Ola Habr! Neste artigo dirémosche se paga a pena organizar matrices RAID baseadas en solucións de estado sólido SATA SSD e NVMe SSD, e haberá un gran beneficio con isto? Decidimos analizar esta cuestión considerando os tipos e tipos de controladores que permiten facelo, así como o ámbito de aplicación destas configuracións.
Dun xeito ou doutro, cada un de nós polo menos unha vez na nosa vida escoitaba definicións como "RAID", "RAID-array", "RAID-controller", pero é improbable que lle demos moita importancia, porque todo isto é improbable para un boiardo ordinario de PC Interesante. Pero todos queren altas velocidades das unidades internas e un funcionamento sen problemas. Despois de todo, non importa o poderoso que sexa o hardware do ordenador, a velocidade da unidade convértese nun pescozo de botella cando se trata do rendemento combinado do PC e do servidor.
Este foi exactamente o caso ata que os HDD tradicionais foron substituídos por modernos SSD NVMe con capacidades comparables de 1 TB ou máis. E se antes nos ordenadores había combinacións de SATA SSD + un par de discos duros de gran capacidade, hoxe comezan a ser substituídos por outra solución: SSD NVMe + un par de SSD SATA de gran capacidade. Se falamos de servidores corporativos e "nubes", moitos xa pasaron con éxito aos SSD SATA, simplemente porque son máis rápidos que as "latas" convencionais e son capaces de procesar un maior número de operacións de E/S simultaneamente.
Non obstante, a tolerancia a fallos do sistema aínda está nun nivel bastante baixo: non podemos, como na "Batalla dos psíquicos", prever cunha precisión de ata unha semana cando unha determinada unidade de estado sólido morrerá. E se os discos duros "morren" gradualmente, o que lle permite detectar os síntomas e tomar medidas, os SSD "morren" inmediatamente e sen previo aviso. E agora é o momento de descubrir por que todo isto é necesario? Paga a pena organizar matrices RAID baseadas en solucións de estado sólido SATA SSD e NVMe SSD, e haberá un gran beneficio con isto?
Por que necesitas unha matriz RAID?
A propia palabra "matriz" xa implica que se usan varias unidades (HDD e SSD) para crealo, que se combinan mediante un controlador RAID e son recoñecidos polo SO como un único almacenamento de datos. A tarefa global que poden resolver as matrices RAID é minimizar o tempo de acceso aos datos, aumentar a velocidade de lectura/escritura e a fiabilidade, o que se consegue grazas á capacidade de recuperarse rapidamente en caso de falla. Por certo, non é necesario usar RAID para as copias de seguridade domésticas. Pero se tes o teu propio servidor doméstico, ao que necesitas acceso constante as 24 horas do día, os 7 días de hoxe, é outra cousa.
Hai máis dunha ducia de niveis de matrices RAID, cada un dos cales difire no número de unidades usadas nel e ten os seus propios pros e contras: por exemplo, RAID 0 permítelle obter un alto rendemento sen tolerancia a fallos, RAID 1 permítelle Replica automaticamente os datos sen aumentar a velocidade e a combinación RAID 10 contén as posibilidades do anterior. RAID 0 e 1 son os máis sinxelos (xa que non requiren cálculos de software) e, como resultado, os máis populares. En definitiva, a elección a favor dun ou outro nivel RAID depende das tarefas asignadas á matriz de discos e das capacidades do controlador RAID.
RAID doméstico e corporativo: cal é a diferenza?
A base de calquera empresa moderna son grandes volumes de datos que deben almacenarse de forma segura nos servidores da empresa. E tamén, como sinalamos anteriormente, deben estar provistos de acceso constante 24/7. Está claro que, xunto co hardware, tamén é importante a parte do software, pero neste caso aínda estamos a falar de equipos que aseguren un almacenamento e procesamento fiable da información. Ningún software salvará a unha empresa da ruína se o hardware non cumpre coas tarefas que lle son asignadas.
Para estas tarefas, calquera fabricante de hardware ofrece os chamados dispositivos empresariais. Kingston ten potentes solucións de estado sólido en forma de modelos SATA и , así como os modelos NVMe DC1000M U.2 NVMe, DCU1000 U.2 NVMe e DCP-1000 PCI-e, destinados ao seu uso en centros de datos e superordenadores. As matrices deste tipo de unidades adoitan usarse en conxunto con controladores de hardware.
Para o mercado de consumo (é dicir, para ordenadores domésticos e servidores NAS), unidades como NVMe PCIe, pero neste caso non é necesario mercar un controlador de hardware. Podes limitarte a un servidor de PC ou NAS integrado na tarxeta nai, a menos que, por suposto, planeas montar un servidor doméstico para tarefas atípicas (por exemplo, comezar un pequeno hospedaxe doméstico para amigos). Ademais, as matrices RAID domésticas, por regra xeral, non requiren centos ou miles de unidades, estando limitadas a dous, catro e oito dispositivos (xeralmente SATA).
