U već smo razmatrali pitanje "Je li RAID primjenjiv na SSD?" na primjeru Kingstonovih uređaja, ali smo to učinili samo u okviru nultog nivoa. U ovom članku razmotrit ćemo opcije korištenja profesionalnih i kućnih NVMe rješenja u najpopularnijim tipovima RAID nizova i pričati o kompatibilnosti kontrolera s Kingstonovim uređajima.
Zašto je RAID potreban na SSD-ima?
Prednosti skladišnih nizova temeljenih na SSD-u u odnosu na skladišne nizove temeljen na tvrdim diskovima uključuju smanjenje vremena pristupa podacima na uređaju i izvrsne performanse u operacijama čitanja/pisanja. Međutim, za idealne performanse RAID-a temeljenog na SSD-u potrebna je optimalna kombinacija procesora, cache-a, softverskog i hardverskog rješenja. Kada svi ovi faktori savršeno rade zajedno, RAID niz od SSD-a može značajno nadmašiti usporedive konfiguracije koje koriste tradicionalne HDD-ove.
Tipični SSD troši manje energije nego tvrdi diskovi, pa kombiniranje velikog broja čvrstih diskova u RAID nizu može dovesti do uštede energije u odnosu na RAID niz od HDD-a, što može dodatno smanjiti troškove korporativnih računa za struju.
Međutim, SSD RAID ima ograničenja i nedostatke: posebno, viša cijena po gigabajtu prostora u odnosu na tvrde diskove slične kapacitete. Vrijeme neovisnosti flash memorije ograničeno je određenim brojem ciklusa prepisivanja. Drugim riječima, SSD uređaji imaju određeni životni vijek koji ovisi o upotrebi: što se aktivnije prepisuje informacija na njemu, brže će uređaj prestati raditi. S druge strane, korporativni čvrsti diskovi imaju dobar životni vijek, koji je uporediv s mehaničkim tvrdo diskovima.
Kako Kingston SSD-ovi rade u RAID-u s Broadcom kontrolerima
Na početku pojave SSD-ova, RAID konfiguracije su sadržavale mnogo nijansi. Pritom, korištenje manje pouzdanih HDD diskova je imalo uticaj. Čvrsti diskovi su mnogo pouzdaniji od svojih kolega na bazi magnetskih diskova. Kao što znamo, SSD rješenja nemaju pokretne dijelove, pa su mehanička oštećenja svedena na minimum. Takođe, kvarovi čvrstih diskova usled prenapona su takođe malo verovatni, s obzirom da na nivou kućnog računara i bilo kojeg servera imate UPS uređaje, mrežne filtere pa čak i napajanja.
S druge strane, čvrsti diskovi imaju još jednu značajnu prednost: čak i kada se memorijske ćelije istrose prilikom pisanja – podaci se i dalje mogu očitavati, dok sa oštećenim magnetskim diskom – nažalost, to nije slučaj.
Danas je korišćenje SSD rješenja u RAID nizovima različitih nivoa sasvim normalna praksa. Najvažnije je izabrati prave čvrste diskove čija je latencija minimalna. A, idealno je koristiti SSD-ove istog proizvođača i iste serije, kako ne bi došlo do mešanja diskova koji podržavaju različite tipove opterećenja i koji su zasnovani na različitim tipovima memorije, kontrolera i drugih tehnologija. Dakle, ako smo odlučili da nabavimo četiri ili 16 NVMe SSD-a kompanije Kingston za kreiranje RAID-a – neka budu iz iste serije i modela.
Usput, u nismo bez razloga pominjali Broadcom kontrolere kada smo govorili o NVMe SSD-ovima iz Kingston-a. Naime, u priručnicima za ova uređaja odmah se navode kompatibilni diskovi (uključujući rešenja od pomenutog američkog proizvođača SSD), sa kojima će kontroler raditi bez problema. Ove informacije se trebaju koristiti prilikom izbora kombinacije „kontroler-SSD“ za RAID.
Analiziramo rad Kingston SSD-a u najpopularnijim tipovima RAID - "1", "5", "10", "50".
Dakle, „nulti“ nivo RAID-a ne osigurava redundanciju podataka, već samo povećava performanse. RAID 0 ne pruža nikakvu zaštitu podacima, stoga ga nećemo razmatrati u okviru poslovnog segmenta. RAID 1, s druge strane, osigurava potpunu redundanciju, ali samo skromno povećanje performansi, i stoga ga treba razmatrati kada poboljšanje performansi nije presudan faktor pri kreiranju RAID niza sa SSD-om.
RAID 1 na bazi SSD Kingston i Broadcom kontrolera
Dakle, RAID niz prvog nivoa na bazi Broadcom MegaRAID 9460-16i kontrolera objedinjuje od dva do 32 Kingston diska, koji su kopije jedan drugog, i osigurava potpunu redundanciju. Dok je kod tradicionalnih HDD-ova brzina upisa i čitanja podataka ostajala na nivou tog samog HDD-a, sa NVMe SSD rešenjima dobijamo desetostruko povećanje performansi. posebno po pitanju vremena pristupa podacima. Na primer, sa dva SSD Kingston DC1000M U.2 NVMe u serverskom RAID 1, dobićemo 350 000 IOPS prilikom čitanja nasumičnih podataka i 75 000 IOPS prilikom pisanja.
