RAID algoritmi predstavljeni su javnosti davne 1987. godine. Do danas ostaju najtraženija tehnologija za zaštitu i ubrzanje pristupa podacima u području pohrane informacija. No, starost IT tehnologije koja je prešla 30-godišnju granicu, više je znak starosti nego zrelosti. Uzrok tome je napredak, koji neprekidno donosi nove mogućnosti. U vremenima kada praktično nije bilo drugih uređaja osim HDD-a, RAID algoritmi omogućili su najučinkovitije korištenje raspoloživih resursa pohrane. Međutim, s pojavom SSD-a, situacija se drastično promijenila. Sada RAID, kada radi s čvrstim diskovima, postaje „spona“ u njihovoj izvedbi. Stoga, kako bi se oslobodila potpuna brzina SSD-a, potreban je potpuno drugačiji pristup radu s njima.
Osim očitih razlika između HDD i SSD u načinu rada, ove vrste medija imaju i još jednu važnu karakteristiku: svaki tvrdi disk može prepisivati bilo koje podatke s granularnošću od jednog bloka (što je trenutno najčešće 4KB). Za SSD, međutim, proces prepisivanja predstavlja mnogo složeniju proceduru:
- Promijenjeni podaci kopiraju se na novo mjesto. Pri tome, granularnost ostaje isti blok, ali se sastoji od nekoliko stranica i ima veličinu između 256KB i 4MB. To znači da prilikom promjene istih 4KB morate kopirati također i sve susjedne stranice koje čine jedinstveni blok.
- „Stari“ blokovi označavaju se kao neiskorišteni, kako bi ih kasnije izbrisao sakupljač „smeća“ (Garbage Collector).
Sekvencijalno pisanje/prepisivanje na SSD
U slučaju sekvencijalnog pisanja/prepisivanja, ova posebna funkcionalnost SSD-a nema veliki utjecaj na njegovu izvedbu, s obzirom na to da su blokovi blizu jedni drugima i sakupljač „smeća“ dobro obavlja svoj posao u pozadini. No u stvarnom životu, a pogotovo u Enterprise segmentu, SSD-ovi se često koriste za nasumični pristup podacima. A ti se podaci pišu na nasumična mjesta na uređajima.
Što više podataka se zapisuje na SSD, to je teže radu 'sakupljača smeća', jer se znatno povećava fragmentacija. Kao rezultat, dolazi trenutak kada proces čišćenja diska više nije 'u pozadini': performanse SSD-a značajno opadaju, budući da veći deo troši sakupljač smeća.
Stvarna lokacija podataka na SSD-u tokom svakodnevne upotrebe
Kako bismo ilustrovali efekat uticaja rada sakupljača 'smeća' u zavisnosti od načina upisa na disk, možemo sprovesti jednostavne testove: sekvencijalno i slučajno zapisivanje blokovima od 4KB na 100GB diska. (Izvor – kompanija )
Performanse pri sekvencijalnom zapisivanju
Performanse pri slučajnom zapisivanju
Kao što se može videti iz testova, pad performansi može doseći više od dva puta. I to je samo jedan disk. U slučaju korišćenja SSD-a u RAID grupi, broj operacija prepisivanja se značajno povećava zahvaljujući radu sa paritetom.
Uopšte, zahvaljujući ovim osobinama rada SSD-a, postoji takav parametar kao što je koeficijent zapisivanja (write amplification). To je odnos količine podataka koji su zapisani na disk i količine podataka koje je host zapravo poslao. Za najpopularniji RAID5 ovaj koeficijent iznosi ~3.5.
Kao rezultat, sistemi sa klasičnim RAID-om u suštini koriste SSD-ove sa samo ~10% njihove stvarne brzine i slabo se skaliraju po performansama kada se broj diskova poveća na više od deset.
Takođe, treba napomenuti da suvišni operacije zapisivanja ne samo da smanjuju performanse SSD-a, već i smanjuju njegov daleko ne beskonačan resurs, skraćujući time životni vek diska.
, koja je osnova svih proizvoda AccelStor, razvijena je kao alternativa klasičnim algoritmima RAID prilikom rada sa SSD-ima. Inovativnost tehnologije prepoznata je kako raznim patentima i nagradama (uključujući i na Flash Memory Summit-u 2016), tako i rezultatima nezavisnih testova (na primer, SPC1).
Bit sastoji se u pretvaranju svih dolaznih zapisnih zahtjeva, a prvenstveno onih koji su nasumični, u skup blokova koji su što sličniji načinu sekvencijalnog zapisivanja s aspekta pohrane. Kao rezultat toga, zapisivanje na SSD-ove se odvija u najboljem mogućem režimu za njih, a ukupna izvedba premašuje bilo kakve sustave s klasičnim RAID-om.
