Gli algoritmi RAID sono stati presentati al pubblico nel lontano 1987. Ad oggi, rimangono la tecnologia più richiesta per la protezione e l'accelerazione dell'accesso ai dati nel campo dello storage. Tuttavia, la longevità di una tecnologia IT che ha superato i 30 anni non rappresenta tanto maturità, quanto piuttosto un'invecchiamento. Questo è dovuto al progresso, che inesorabilmente porta nuove opportunità. In un'epoca in cui sostanzialmente non c'erano altri supporti oltre agli HDD, gli algoritmi RAID consentivano di utilizzare al meglio le risorse di storage disponibili. Tuttavia, con l'avvento degli SSD, la situazione è cambiata radicalmente. Ora il RAID, lavorando con i dischi a stato solido, rappresenta un "collare" per le loro prestazioni. Pertanto, per sbloccare il pieno potenziale delle caratteristiche di velocità degli SSD, è necessario un approccio completamente diverso nella loro gestione.
Oltre alle evidenti differenze tra HDD e SSD nel loro funzionamento, questi due tipi di supporto presentano un'altra caratteristica importante: qualsiasi disco rigido può riscrivere qualsiasi dato con granularità di un blocco (attualmente è spesso di 4 KB). Per gli SSD, tuttavia, il processo di riscrittura è molto più complesso:
- I dati modificati vengono copiati in un nuovo luogo. La granularità è lo stesso blocco, ma composto da più pagine e ha una dimensione di 256 KB - 4 MB. Ciò significa che, quando si modificano 4 KB, è necessario copiare anche tutte le pagine adiacenti che formano un blocco unico.
- Etichettare i "vecchi" blocchi come inutilizzati, in modo che possano essere successivamente cancellati dal raccoglitore di "spazzatura" (Garbage Collector).
Scrittura/riserivazione sequenziale su SSD
In caso di scrittura/sovrascrittura sequenziale, questa caratteristica di funzionamento degli SSD non influisce molto sulle prestazioni, poiché i blocchi sono posizionati vicini tra loro e il Garbage Collector riesce a gestire il lavoro in background. Tuttavia, nella vita reale, e soprattutto nel segmento Enterprise, per gli SSD si utilizza spesso l'accesso casuale ai dati. E questi dati vengono scritti in posizioni casuali sui dispositivi.
Più dati vengono scritti su un SSD, più difficile diventa il lavoro del Garbage Collector, poiché la frammentazione aumenta notevolmente. Di conseguenza, arriva un momento in cui il processo di pulizia del dispositivo smette di essere "in background": le prestazioni dell'SSD diminuiscono significativamente, poiché una parte considerevole delle sue prestazioni viene assorbita dal Garbage Collector.
Posizione reale dei dati sugli SSD durante l'uso quotidiano
Per illustrare l'effetto dell'operato del Garbage Collector in base alla modalità di scrittura sul dispositivo, è possibile effettuare semplici test: scrittura sequenziale e casuale in blocchi da 4KB su un dispositivo da 100GB. (Fonte – azienda )
Prestazioni in scrittura sequenziale
Prestazioni nella scrittura casuale
Come si può vedere dai test, il calo delle prestazioni può superare due volte. E questo è solo un singolo disco. Nel caso dell'uso di SSD all'interno di un gruppo RAID, il numero di operazioni di riscrittura aumenta notevolmente, grazie al lavoro con la parità.
In generale, grazie a queste caratteristiche di funzionamento degli SSD, esiste un parametro chiamato fattore di scrittura (write amplification). Questo è il rapporto tra il volume dei dati scritti sul disco e il volume dei dati effettivamente inviati dall'host. Per il RAID5 più popolare, questo coefficiente è pari a ~3.5.
Di conseguenza, i sistemi con RAID classico utilizzano solo ~10% della loro reale velocità degli SSD e scalano male in termini di prestazioni quando il numero di dischi supera la dozzina.
Va inoltre notato che le operazioni di scrittura eccessive non solo riducono le prestazioni degli SSD, ma diminuiscono anche la loro durata finita, accorciando quindi la vita utile del disco.
, che è il cuore di tutti i prodotti AccelStor, è stata progettata come alternativa agli algoritmi RAID tradizionali per l'uso con SSD. L'innovazione della tecnologia è stata riconosciuta da vari brevetti e premi (incluso il Flash Memory Summit 2016) e dai risultati di test indipendenti (ad esempio, SPC1).
L'essenza consiste nella trasformazione di tutte le richieste di scrittura in arrivo, principalmente di tipo random, in un insieme di blocchi molto simile alla modalità di scrittura sequenziale dal punto di vista del dispositivo di archiviazione. Di conseguenza, la scrittura su SSD avviene nella modalità più ottimale per essi, e la performance finale supera qualsiasi sistema con RAID tradizionale.
