In abbiamo già esaminato la questione se “Applicare RAID su SSD” con gli drive Kingston, ma lo abbiamo fatto solo a livello base. Nell'articolo attuale, analizzeremo le opzioni di utilizzo delle soluzioni NVMe professionali e domestiche nei tipi di array RAID più popolari e parleremo della compatibilità dei controller con gli drive Kingston.
Perché è necessario RAID su SSD?
I vantaggi degli array di storage basati su SSD rispetto agli array di storage su dischi rigidi includono una riduzione dei tempi di accesso ai dati sull'unità e prestazioni superiori nelle operazioni di lettura/scrittura. Tuttavia, per prestazioni ottimali, un RAID basato su SSD richiede una combinazione ideale di CPU, cache, software e hardware. Quando tutti questi fattori funzionano perfettamente insieme, un array RAID di SSD può superare significativamente una configurazione paragonabile con l'uso di tradizionali HDD.
Un SSD tipico consuma meno energia rispetto ai dischi rigidi, quindi uniti a un gran numero di unità a stato solido in un array RAID, il risparmio energetico rispetto a un array RAID di HDD può anche portare a una riduzione delle spese aziendali per le bollette elettriche.
Tuttavia, il RAID SSD ha delle limitazioni e degli svantaggi: in particolare, un prezzo più elevato per gigabyte di spazio rispetto ai dischi rigidi di capacità comparabile. Inoltre, la durata della memoria flash è limitata a un certo numero di cicli di scrittura. Questo significa che gli SSD hanno una vita utile determinata dall'uso: più frequentemente le informazioni vengono riscritte, più rapidamente l'unità si guasterà. D'altra parte, gli SSD aziendali hanno una durata ragionevole, comparabile a quella dei dischi rigidi meccanici.
Come gli SSD Kingston funzionano in modalità RAID con i controller Broadcom
All'alba dell'era degli SSD, le configurazioni RAID presentavano molte complessità. Questo era dovuto anche all'uso di dischi rigidi (HDD) meno affidabili. I dischi a stato solido sono molto più sicuri rispetto ai loro omologhi basati su dischi magnetici. Come sappiamo, le soluzioni SSD non hanno parti in movimento, quindi i danni meccanici sono praticamente nulli. È anche molto improbabile che gli SSD si guastino a causa di picchi di tensione, considerando che a livello di un PC domestico e di qualsiasi server, siete protetti da UPS, filtri di rete e persino dall'alimentatore.
Inoltre, gli SSD hanno un altro vantaggio significativo: anche se le celle di memoria si usurano per le scritture, i dati possono comunque essere letti, mentre nel caso di un disco magnetico danneggiato, purtroppo, non è possibile.
Oggi, l'utilizzo di soluzioni SSD in array RAID di diversi livelli è una pratica del tutto normale. L'importante è scegliere i giusti drive a stato solido, la cui latenza sia minima. Inoltre, il massimo sarebbe utilizzare SSD dello stesso produttore e modello, per evitare un miscuglio di unità che supportano tipi di carico differenti e sono basate su tecnologie, tipi di memoria e controller diversi. Quindi, se decidiamo di acquistare quattro o 16 SSD NVMe della Kingston per creare un array RAID, è meglio che siano tutti della stessa serie e linea di modelli.
A proposito, in Non abbiamo citato i controller Broadcom a caso, quando abbiamo parlato degli SSD NVMe della Kingston. Infatti, nei manuali di questi dispositivi vengono immediatamente elencati i drive compatibili (inclusi i prodotti del già citato produttore americano di SSD) con cui il controller funzionerà senza problemi. Questa informazione è da considerare quando si sceglie una combinazione "controller-SSD" per il RAID.