Što se tiče sekvencijalne brzine čitanja, rezultati će odgovarati karakteristikama uređaja — 3200 MB/s. Međutim, pošto su oba NVMe SSD-a u radnom stanju, podaci se mogu simultano čitati sa njih, što čini operacije čitanja prilično brzim. Ipak, brzina pisanja (koja je deklarisana kao 2000 MB/s) biće sporija, jer se svaka operacija pisanja obavlja dvaput.
RAID 1 niz je idealan za male baze podataka ili bilo koje drugo okruženje koje zahteva otpornost na greške, ali male kapacitete. Ogledno kopiranje uređaja posebno pomaže u scenarijima oporavka od katastrofe (performanse se pritom malo pogoršavaju), pošto omogućava trenutnu "rehabilitaciju" važnih podataka ako jedan od uređaja u nizu otkaže. No, pošto ovaj nivo zaštite zahteva udvostručenje kapaciteta za skladištenje ogledne kopije podataka (za skladištenje 100 TB potrebno je 200 TB prostora), u mnogim poslovnim sistemima koriste se isplativije opcije skladištenja: RAID 5 i RAID 6.
RAID 5 na bazi SSD Kingston i Broadcom kontrolera
Za organizaciju RAID 5 sustava bit će potrebna barem tri pogona, gdje se podaci izmjenjuju (ciklično se upisuju na sve pogone u sustavu), ali se ne dupliciraju. Pri njihovoj organizaciji treba uzeti u obzir njihovu složeniju strukturu, budući da se uvodi pojam „kontrolni zbroj“ (ili „parnost“). Pod tim pojmom podrazumijeva se logička algebarska funkcija XOR (koja se također naziva ekskluzivno „ILI“), koja diktira korištenje najmanje tri pogona u sustavu (maksimum – 32). Pri tome se informacija o parnosti upisuje na sve „diskove“ u sustavu.
Za sustav od četiri SATA SSD pogona Kingston DC500R sa po 3,84 TB svaki, dobivamo 11,52 TB prostora i 3,84 za kontrolne zbrojeve. A ako spojimo u RAID 5 sustav 16 NVMe pogona Kingston DC1000M U.2 s kapacitetom od 7,68 TB – dobit ćemo 115,2 TB s gubitkom od 7,68 TB. Kao što vidite, što je više pogona, to je na kraju bolje. To je još bolje zato što što više pogona u RAID 5, to je veća ukupna izvedba pri operacijama zapisivanja. A linearno čitanje će doseći razinu RAID 0.
Grupa diskova RAID 5 osigurava visoku propusnost (osobito za velike datoteke) i redundanciju uz minimalni gubitak snage. Ova vrsta organizacije sustava najbolje je prilagođena mrežama koje istovremeno obavljaju mnogo malih operacija ulaza/izlaza (I/O). Međutim, ne preporučuje se koristiti je za zadatke koji zahtijevaju veliku količinu operacija zapisivanja malih ili sitnih blokova.
Postoji i još jedna stvar: u slučaju kvara barem jednog od NVMe pogona, RAID 5 prelazi u stanje degradacije, a kvar još jednog uređaja za pohranu može postati kritičan za sve podatke. U slučaju kvara jednog pogona u RAID sustavu, RAID kontroler koristi informaciju o parnosti za rekonstrukciju svih nedostajućih podataka.
RAID 10 na bazi SSD Kingston i Broadcom kontrolera
Dakle, RAID 0 nam pruža dvostruko povećanje brzine i vremena pristupa, dok RAID 1 osigurava pouzdanost. Idealan bi bio spojiti ih, a tu vam pomaže RAID 10 (ili 1+0). "Desetka" se sastavlja od četiri SATA SSD ili NVMe pogona (maksimum – 32) i podrazumijeva niz "zrcala", pri čemu broj pogona uvijek mora biti višekratnik od četiri. Podaci u ovom nizu se zapisuje dijeljenjem na fiksne blokove (kao u slučaju RAID 0) i izmjenom između pogona, distribuirajući kopije između "diskova" u RAID 1 nizu. Uz mogućnost istodobnog pristupa više skupina diskova, RAID 10 pokazuje visoke performanse.
Budući da RAID 10 može distribuirati podatke po više zrcalnih parova, to znači da može podnijeti kvar jednog pogona u paru. No, u slučaju kvara oba zrcalna para (odnosno svih četiri pogona) doći će do neizbježnog gubitka podataka. Na kraju, također dobivamo dobru otpornost na kvarove i pouzdanost. Međutim, valja imati na umu da, kao i RAID 1, desetka koristi samo polovicu ukupnog kapaciteta, zbog čega je skupo rješenje. Također, to je složeno za postavljanje.
RAID 10 je prikladan za korištenje s pohranjivanjem podataka kojem je potrebna 100-postotna redundancija zrcalnih diskova, kao i poboljšana I/O izvedba RAID 0. Ovo je najbolje rješenje za srednje velike baze podataka ili bilo koje okruženje koje zahtijeva veću otpornost na kvarove nego RAID 5.