Tipos e tipos de controladores RAID
Existen tres tipos de controladores RAID baseados nos principios de implementación de matrices RAID:
1. Software, no que a xestión da matriz recae na CPU e na DRAM (é dicir, o código do programa execútase no procesador).
2. Integrado, é dicir, integrado nas placas base dun PC ou servidor NAS.
3. Hardware (modular), que son tarxetas de expansión discretas para conectores PCI/PCIe das placas base.
Cal é a súa diferenza fundamental entre si? Os controladores RAID de software son inferiores aos integrados e aos de hardware en termos de rendemento e tolerancia a fallos, pero non requiren equipos especiais para funcionar. Non obstante, é importante asegurarse de que o procesador do sistema anfitrión sexa o suficientemente potente como para executar o software RAID sen afectar negativamente o rendemento das aplicacións que tamén se están executando no servidor. Os controladores integrados adoitan estar equipados coa súa propia memoria caché e usan unha certa cantidade de recursos da CPU.
Pero os de hardware teñen tanto a súa propia memoria caché como un procesador incorporado para executar algoritmos de software. Normalmente, permítenche implementar todo tipo de niveis RAID e admiten varios tipos de unidades á vez. Por exemplo, os controladores de hardware modernos de Broadcom poden conectar simultáneamente dispositivos SATA, SAS e NVMe, o que lle permite non cambiar o controlador ao actualizar os servidores: en particular, ao pasar de SSD SATA a SSD NVMe, os controladores non teñen que ser cambiados.
En realidade, nesta nota chegamos á tipoloxía dos propios controladores. Se hai tres modos, debería haber outros? Neste caso, a resposta a esta pregunta será afirmativa. Dependendo das funcións e capacidades, os controladores RAID pódense dividir en varios tipos:
1. Controladores comúns con función RAID
En toda a xerarquía, este é o controlador máis sinxelo que che permite combinar HDD e SSD en matrices RAID de niveis "0", "1" ou "0+1". Isto implícase mediante programación a nivel de firmware. Non obstante, estes dispositivos dificilmente poden recomendarse para o seu uso no segmento corporativo, porque non teñen caché e non admiten matrices de niveis "5", "3", etc. Pero para un servidor doméstico de nivel de entrada son bastante axeitados.
2. Controladores que funcionan en conxunto con outros controladores RAID
Este tipo de controlador pódese emparellar con controladores da placa base integrados. Isto implícase segundo o seguinte principio: un controlador RAID discreto encárgase de resolver problemas "lóxicos" e o integrado asume as funcións de intercambio de datos entre as unidades. Pero hai un matiz: o funcionamento paralelo de tales controladores só é posible en placas base compatibles, o que significa que o seu ámbito de aplicación está seriamente limitado.
3. Controladores RAID autónomos
Estas solucións discretas conteñen a bordo todos os chips necesarios para traballar con servidores de clase empresarial, tendo o seu propio BIOS, memoria caché e procesador para a rápida corrección de erros e cálculos de suma de verificación. Ademais, cumpren altos estándares de fiabilidade en termos de fabricación e contan con módulos de memoria de alta calidade.
4. Controladores RAID externos
Non é difícil adiviñar que todos os controladores enumerados anteriormente son internos e reciben enerxía a través do conector PCIe da placa base. Que significa isto? E ese fallo da placa base pode provocar erros no funcionamento da matriz RAID e perda de datos. Os controladores externos están libres deste malentendido, xa que están aloxados nunha caixa separada cunha fonte de alimentación independente. En termos de fiabilidade, estes controladores proporcionan o máis alto nivel de almacenamento de datos.
, Microsemi Adaptec, Intel, IBM, Dell e Cisco son só algunhas das empresas que ofrecen actualmente controladores RAID de hardware.
Modos de funcionamento dos controladores RAID SAS/SATA/NVMe
O propósito principal dos controladores HBA e RAID trimodo (ou controladores con funcionalidade Tri-Mode) é crear RAID de hardware baseado en NVMe. Os controladores da serie 9400 de Broadcom poden facer isto: por exemplo, . Pertence a un tipo independente de controlador RAID, está equipado con catro conectores SFF-8643 e, grazas ao soporte Tri-Mode, permítelle conectar unidades SATA/SAS e NVMe simultaneamente. Ademais, tamén é un dos controladores máis eficientes enerxéticamente do mercado (consome só 17 vatios de enerxía, con menos de 1,1 vatios para cada un dos 16 portos).
A interface de conexión é PCI Express x8 versión 3.1, que permite un rendemento de 64 Gbit/s (espérase que aparezan controladores para PCI Express 2020 en 4.0). O controlador de 16 portos baséase nun chip de 2 núcleos e SDRAM DDR72-4 de 2133 bits (4 GB), así como a posibilidade de conectar ata 240 unidades SATA/SAS ou ata 24 dispositivos NVMe. En canto á organización de matrices RAID, admiten os niveis "0", "1", "5" e "6", así como "10", "50" e "60". Por certo, memoria caché e outros controladores da serie 9400 están protexidos contra fallos de tensión polo módulo opcional CacheVault CVPM05.