Analizziamo il funzionamento degli SSD Kingston nei tipi di RAID più popolari— “1”, “5”, “10”, “50”
Quindi, il livello RAID 'zero' non offre ridondanza dei dati, ma aumenta solo le prestazioni. Non fornisce alcuna protezione dei dati, quindi non lo prenderemo in considerazione nel segmento enterprise. RAID 1, d'altra parte, garantisce una piena ridondanza, ma solo un modesto aumento delle prestazioni, pertanto dovrebbe essere considerato solo se il miglioramento delle prestazioni non è un fattore fondamentale nella creazione di un array RAID di SSD.
RAID 1 basato su SSD Kingston e controllori Broadcom
Quindi, l'array RAID di primo livello basato sul controllore Broadcom MegaRAID 9460-16i combina da due a 32 unità Kingston, che sono copie l'una dell'altra, e garantisce una completa ridondanza. Se con l'uso di HDD tradizionali la velocità di scrittura e lettura dei dati rimaneva a livelli di quello stesso HDD, con l'uso di soluzioni delle SSD NVMe otteniamo un incremento di prestazioni dieci volte superiore. In particolare per quanto riguarda i tempi di accesso ai dati. Ad esempio, con due SSD Kingston DC1000M U.2 NVMe in RAID 1 server, otteniamo 350.000 IOPS in lettura di dati casuali e 75.000 IOPS in scrittura.
Per quanto riguarda la velocità di lettura sequenziale, i risultati corrisponderanno alle specifiche dell'unità — 3200 MB/s. Tuttavia, poiché entrambi gli SSD NVMe sono operativi, i dati possono essere letti da essi simultaneamente, rendendo le operazioni di lettura piuttosto veloci. La velocità di scrittura (dichiarata a 2000 MB/s) sarà invece più lenta, poiché ogni operazione di scrittura viene eseguita due volte.
L'array RAID 1 è ideale per piccole basi di dati o qualsiasi altro ambiente che richieda ridondanza, ma con una capacità limitata. La mirroring dei dischi è particolarmente utile in scenari di recupero di emergenza (con una leggera diminuzione delle prestazioni), poiché permette una “rianimazione” immediata dei dati importanti se uno dei dischi nell'array si guasta. Tuttavia, poiché questo livello di protezione richiede il raddoppio della capacità per memorizzare la copia dei dati (per memorizzare 100 TB sono necessari 200 TB di spazio), molte aziende utilizzano opzioni di archiviazione più economiche: RAID 5 e RAID 6.
RAID 5 basato su SSD Kingston e controller Broadcom
Per organizzare un array RAID di livello cinque, sono necessari almeno tre dispositivi di memorizzazione, i cui dati sono alternati (scritti ciclicamente su tutti i dispositivi dell'array), ma non duplicati. Nella loro organizzazione, è importante considerare il loro funzionamento più complesso, poiché qui entra in gioco il concetto di “checksum” (o “parità”). Questo termine si riferisce a una funzione logica algebrica XOR (cioè esclusivo „OR“), che impone l'uso di almeno tre dispositivi nell'array (fino a un massimo di 32). Inoltre, le informazioni sulla parità vengono scritte su tutti i «dischi» dell'array.
Per un array composto da quattro SSD SATA Kingston DC500R da 3,84 TB ciascuno, otterremo 11,52 TB di spazio e 3,84 TB per le checksum. Se uniamo in un RAID di livello cinque 16 dispositivi NVMe Kingston DC1000M U.2 con una capacità di 7,68 TB, avremo 115,2 TB con una perdita di 7,68 TB. Come vedete, più sono i dispositivi, migliore sarà il risultato. È anche meglio perché, maggiori sono i dispositivi nel RAID 5, maggiore sarà la performance totale nelle operazioni di scrittura. La lettura lineare raggiungerà il livello del RAID 0.
Il gruppo di dischi RAID 5 offre un'elevata larghezza di banda (soprattutto per file di grandi dimensioni) e ridondanza con una minima perdita di potenza. Questo tipo di configurazione del RAID è particolarmente adatta per reti che eseguono molte operazioni di input-output (I/O) contemporaneamente. Tuttavia, non è consigliabile utilizzarlo per compiti che richiedono un alto numero di operazioni di scrittura su blocchi piccoli o molto piccoli.