RAID 50 na bazi SSD Kingston i Broadcom kontrolera
Kombinirani niz, sličan RAID 10, koji predstavlja niz razine nula, sastavljen od nizova razine pet. Kao i u prethodnom slučaju, osnovni cilj ovog niza je postizanje udvostručene performanse uz zadržavanje pouzdanosti podataka u RAID 5 nizovima. U tom smislu, RAID 50 osigurava poboljšanu brzinu zapisivanja i bolju zaštitu podataka od standardnog RAID 5 u slučaju kvara diska, kao i mogućnost bržeg oporavka u slučaju kvara jednog od pogona.
RAID 50 disk group splits data into smaller blocks and then distributes them across each RAID 5 array. The RAID 5 disk group also breaks down data into smaller blocks, calculates parity, performs a logical OR operation for the blocks, and then carries out data and parity write operations for each disk in the group.
While performance inevitably decreases in the event of a failure of one of the drives, it is not as critical as in a RAID 5 array because one failure only affects one of the arrays, leaving the other fully operational. In fact, RAID 50 can tolerate up to eight HDD/SSD/NVMe drive failures, provided each failing 'disk' is in a separate RAID 5 array.
RAID 50 is best used for applications requiring high reliability and needing to handle a large number of requests while maintaining high data transfer speeds at a lower cost for drives than RAID 10. However, as configuring a RAID 50 array requires a minimum of six drives, cost cannot be entirely disregarded. One drawback of RAID 50 is that, like RAID 5, it requires a complex controller, such as u prethodnom članku from Broadcom.
It is also worth noting that RAID 50 has less usable disk space than RAID 5 due to the allocation of capacity for parity control records. Nevertheless, it still has more usable space than other RAID levels, especially those using mirroring. With a minimum requirement of six disks, RAID 50 can be an expensive option, but the extra disk space justifies the cost by protecting corporate data. This type of array is recommended for working with data that requires high storage reliability, high request frequency, fast transfer rates, and large capacity.
RAID 6 and RAID 60: we haven't forgotten about them either
Since we talked about the arrays of the fifth and fiftieth levels, it would be a shame not to mention types of array organization like RAID 6 and RAID 60.
Performanse RAID 6 je slična performansi RAID 5, ali ovdje se već minimum dva diska koriste za kontrolu pariteta, što omogućava niz da preživi kvar dva diska bez gubitka podataka (u RAID 5 takva situacija je izuzetno nepoželjna). Zbog toga se osigurava veća pouzdanost. U ostalom, sve je isto kao i u nizu petog nivoa: u slučaju kvara jednog ili dva diska, RAID kontroler koristi paritetne blokove za rekonstrukciju svih nedostajućih informacija. Kada dođe do kvara dva diska, obnova se ne odvija istovremeno: prvo se obnavlja prvi disk, zatim drugi. Na taj način se obavljaju dvije operacije obnove podataka.
Nije teško pogoditi da, ako RAID 50 predstavlja nulti nivo iz nizova petog nivoa, tada RAID 60 predstavlja nulti nivo iz nizova šestog nivoa o kojima smo upravo govorili. To jest, takva organizacija RAID skladišta omogućava preživljavanje gubitka dva SSD-a u svakoj grupi diskova RAID 6. Princip rada je sličan onome o kojem smo govorili u odeljku o RAID 50, ali broj kvarova koje niz sesdesetog nivoa može izdržati raste sa 8 na 16 diskova. Obično se takvi nizovi koriste za online usluge klijenata koje zahtevaju visoku otpornost na kvarove.
Zaključimo:
Iako zrcaljenje osigurava veću otpornost na kvarove od RAID 50/60, također zahteva mnogo više prostora. Pošto se količina podataka udvostručuje, zapravo dobijate samo 50% od ukupnog kapaciteta instaliranih u serveru diskova za zapis i skladištenje informacija. Izbor između RAID 50/60 i RAID 10 verovatno će zavisiti od dostupnih budžeta, kapaciteta servera i vaših potreba za zaštitom podataka. Cena dolazi u prvi plan kada govorimo o SSD rešenjima (kako za korporativnu, tako i za potrošačku klasu).
Nema manje važno, sada sigurno znamo - RAID na bazi SSD-a je prilično sigurno rešenje i normalna praksa za savremeni biznis. U okviru kućne primene također ima smisla preći na NVMe, ako budžeti to omogućavaju. A ako imate još pitanje, zašto je sve ovo potrebno, vratite se na početak članka - već smo na to detaljno odgovorili.
Ovaj članak je pripremljen uz podršku naših kolega iz Broadcom-a, koji svojim kontrolerima pomažu inženjerima Kingston-u u testiranju s poslovnim SATA/SAS/NVMe uređajima. Zahvaljujući ovom prijateljskom simbiozi, kupci ne moraju sumnjati u pouzdanost i stabilnost rada Kingston uređaja s HBA i RAID kontrolerima. .
Dodatne informacije o Kingston proizvodima možete pronaći na tvrtke.
Izvor: habr.com
