Helló Habr! Ebben a cikkben megvizsgáljuk, hogy érdemes-e RAID tömböket szervezni SATA SSD és NVMe SSD alapú, és hogy ez komoly előnyöket jelent-e? Elkészítettük ezt az anyagot a különféle típusú és fajtájú vezérlők áttekintésével, amelyek lehetővé teszik ezt, valamint a különböző alkalmazási területeikkel.
Bárhogy is, mindannyian hallottunk már a „RAID”, „RAID tömb”, „RAID vezérlő” kifejezésekről, de valószínűleg nem tulajdonítottunk nekik komolyabb jelentőséget, mert a hétköznapi PC-felhasználónak ezek valószínűleg nem érdekesek. Viszont mindenki szeretne magas sebességet és megbízható működést az belső tárolóktól. Mert bármilyen erős is legyen a számítógép hardvere, a tároló sebessége mindig szűk keresztmetszetet jelent a PC és szerver összteljesítményének szempontjából.
Ez egészen addig volt így, amíg a hagyományos HDD-k helyét át nem vették a modern NVMe SSD-k, amelyek összehasonlítható 1 TB vagy annál nagyobb kapacitással rendelkeznek. Ha korábban a számítógépeknél gyakran előfordult a SATA SSD + pár nagy kapacitású HDD kombináció, ma már egy másik megoldás — NVMe SSD + pár nagy kapacitású SATA SSD — kezd terjedni. Ha a vállalati szerverekről és a felhőről beszélünk, sokan már sikeresen átálltak a SATA SSD-kre, egyszerűen azért, mert ezek gyorsabbak a hagyományos „keménylemezeknél” és képesek nagyobb mennyiségű be- és kimeneti műveletet párhuzamosan kezelni.
Azonban a rendszer megbízhatósága még mindig eléggé alacsony szinten áll: nem tudjuk, mint a „Jósok csatája”, előre megmondani még egy hétre pontosan, mikor fog a letisztult SSD valamelyik példánya végleg elromlani. Míg a HDD-k fokozatosan „halnak meg”, lehetőséget adva a tünetek kiszúrására és a lépések megtételére, addig az SSD-k „azonnal és figyelmeztetés nélkül halnak meg”. Most itt az idő, hogy tisztázzuk, miért is van erre szükség? Érdemes-e RAID tömböket szervezni SATA SSD és NVMe SSD alapú, és jelent-e ez komoly előnyöket?
Miért van szükség RAID tömbre?
A szó "tömb" már arra utal, hogy a létrehozásához több tárolóeszköz (HDD és SSD) használható, melyeket RAID-vezérlő segítségével egyesítenek, és az operációs rendszerként egységes adattárolóként ismeri fel őket. A RAID-tömbök globális feladata a hozzáférési idő minimalizálása, az olvasási/írási sebesség növelése és a megbízhatóság fokozása, amelyet a hiba esetén gyors helyreállítás lehetősége biztosít. Megjegyzendő, hogy az otthoni biztonsági mentésekhez a RAID használata nem kötelező. Ha azonban van egy otthoni szervere, amelyhez folyamatos hozzáférés szükséges 24/7, akkor ez már más kérdés.
Több mint egy tucat RAID-tömbszint létezik, amelyek mindegyike eltér a felhasznált tárolók számától, és megvannak a saját előnyeik és hátrányaik: például a RAID 0 magas teljesítményt nyújt hibatűrés nélkül, a RAID 1 pedig automatikus adatmásolást tesz lehetővé sebességnövekedés nélkül, míg a RAID 10 ötvözi a fent említett lehetőségeket. A RAID 0 és 1 a legegyszerűbbek (mivel nem igényelnek szoftveres számításokat), így a legnépszerűbbek is. Végső soron a RAID szint kiválasztása a tároló tömb felADATAI és a RAID-vezérlő lehetőségeitől függ.
Otthoni és vállalati RAID: mi a különbség?
Bármely modern üzlet alapja a nagy mennyiségű adat, amelyeket megbízhatóan kell tárolni a cégek szerverein. Emellett, ahogy már korábban is említettük, ezekhez folyamatos hozzáférést kell biztosítani 24/7. Nyilvánvaló, hogy a "hardware" mellett a szoftveres rész is fontos, de ebben az esetben mégis az olyan berendezésekről beszélünk, amelyek megbízható adatmegőrzést és -feldolgozást nyújtanak. Nincsen olyan szoftver, amely megmentheti a céget, ha a "hardware" nem felel meg a rábízott feladatoknak.