C'è anche un'altra considerazione: se uno qualsiasi degli SSD NVMe fallisce, il RAID 5 entrerà in modalità degradata e la rottura di un ulteriore dispositivo di memorizzazione può diventare critica per tutti i dati. In caso di guasto di un'unità nel RAID, il controller RAID utilizza le informazioni di parità per ricreare tutti i dati mancanti.
RAID 10 basato su SSD Kingston e controller Broadcom
Quindi, il RAID 0 ci offre un raddoppio della velocità e dei tempi di accesso, mentre il RAID 1 garantisce affidabilità. L'ideale sarebbe combinarli, e qui entra in gioco il RAID 10 (o 1+0). La “dieci” è costituita da quattro unità SATA SSD o NVMe (fino a un massimo di 32) e implica un array di “specchi”, il cui numero di unità deve sempre essere un multiplo di quattro. I dati in questo array vengono registrati tramite suddivisione in blocchi fissi (come nel caso del RAID 0) e alternanza tra le unità, distribuendo copie tra i “dischi” nell'array RAID 1. Grazie alla possibilità di accesso simultaneo a più gruppi di dischi, il RAID 10 offre elevate prestazioni.
Poiché il RAID 10 è in grado di distribuire i dati tra diverse coppie speculari, ciò significa che può tollerare il guasto di un'unità all'interno della coppia. Tuttavia, in caso di guasto di entrambe le coppie speculari (ovvero di tutte e quattro le unità), si verificherà una perdita di dati inevitabile. Di conseguenza, abbiamo anche una buona tolleranza ai guasti e affidabilità. Ma è importante notare che, come nel caso del RAID 1, l'array di livello dieci utilizza solo la metà della capacità totale, rendendolo quindi una soluzione costosa. Inoltre, è complesso da configurare.
Il RAID 10 è adatto per l'uso con archiviazioni dati che richiedono il 100% di ridondanza delle coppie di dischi speculari, oltre a un miglioramento delle prestazioni di input/output del RAID 0. È la soluzione migliore per database di medie dimensioni o per qualsiasi ambiente che richieda una resistenza ai guasti superiore rispetto al RAID 5.
RAID 50 basato su SSD Kingston e controller Broadcom
Un array combinato, simile a un RAID di livello 10, che rappresenta un array di livello 0 creato da array di livello 5. Come nel caso precedente, l'obiettivo principale di questo array è ottenere una doppia performance mantenendo l'affidabilità dei dati negli array RAID 5. Il RAID 50 offre una maggiore velocità di scrittura e una migliore protezione dei dati rispetto al RAID 5 standard in caso di guasto di un disco, e consente anche un recupero più rapido in caso di malfunzionamento di uno dei dispositivi.
Un gruppo di dischi RAID 50 suddivide i dati in blocchi più piccoli e poi li distribuisce su ogni array RAID 5. Ogni gruppo di dischi RAID 5, a sua volta, suddivide i dati in blocchi più piccoli, calcola la parità, esegue un'operazione logica OR per i blocchi e poi effettua operazioni di scrittura nei blocchi di dati e controllo della parità per ogni disco nel gruppo di dischi.
Sebbene le prestazioni diminuiscano inevitabilmente in caso di guasto di uno dei dischi, questo non è così significativo come in un array RAID 5, poiché un guasto influisce solo su uno degli array, lasciando l'altro completamente operativo. In effetti, il RAID 50 può resistere fino a otto guasti di HDD/SSD/NVMe, se ogni disco guasto si trova in un diverso array RAID 5.
Il RAID 50 è meglio utilizzato per applicazioni che richiedono alta affidabilità e devono gestire un gran numero di richieste mantenendo elevate velocità di trasferimento dati e un costo inferiore rispetto a un array RAID 10. Tuttavia, poiché è necessario un minimo di sei dischi per configurare un array RAID 50, il costo non può essere completamente escluso come fattore. Uno degli svantaggi del RAID 50 è che, come il RAID 5, richiede un controller complesso: come nell'articolo precedente da Broadcom.
