode par défaut est le profil « PD64 » (prend uniquement en charge SAS/SATA). Comme nous l'avons dit plus haut, il existe trois profils au total : le mode « Mode SAS/SATA uniquement » (PD240 / PD64 / PD 16), le mode « Mode NVMe uniquement » (PCIe4) et un mode mixte dans lequel tous les types de disques peut fonctionner : « PD64 -PCIe4 » (prise en charge de 64 disques physiques et virtuels avec 4 lecteurs NVMe). En mode mixte, la valeur du profil spécifié doit être « ProfileID=13 ». À propos, le profil sélectionné est enregistré en tant que profil principal et n'est pas réinitialisé même lors du retour aux paramètres d'usine via la commande Définir les paramètres d'usine par défaut. Il ne peut être modifié que manuellement.
Vaut-il la peine de créer une matrice RAID sur un SSD ?
Nous avons donc déjà compris que les matrices RAID sont la clé des hautes performances. Mais vaut-il la peine de créer un RAID à partir de SSD pour un usage domestique et professionnel ? De nombreux sceptiques affirment que l'augmentation de la vitesse n'est pas si importante qu'elle justifie de faire des folies avec les disques NVMe. Mais est-ce vraiment le cas ? À peine. La plus grande limitation à l’utilisation des SSD en RAID (à la fois à la maison et au niveau de l’entreprise) pourrait bien être simplement le prix. Quoi qu'on en dise, le coût d'un gigaoctet d'espace sur un disque dur est bien moins cher.
La connexion de plusieurs « disques » SSD à un contrôleur RAID pour créer une matrice SSD peut avoir un impact énorme sur les performances dans certaines configurations. Cependant, n'oubliez pas que les performances maximales sont limitées par le débit du contrôleur RAID lui-même. Le niveau RAID qui offre les meilleures performances est le RAID 0.
Un RAID 0 conventionnel avec deux SSD, qui utilise une méthode de division des données en blocs fixes et de les répartir sur un stockage SSD, offrira le double de performances par rapport à un seul SSD. Cependant, une matrice RAID 0 avec quatre SSD sera déjà quatre fois plus rapide que le SSD le plus lent de la matrice (en fonction de la limitation de bande passante au niveau du contrôleur SSD RAID).
Sur la base d'une simple arithmétique, un SSD SATA est environ 3 fois plus rapide qu'un disque dur SATA traditionnel. Les solutions NVMe sont encore plus efficaces – 10 fois ou plus. À condition que deux disques durs dans un RAID de niveau zéro affichent des performances doublées, en les augmentant de 50 %, deux SSD SATA seront 6 fois plus rapides et deux SSD NVMe seront 20 fois plus rapides. En particulier, un seul disque Kingston KC2000 NVMe PCIe peut atteindre des vitesses de lecture et d'écriture séquentielles allant jusqu'à 3200 0 Mo/s, qui au format RAID 6 atteindront un impressionnant 4 Go/s. Et la vitesse de lecture/écriture de blocs aléatoires de 350 Ko passera de 000 700 IOPS à 000 XNUMX IOPS. Mais... en même temps, le RAID « zéro » ne nous assure pas de redondance.
On peut dire que dans les environnements domestiques, la redondance du stockage n'est généralement pas nécessaire, donc la configuration RAID la plus appropriée pour les SSD devient réellement RAID 0. Il s'agit d'un moyen fiable d'obtenir des améliorations significatives des performances au lieu d'utiliser des technologies telles que celles basées sur Intel Optane. SSD. Mais nous parlerons du comportement des solutions SSD dans les types RAID les plus courants (« 1 », « 5 », « 10 », « 50 ») 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 les tester avec des disques SATA/SAS/NVMe de classe entreprise. Grâce à cette symbiose amicale, les clients n'ont pas à douter de la fiabilité et de la stabilité des disques Kingston avec contrôleurs HBA et RAID de production. .
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Source: habr.com