Svi SSD-ovi u AccelStor sustavima podijeljeni su u dvije simetrične skupine FlexiRemap®. Veličina skupine ovisi o modelu i iznosi od 5 do 11 jedinica pohrane. Za otpornost unutar skupine koriste se paritetna rješenja slična RAID5. Obe skupine se koriste zajednički, stvarajući zajednički prostor za pohranu. Stoga će ukupna otpornost biti slična RAID50 polju koje se sastoji od dvije skupine: sustav može podnijeti kvar do dva SSD-a, ali ne više od jednog u svakoj FlexiRemap® skupini.
Svi dolazni zapisni zahtjevi razlažu se na blokove veličine 4KB, koji se naizmjenično zapisuje u obje FlexiRemap® skupine. U ovom procesu sustav neprekidno vodi evidenciju o potražnji zapisivanih blokova, nastojeći prilikom njihovih promjena zapisivati slične blokove što je bliže moguće jedan drugome. Dobiva se virtualni analog tiranja, ako se tako izražava u terminima skladišta podataka. U ovom slučaju značajno se olakšava rad sakupljača 'otpada': neiskorišteni blokovi uvijek će biti blizu jedni drugima.
Valja napomenuti da za razliku od proizvoda konkurenata ne koriste mogućnost keširanja dolaznih zahtjeva u radnoj memoriji kontrolera. Svi dolazni podaci odmah se zapisuje na SSD. Host prima potvrdu o uspješnom zapisivanju tek nakon fizičkog smještaja podataka na uređaje za pohranu. U RAM-u se čuvaju samo tablice smještaja blokova na SSD-ima radi bržeg pristupa i određivanja kamo zapisati sljedeći blok podataka. Naravno, za pouzdanost, kopije tih tablica nalaze se i na samim medijima. Kao rezultat, AccelStor sustavima nije potrebna nikakva zaštita keša u obliku baterije/kondenzatora (iako postoji mogućnost povezivanja s UPS-om – za 'mekano' isključivanje u slučaju problema s napajanjem).
Zahvaljujući takvom pristupu organizaciji zapisa, "sakupljač smeća" može raditi u pozadini bez značajnog utjecaja na brzinu pohrane, što na kraju omogućava sustavu da iskoristi do 90% performansi SSD-a. U tome leži visoki IOPS pokazatelji u AccelStor sustavima u usporedbi s All Flash, koji temelje na RAID algoritmima.
Također, važna značajka FlexiRemap® tehnologije je značajno smanjenje suvišnih operacija pisanja na SSD. Tako faktor pisanja (write amplification) za AccelStor sustave iznosi svega 1.3, što, u normalnom jeziku, znači da se vijek trajanja pohrane produžava više od 2.5 puta u usporedbi s RAID5!
Zahvaljujući stalnoj kontroli sustava nad politikom rasporeda podataka na SSD-ima, svi su uređaji podložni istom habanju. Ovakav pristup omogućuje predviđanje njihovog vijeka trajanja i unaprijed obavještava administratora o iscrpljenju resursa za pisanje.
Jasno je da SSD-ovi mogu otkazati. U tom slučaju sustav odmah započinje rebuild na jedan od hot spare diskova. Prilikom toga, FlexiRemap® grupa koja je u degradeiranom stanju prelazi u "samo za čitanje" režim, dok se svi zahtjevi za pisanjem usmjeravaju na drugu grupu. Ovaj mehanizam zaštite predviđen je za ubrzanje operacije rebuild-a i smanjenje vjerojatnosti otkaza još jednog uređaja unutar iste grupe. Nije tajna da tijekom rebuild-a svi uređaji unutar grupe doživljavaju povećano opterećenje zbog interferencija operacija čitanja, pisanja i oporavka na hot spare. Time se povećava vjerojatnost otkaza još jednog diska. I što je više operacija pisanja, to će dulje trajati rebuild.
Nakon završetka procesa oporavka i vraćanja FlexiRemap® grupe u normalno stanje, doći će do malog nerazmjera u resursu pisanja između dvije grupe. Stoga će se, radi izjednačavanja, buduće operacije pisanja češće usmjeravati na obnovljenu grupu (naravno tako da konačne performanse sustava ne pate previše).
Povećanje performansi All Flash sustava temeljenih na RAID algoritmima iznad određenih vrijednosti (~280K IOPS@4K nasumično pisanje) nije moguće ni uz korištenje složenih sustava keširanja. Tehnologija FlexiRemap®, zahvaljujući potpuno drugačijem pristupu organizaciji prostora za pohranu, ne samo da lako prevladava ovu prepreku, već i višestruko povećava vijek trajanja SSD-a. Tako da sustavi imaju ozbiljne prednosti među All Flash nizovima na mnogim područjima (IOPS/$, GB/$, TCO, ROI), čineći ih idealnim kandidatima za ključne položaje u data centrima klijenata za rješavanje zahtjevnih zadataka.
Izvor: habr.com