A tecnoloxía de tres modos baséase na función de conversión de datos SerDes: converte a representación en serie de datos en interfaces SAS/SATA en forma paralela en PCIe NVMe e viceversa. É dicir, o controlador negocia velocidades e protocolos para funcionar perfectamente con calquera dos tres tipos de dispositivos de almacenamento. Isto proporciona unha forma perfecta de escalar as infraestruturas do centro de datos: os usuarios poden usar NVMe sen facer cambios significativos noutras configuracións do sistema.
Non obstante, ao planificar configuracións con unidades NVMe, paga a pena ter en conta que as solucións NVMe usan 4 carrís PCIe para conectarse, o que significa que cada unidade usa todas as liñas de portos SFF-8643. Resulta que só se poden conectar catro unidades NVMe directamente ao controlador MegaRAID 9460-16i. Ou limítese a dúas solucións NVMe mentres conecta simultáneamente oito unidades SAS (consulte o diagrama de conexión a continuación).
A figura mostra o uso do conector "0" (C0 / Conector 0) e do conector "1" para conexións NVMe, así como dos conectores "2" e "3" para conexións SAS. Esta disposición pódese invertir, pero cada unidade NVMe x4 debe estar conectada mediante carrís adxacentes. Os modos operativos do controlador establécense a través das utilidades de configuración StorCLI ou Human Interface Infrastructure (HII), que funcionan no contorno UEFI.
O modo predeterminado é o perfil "PD64" (só admite SAS/SATA). Como dixemos anteriormente, hai tres perfís en total: o modo "solo modo SAS/SATA" (PD240 / PD64 / PD 16), o modo "solo modo NVMe" (PCIe4) e un modo mixto no que todo tipo de unidades pode funcionar: "PD64 -PCIe4" (soporte para 64 discos físicos e virtuais con 4 unidades NVMe). No modo mixto, o valor do perfil especificado debería ser "ProfileID=13". Por certo, o perfil seleccionado gárdase como mestre e non se restablece aínda que se volve á configuración de fábrica mediante o comando Establecer valores predeterminados de fábrica. Só se pode cambiar manualmente.
Paga a pena crear unha matriz RAID nun SSD?
Entón, xa entendemos que as matrices RAID son a clave para un alto rendemento. Pero paga a pena construír RAID desde SSD para uso doméstico e corporativo? Moitos escépticos din que o aumento da velocidade non é tan significativo como para derrochar as unidades NVMe. Pero isto é realmente así? Dificilmente. A maior limitación para usar SSD en RAID (tanto na casa como a nivel empresarial) pode ser só o prezo. Diga o que se diga, o custo dun gigabyte de espazo nun disco duro é moito máis barato.
Conectar varias "unidades" de estado sólido a un controlador RAID para crear unha matriz SSD pode ter un gran impacto no rendemento en determinadas configuracións. Non obstante, non esquezas que o rendemento máximo está limitado polo rendemento do propio controlador RAID. O nivel RAID que ofrece o mellor rendemento é o RAID 0.
Un RAID 0 convencional con dous SSD, que utiliza un método para dividir os datos en bloques fixos e separalos en almacenamento de estado sólido, producirá o dobre de rendemento en comparación cun único SSD. Non obstante, unha matriz RAID 0 con catro SSD xa será catro veces máis rápida que a SSD máis lenta da matriz (dependendo da limitación do ancho de banda no nivel do controlador RAID SSD).
Baseándose nunha simple aritmética, un SSD SATA é unhas 3 veces máis rápido que un HDD SATA tradicional. As solucións NVMe son aínda máis eficientes: 10 veces ou máis. Sempre que dous discos duros nun RAID de nivel cero amosen o dobre de rendemento, incrementándoo nun 50 %, dous SSD SATA serán 6 veces máis rápidos e dous SSD NVMe 20 veces máis rápidos. En particular, unha única unidade Kingston KC2000 NVMe PCIe pode acadar velocidades secuenciais de lectura e escritura de ata 3200 MB/s, que en formato RAID 0 alcanzarán os impresionantes 6 GB/s. E a velocidade de lectura/escritura de bloques aleatorios de 4 KB de tamaño pasará de 350 IOPS a 000 IOPS. Pero... ao mesmo tempo, o RAID “cero” non nos proporciona redundancia.
Pódese dicir que en ambientes domésticos, normalmente non se precisa a redundancia de almacenamento, polo que a configuración RAID máis adecuada para SSD convértese realmente en RAID 0. Esta é unha forma fiable de conseguir melloras significativas de rendemento como alternativa ao uso de tecnoloxías como Intel Optane. SSD. Pero falaremos de como se comportan as solucións SSD nos tipos RAID máis populares ("1", "5", "10", "50") no noso próximo artigo.
Este artigo preparouse co apoio dos nosos colegas de Broadcom, que proporcionan os seus controladores aos enxeñeiros de Kingston para probar con unidades SATA/SAS/NVMe de clase empresarial. Grazas a esta simbiose amigable, os clientes non teñen que dubidar da fiabilidade e estabilidade das unidades Kingston con controladores HBA e RAID fabricados. .
Para obter máis información sobre os produtos de Kingston, visite empresa.
Fonte: www.habr.com