Ezekhez a feladatokhoz bármely "hardware" gyártó a úgynevezett vállalati eszközöket kínálja. A Kingston-nál ezek erőteljes SSD megoldásokat jelentenek SATA modellek formájában. és , valamint DC1000M U.2 NVMe, DCU1000 U.2 NVMe és DCP-1000 PCI-e modellek, amelyek adatközpontokban és szuperszámítógépekben használatra készültek. Az ilyen tárolókra alapozott tömbök jellemzően hardveres vezérlőkkel működnek.
A fogyasztói piacon (tehát otthoni PC-k és NAS szerverek számára) elérhetőek olyan tárolók, mint NVMe PCIe, de ebben az esetben nem szükséges hardveres vezérlőt vásárolni. Meg lehet elégedni a PC vagy a NAS szerver alaplapjára beépített vezérlővel, hacsak nem tervezünk saját otthoni szervert építeni atipikus feladatokhoz (például kis otthoni hostingot barátok számára). Ezenkívül az otthoni RAID tömbök jellemzően nem igénylik több száz vagy ezer tároló használatát, korlátozódva kettőre, négyre vagy nyolcra (gyakrabban SATA).
RAID vezérlők típusai és fajtái
Háromféle RAID vezérlő létezik, amelyek a RAID tömbök megvalósításának elvein alapulnak:
1. Szoftveres, ahol a tömb kezelése a CPU-ra és a DRAM-ra hárul (tehát a szoftverkód végrehajtása a processzoron történik).
2. Integrált, azaz alaplapokba vagy NAS szerverekbe épített.
3. Hardveres (moduláris), amelyek a PCI/PCIe bővítőkártyák diszkrét lapkáiból állnak.
Mi a fő különbség közöttük? A szoftveres RAID vezérlők teljesítményben és meghibásodás-állóságban elmaradnak az integrált és hardveres társaiktól, azonban nem igényelnek külön erre a célra készült hardvert. Fontos azonban megbizonyosodni arról, hogy a hoszt rendszer processzora elég erős a RAID szoftver futtatásához, anélkül, hogy negatívan befolyásolná a hoszton futó alkalmazások teljesítményét. Az integrált vezérlők jellemzően saját cache memóriával rendelkeznek és használják a CPU erőforrásaival.
A hardverek saját gyorsítótárral és beépített processzorral rendelkeznek a programalgoritmusok végrehajtásához. Általában lehetővé teszik az összes RAID-típus megvalósítását, és többféle tárolóegységet támogatnak egyszerre. Például, a Broadcom modern hardvervezérlőihez egyidejűleg csatlakoztathatók SATA-, SAS- és NVMe-eszközök, ami lehetővé teszi a vezérlő cseréje nélküli frissítést a szervereknél: különösen, ha SATA SSD-ről NVMe SSD-re váltunk, a vezérlők cseréje nem lesz szükséges.
Ezen a ponton elérkeztünk a vezérlők tipológiai osztályozásához. Ha vannak három üzemmódúak, akkor biztosan vannak mások is? Ebben az esetben a válasz igennel bővül. A RAID-vezérlőket funkcióik és lehetőségeik alapján több típusra lehet bontani:
1. Hagyományos vezérlők RAID funkcióval
A hierarchiában ez a legegyszerűbb vezérlő, amely lehetővé teszi HDD-k és SSD-k RAID tömbökbe való egyesítését a "0", "1" vagy "0+1" szinteken. Ezt szoftveresen a firmware szintjén valósítják meg. Azonban ezeket az eszközöket valószínűleg nem lehet ajánlani vállalati szegmensben való használatra, mivel nincs bennük gyorsítótár és nem támogatják az olyan szintű tömböket, mint az "5", "3" stb. Viszont egy belépő szintű otthoni szerver számára teljesen megfelelőek.
2. Vezérlők, amelyek más RAID-vezérlőkkel együtt működnek
Ez a vezérlőtípus az alaplapok integrált vezérlőivel működhet együtt. Ez a következő elv szerint valósul meg: a diszkrét RAID-vezérlő átveszi a "logikai" feladatok megoldását, míg az integrált a tárolók közötti adatcserét látja el. De van egy árnyalat: az ilyen vezérlők párhuzamos működése csak kompatibilis alaplapokon lehetséges, így a felhasználási területük jelentősen szűkül.