Tutti gli SSD nei sistemi AccelStor sono divisi in due gruppi simmetrici FlexiRemap®. La dimensione del gruppo dipende dal modello e varia da 5 a 11 dispositivi. Per la tolleranza ai guasti all'interno del gruppo si utilizza un sistema di parità simile a RAID5. Entrambi i gruppi sono utilizzati insieme, formando uno spazio di archiviazione complessivo. Pertanto, la tolleranza ai guasti finale sarà equivalente a un array RAID50 composto da due gruppi: il sistema è in grado di sopportare il guasto di fino a due SSD, ma non più di uno in ciascun gruppo FlexiRemap®.
Tutte le richieste di registrazione in arrivo vengono suddivise in blocchi di dimensione 4KB, che vengono registrati in modalità round robin su entrambi i gruppi FlexiRemap®. Nel frattempo, il sistema tiene costantemente traccia della richiesta dei blocchi registrati, cercando di scrivere blocchi simili il più vicino possibile l'uno all'altro durante le loro modifiche. Si ottiene un'analogia virtuale al tiering, per usare termini di storage. In questo caso, il lavoro del raccoglitore di "spazzatura" è notevolmente semplificato: i blocchi non utilizzati saranno sempre vicini tra loro.
Vale la pena notare che a differenza dei prodotti concorrenti, non utilizzano funzioni di caching delle richieste in ingresso nella memoria del controller. Tutti i blocchi di dati ricevuti vengono immediatamente scritti su SSD. L'host riceve conferma dell'avvenuta scrittura solo dopo il posizionamento fisico dei dati sui supporti. In RAM vengono memorizzate solo le tabelle di posizionamento dei blocchi su SSD per accelerare l'accesso e determinare dove scrivere il successivo blocco di dati. Naturalmente, per affidabilità, copie di queste tabelle sono anche posizionate sui supporti stessi. Di conseguenza, i sistemi AccelStor non richiedono alcuna protezione della cache sotto forma di batteria/condensatore (peraltro, è possibile stabilire una connessione con UPS - per uno spegnimento 'soft' in caso di problemi di alimentazione).
Grazie a questo approccio all'organizzazione della scrittura, il raccoglitore di 'spazzatura' è realmente in grado di lavorare in background, senza influenzare significativamente la velocità dei supporti, il che consente infine di utilizzare fino al 90% delle prestazioni degli SSD all'interno del sistema. È questo il motivo per cui i sistemi AccelStor mostrano elevati valori di IOPS rispetto agli All Flash, che si basano su algoritmi RAID.
Un'altra caratteristica importante della tecnologia FlexiRemap® è la significativa riduzione delle operazioni di scrittura superflue sugli SSD. Pertanto, il fattore di scrittura (write amplification) per i sistemi AccelStor è di solo 1,3, il che significa che la durata degli archivi è più di 2,5 volte superiore rispetto a RAID5!
Grazie al monitoraggio costante da parte del sistema della politica di posizionamento dei dati sugli SSD, tutti gli archivi si usurano in modo uniforme. Questo approccio consente di prevedere la loro vita utile e di inviare un avviso all'amministratore prima che il resource di scrittura si esaurisca.
È noto che gli SSD possano guastarsi. In tal caso, il sistema inizierà immediatamente il rebuild su uno dei dischi di hot spare. A questo punto, il gruppo FlexiRemap®, che si trova in stato degradato, passa in modalità "solo lettura", mentre tutte le richieste di scrittura vengono indirizzate al secondo gruppo. Questo meccanismo di protezione è stato progettato per velocizzare l'operazione di rebuild e ridurre la probabilità di guasti ulteriori in un altro disco all'interno dello stesso gruppo. Infatti, durante il rebuild, tutti i dischi all'interno del gruppo subiscono un carico maggiore a causa delle interferenze tra le operazioni di lettura, scrittura e recupero sul hot spare. Questo aumenta la probabilità di guasto di un altro disco. E più operazioni di scrittura vengono effettuate, più a lungo durerà il rebuild.
Una volta completato il processo di recupero e ripristinato lo stato normale del gruppo FlexiRemap®, ci sarà un piccolo sbilancio nella risorsa di scrittura tra i due gruppi. Pertanto, per riequilibrarlo, le successive operazioni di scrittura saranno più frequenti sul gruppo ripristinato (naturalmente, calcolando che le prestazioni complessive del sistema non ne risentano troppo).
Aumentare le prestazioni dei sistemi All Flash, basati su algoritmi RAID, oltre determinati valori (~280K IOPS@4K write casuale) non è possibile nemmeno utilizzando sistemi di caching avanzati. La tecnologia FlexiRemap®, grazie a un approccio completamente diverso nell'organizzazione dello spazio di archiviazione, non solo supera facilmente questo limite, ma aumenta anche di diversi anni la durata degli SSD. Quindi i sistemi hanno vantaggi significativi rispetto agli array All Flash su molti fronti (IOPS/$, GB/$, TCO, ROI), rendendoli candidati ideali per posizioni chiave nei data center dei clienti per affrontare compiti ad alta intensità di risorse.
Fonte: habr.com