Vale la pena notare che il RAID 50 utilizza meno spazio su disco rispetto al RAID 5 a causa della capacità riservata per la registrazione delle parità. Tuttavia, offre ancora più spazio utile rispetto ad altri livelli di RAID, soprattutto quelli che utilizzano il mirroring. Con un requisito minimo di sei dischi, il RAID 50 può risultare costoso, ma lo spazio aggiuntivo giustifica il costo, proteggendo i dati aziendali. Questo tipo di array è raccomandato per l'archiviazione di dati che richiedono un'elevata affidabilità, un'alta frequenza di accesso, elevate velocità di trasferimento e una grande capacità di archiviazione.
RAID 6 e RAID 60: non li abbiamo dimenticati nemmeno noi
Dopo aver discusso degli array di quinto e cinquantesimo livello, è opportuno menzionare tipi di organizzazione degli array come il RAID 6 e il RAID 60.
Le prestazioni del RAID 6 sono simili a quelle del RAID 5, ma qui almeno due dischi sono dedicati al controllo della parità, il che consente all'array di superare il guasto di due dischi senza perdita di dati (in RAID 5 una situazione del genere è altamente indesiderabile). Questo garantisce una maggiore affidabilità. Per il resto, tutto rimane invariato rispetto all'array di quinto livello: in caso di guasto di uno o due dischi, il controller RAID utilizza i blocchi di parità per ricostruire tutte le informazioni mancanti. In caso di guasto di due dischi, il recupero non avviene simultaneamente: prima viene ripristinato il primo disco, poi il secondo. In questo modo vengono eseguite due operazioni di recupero dati.
Non è difficile immaginare che se il RAID 50 è un array di livello zero composto da array di livello cinque, allora il RAID 60 è un array di livello zero composto da array di livello sei, di cui abbiamo appena parlato. Questa organizzazione dello storage RAID consente di sopravvivere alla perdita di due SSD in ogni gruppo di dischi RAID 6. Il principio di funzionamento è simile a quello descritto nella sezione sul RAID 50, ma il numero di guasti che l'array di livello sessanta può tollerare aumenta da 8 a 16 dischi. Di solito, questi array vengono utilizzati per servizi online che richiedono un'elevata disponibilità.
In sintesi:
Sebbene il mirroring fornisca una maggiore resilienza rispetto a RAID 50/60, richiede anche molto più spazio. Poiché la quantità di dati raddoppia, si ottiene effettivamente solo il 50% della capacità totale dei drive installati nel server per la registrazione e la memorizzazione delle informazioni. La scelta tra RAID 50/60 e RAID 10 dipenderà probabilmente dai budget disponibili, dalla capacità del server e dalle vostre esigenze di protezione dei dati. Il costo diventa cruciale quando parliamo di soluzioni SSD (sia di classe enterprise che consumer).
Non meno importante, ora sappiamo con certezza che RAID basato su SSD è una soluzione sicura e una pratica comune per le aziende moderne. Anche nel contesto domestico ha senso passare a NVMe, se il budget lo consente. E se avete ancora domande sul perché sia necessario, tornate all'inizio dell'articolo: abbiamo già fornito una risposta dettagliata.
Questo articolo è stato realizzato con il supporto dei nostri colleghi di Broadcom, che forniscono i loro controller agli ingegneri di Kingston per il testing con dischi SATA/SAS/NVMe di classe enterprise. Grazie a questa sinergia amichevole, i clienti possono essere certi dell'affidabilità e della stabilità del funzionamento dei dischi Kingston con gli HBA e i controller RAID prodotti. .
Ulteriori informazioni sui prodotti Kingston sono disponibili su dell'azienda.
Fonte: habr.com