3. Önálló RAID-vezérlők
Ezek a diszkrét megoldások minden szükséges chipet tartalmaznak a vállalati szintű szerverek működtetéséhez, saját BIOS-szal, gyorsítótárral és processzorral a hibák gyors korrigálására és a hibák ellenőrző összegének kiszámítására. Ráadásul magas gyártási megbízhatósági standardoknak felelnek meg, és kiváló minőségű memória modulokkal rendelkeznek.
4. Külső RAID-vezérlők
Nem nehéz kitalálni, hogy az összes fent említett vezérlő belső, és táplálja őket az alaplap PCIe csatlakozója. Mit jelent ez? Azt, hogy az alaplap meghibásodása RAID tömb hibákhoz és adatvesztéshez vezethet. Ezzel szemben a külső vezérlők megkímélnek ettől a problémától, mivel független tápegységgel rendelkező külön házban helyezkednek el. Megbízhatóság szempontjából ezek a vezérlők a legmagasabb szintű távfolyamatok tárolását biztosítják.
, a Microsemi Adaptec, az Intel, az IBM, a Dell és a Cisco csak néhány azokról a cégekről, amelyek jelenleg hardver RAID vezérlőket kínálnak.
RAID vezérlők SAS/SATA/NVMe működési módjai
A három üzemmódú HBA- és RAID-vezérlők (vagy Tri-Mode funkcióval rendelkező vezérlők) alapvető feladata a NVMe alapú hardver RAID létrehozása. A Broadcomnál a 9400 sorozatú vezérlők ezt képesek végrehajtani: például, . Ez egy önálló RAID vezérlő típus, négy SFF-8643 csatlakozóval van felszerelve, és a Tri-Mode támogatásának köszönhetően egyszerre képes SATA/SAS és NVMe tárolókat csatlakoztatni. Ezenkívül az egyik legenergiahatékonyabb vezérlő a piacon (mindössze 17 Watt energiát fogyaszt, ezáltal kevesebb mint 1,1 Wattot minden egyes 16 porthoz).
A csatlakozási interfész a PCI Express x8 3.1 verziója, amely lehetővé teszi a 64 Gbit/s sebesség elérését (2020-ra várható a PCI Express 4.0-hoz készült vezérlők megjelenése). A 16 portos vezérlő alapja egy kétdanás chip és 72 bites DDR4-2133 SDRAM (4 GB), valamint lehetőség van akár 240 SATA/SAS, vagy 24 NVMe eszköz csatlakoztatására. A RAID tömbök létrehozásánál támogatott szintek a „0”, „1”, „5” és „6”, valamint a „10”, „50” és „60”. Érdekesség, hogy a cache memória és más vezérlők a 9400 sorozatban áramkimaradások ellen védve vannak egy kiegészítő CacheVault CVPM05 modullal.
A három üzemmódú technológia alapját a SerDes adatátalakító funkció képezi: az adatok soros formájának átvitele SAS/SATA interfészekről párhuzamos formában PCIe NVMe-re és fordítva. Vagyis a vezérlő képes összehangolni a sebességeket és protokollokat, hogy zökkenőmentesen működjön bármelyik három típusú tárolóeszközzel. Ez biztosítja az adatközponti infrastruktúrák megszakítás nélküli skálázásának módját: a felhasználók NVMe-t használhatnak anélkül, hogy jelentős változtatásokat kellene eszközölniük a rendszer többi konfigurációjában.
Az NVMe-meghajtók konfigurációjának tervezésekor azonban figyelembe kell venni, hogy az NVMe megoldások 4 PCIe vonalat használnak a csatlakozáshoz, ami azt jelenti, hogy minden meghajtó kihasználja az SFF-8643 portok összes vonalát. Így a MegaRAID 9460-16i vezérlőhöz közvetlenül csak négy NVMe-meghajtót lehet csatlakoztatni. Alternatív megoldásként, nyolc SAS-meghajtó egyidejű csatlakoztatása esetén két NVMe-megoldásra lehet korlátozódni (lásd az alábbi csatlakoztatási diagramot).
A képen a „0” (C0 / Connector 0) és „1” csatlakozó NVMe csatlakozásokhoz, valamint a „2” és „3” csatlakozók SAS csatlakozásokhoz való használata látható. Ez a helyzet megfordítható, de minden x4 NVMe meghajtónak szomszédos vonalak használatával kell csatlakoznia. A vezérlő üzemmódját a StorCLI vagy a Human Interface Infrastructure (HII) konfiguráló segédprogram segítségével lehet beállítani, amely UEFI környezetben működik.
Az alapértelmezett mód a „PD64” profil (csak SAS / SATA támogatása). Ahogy már említettük, összesen három profil létezik: „SAS/SATA only mode” (PD240 / PD64 / PD 16), „NVMe only mode” (PCIe4) és vegyes mód, amelyben az összes tárolótípus működhet: „PD64-PCIe4” (64 fizikai és virtuális lemez támogatás 4 NVMe-meghajtóval). Vegyes módban a beállított profilnak ilyen értékűnek kell lennie – „ProfileID=13”. Érdemes megjegyezni, hogy a kiválasztott profil vezetőként marad meg, és nem nullázódik vissza gyári beállításokra állítva a Set Factory Defaults parancsot. Ezt csak manuálisan lehet megváltoztatni.
Érdemes-e RAID tömböt létrehozni SSD-n?
Tehát már megértettük, hogy a RAID tömbök a magas teljesítmény zálogai. De érdemes-e RAID-et készíteni szilárdtest-meghajtókból otthoni és vállalati használatra? Sokan szkeptikusok arra hivatkoznak, hogy a sebességnövekedés nem olyan jelentős, hogy megérje költeni az NVMe-meghajtókra. De tényleg így van ez? Valószínűleg nem. A legnagyobb korlát a SSD-k RAID-ben való használatában (akár otthoni, akár vállalati szinten) csak az ár lehet. Akárhogy is nézzük, a gigabyte ár HDD-k esetén sokkal olcsóbb.
Több szilárdtest-meghajtó csatlakoztatása a RAID vezérlőhöz SSD tömb létrehozása érdekében bizonyos konfigurációkban óriási hatással lehet a teljesítményre. Azonban nem szabad elfelejteni, hogy a maximális teljesítmény a RAID vezérlő sávszélességének korlátaihoz kötődik. A RAID szint, amely a legjobb sebességet kínálja, a RAID 0.
A RAID 0 egyszerű létrehozása két SSD-meghajtóval, amely az adatokat fix blokkokra osztja és felváltva tárolja a szilárdtest-tárolók között, a teljesítmény duplázódását eredményezi (ha összehasonlítjuk egyetlen SSD sebességével). Ezzel szemben a RAID 0 tömb négy szilárdtest-meghajtóval már négyszer gyorsabb lesz, mint a tömb leglassabb SSD-je (a RAID vezérlő sávszélességének korlátait figyelembe véve).
Ha az egyszerű aritmetikát nézzük, a SATA SSD körülbelül 3-szor gyorsabb, mint a hagyományos SATA HDD. Az NVMe megoldások még hatékonyabbak — 10-szeres vagy annál is gyorsabbak. Ha feltételezzük, hogy a RAID 0 szint két merevlemeze megduplázza a teljesítményt, a sebességet 50%-kal növelve, akkor két SATA SSD 6-szor gyorsabb, két NVMe SSD pedig 20-szor gyorsabb lesz. Például egy Kingston KC2000 NVMe PCIe meghajtó akár 3200 MB/s soros olvasási és írási sebességet is elérhet, ami RAID 0-ban lenyűgöző 6 GB/s sebességet érhet el. Az 4K méretű véletlenszerű blokkok olvasási/írási sebessége 350 000 IOPS-ról 700 000 IOPS-ra nő. De... ugyanakkor a
Elmondható, hogy otthoni környezetben a tároló redundancia általában nem szükséges, így az SSD számára a legmegfelelőbb RAID konfiguráció valóban a RAID 0. Ez egy megbízható módja annak, hogy jelentős teljesítménynövelést érjünk el, alternatívaként az olyan technológiák használatával, mint az Intel Optane alapú SSD-k. Hogy a legnépszerűbb RAID típusokban ("1", "5", "10", "50") hogyan teljesítenek az SSD megoldások, azt a következő anyagunkban fogjuk megbeszélni.
Ez a cikk a Broadcom munkatársainak támogatásával készült, akik mérnökeik számára SATA/SAS/NVMe vállalati szintű tárolókkal tesztelésre biztosítják az irányítóikat. Ennek a baráti szimbiózisnak köszönhetően az ügyfeleknek nem kell kételkedniük a Kingston tárolók megbízhatóságában és stabilitásában HBA- és RAID-vezérlőkkel. .
További információt a Kingston termékeiről itt talál. a céggel.
Forrás: habr.com
