האם יש צורך ליצור מערך RAID מ-SSD ואיזה בקרים נדרשים לשם כך?

שלום הבר! במאמר זה נספר לכם האם כדאי לארגן מערכי RAID המבוססים על פתרונות SATA SSD ו-NVMe SSD, והאם יהיה רווח רציני מכך? החלטנו לבדוק את הנושא הזה על ידי בחינת סוגי וסוגי הבקרים המאפשרים לעשות זאת, כמו גם את היקף היישום של תצורות כאלה.

כך או אחרת, כל אחד מאיתנו שמע לפחות פעם אחת בחייו הגדרות כמו "RAID", "מערך RAID", "בקר RAID", אבל לא סביר שייחסנו לכך חשיבות רצינית, כי כל זה הוא לא סביר עבור בויאר PC רגיל מעניין. אבל כולם רוצים מהירויות גבוהות מהכוננים הפנימיים ותפעול ללא בעיות. אחרי הכל, לא משנה כמה עוצמתית החומרה של המחשב, מהירות הכונן הופכת לצוואר בקבוק בכל הנוגע לביצועים המשולבים של המחשב האישי והשרת.

זה היה בדיוק המקרה עד שכונני HDD מסורתיים הוחלפו בכונני NVMe SSD מודרניים עם קיבולות דומות של 1 TB או יותר. ואם קודם לכן במחשבים האישיים היו לעתים קרובות שילובים של SATA SSD + כמה כונני HDD מרווחים, היום הם מתחילים להיות מוחלפים בפתרון אחר - NVMe SSD + כמה כונני SATA SSD מרווחים. אם אנחנו מדברים על שרתים ארגוניים ו"עננים", רבים כבר עברו בהצלחה ל- SATA SSDs, פשוט כי הם מהירים יותר מ"פחי פח" קונבנציונליים ומסוגלים לעבד מספר גדול יותר של פעולות I/O בו-זמנית.

עם זאת, סובלנות התקלות של המערכת עדיין ברמה נמוכה למדי: איננו יכולים, כמו ב"קרב המדיומים", לחזות בדיוק של אפילו עד שבוע מתי כונן מסויים של מצב מוצק ימות. ואם כונני HDD "מתים" בהדרגה, מה שמאפשר לך לתפוס את הסימפטומים ולנקוט פעולה, אז כונני SSD "מתים" מיד וללא אזהרה. ועכשיו זה הזמן להבין למה בכלל צריך את כל זה? האם כדאי לארגן מערכי RAID המבוססים על פתרונות SATA SSD ו-NVMe SSD, והאם יהיה רווח רציני מזה?

למה אתה צריך מערך RAID?

עצם המילה "מערך" כבר מרמזת שמספר כוננים (HDD ו-SSD) משמשים ליצירתו, המשולבים באמצעות בקר RAID ומוכרים על ידי מערכת ההפעלה כאחסון נתונים יחיד. המשימה הגלובלית שמערכי RAID יכולים לפתור היא צמצום זמן הגישה לנתונים, הגדלת מהירות הקריאה/כתיבה והאמינות, אשר מושגת הודות ליכולת להתאושש במהירות במקרה של תקלה. אגב, אין בכלל צורך להשתמש ב-RAID עבור גיבויים ביתיים. אבל אם יש לך שרת ביתי משלך, שאליו אתה צריך גישה מתמדת 24/7, זה עניין אחר.

יש למעלה מתריסר רמות של מערכי RAID, שכל אחד מהם שונה במספר הכוננים המשמשים בו ויש לו יתרונות וחסרונות משלו: למשל, RAID 0 מאפשר לך לקבל ביצועים גבוהים ללא סובלנות תקלות, RAID 1 מאפשר לך שיקוף נתונים אוטומטית מבלי להגביר את המהירות, ומשלב RAID 10 מכיל את האפשרויות של האמור לעיל. RAID 0 ו-1 הם הפשוטים ביותר (מכיוון שהם אינם דורשים חישובי תוכנה) וכתוצאה מכך, הפופולריים ביותר. בסופו של דבר, הבחירה לטובת רמת RAID כזו או אחרת תלויה במשימות המוקצות למערך הדיסקים וביכולות של בקר ה-RAID.

RAID ביתי וארגוני: מה ההבדל?

הבסיס של כל עסק מודרני הוא כמויות גדולות של נתונים שיש לאחסן בצורה מאובטחת בשרתי החברה. כמו כן, כפי שציינו לעיל, יש לספק להם גישה מתמדת 24/7. ברור שלצד החומרה יש חשיבות גם לחלק התוכנה, אבל במקרה הזה אנחנו עדיין מדברים על ציוד שמבטיח אחסון ועיבוד מידע אמין. שום תוכנה לא תציל חברה מהרס אם החומרה לא תעמוד במשימות שהוטלו עליה.

עבור משימות אלה, כל יצרן חומרה מציע מה שנקרא התקנים ארגוניים. לקינגסטון יש פתרונות מוצקים רבי עוצמה בצורת דגמי SATA Kingston 450R (DC450R) и סדרת DC500, כמו גם דגמי NVMe DC1000M U.2 NVMe, DCU1000 U.2 NVMe ו-DCP-1000 PCI-e, המיועדים לשימוש במרכזי נתונים ומחשבי-על. מערכים של כוננים כאלה משמשים בדרך כלל בשילוב עם בקרי חומרה.

לשוק הצרכני (כלומר למחשבים ביתיים ושרתי NAS), כוננים כגון קינגסטון KC2000 NVMe PCIe, אבל במקרה זה אין צורך לקנות בקר חומרה. אתה יכול להגביל את עצמך לשרת PC או NAS המובנה בלוח האם, אלא אם כן אתה כמובן מתכוון להרכיב שרת ביתי בעצמך למשימות לא טיפוסיות (התחלת אירוח ביתי קטן לחברים, למשל). בנוסף, מערכי RAID ביתיים, ככלל, אינם דורשים מאות או אלפי כוננים, כשהם מוגבלים לשניים, ארבעה ושמונה מכשירים (בדרך כלל SATA).

סוגים וסוגים של בקרי RAID

ישנם שלושה סוגים של בקרי RAID המבוססים על עקרונות הטמעת מערכי RAID:

1. תוכנה, שבה ניהול המערך נופל על המעבד וה-DRAM (כלומר, קוד התוכנית מבוצע על המעבד).

2. משולב, כלומר מובנה בלוחות האם של מחשב PC או שרת NAS.

3. חומרה (מודולרית), שהם כרטיסי הרחבה נפרדים עבור מחברי PCI/PCIe על לוחות אם.

מה ההבדל המהותי ביניהם? בקרי RAID של תוכנה נחותים מאלו המשולבים והחומרה מבחינת ביצועים וסובלנות תקלות, אך אינם דורשים ציוד מיוחד כדי לפעול. עם זאת, חשוב לוודא שהמעבד של המערכת המארחת חזק מספיק כדי להפעיל את תוכנת ה-RAID מבלי להשפיע לרעה על הביצועים של יישומים הפועלים גם על המארח. בקרים משולבים מצוידים בדרך כלל בזיכרון מטמון משלהם ומשתמשים בכמות מסוימת של משאבי CPU.

אבל לחומרה יש גם זיכרון מטמון משלהם וגם מעבד מובנה לביצוע אלגוריתמי תוכנה. בדרך כלל, הם מאפשרים לך ליישם את כל סוגי רמות ה-RAID ולתמוך במספר סוגים של כוננים בו-זמנית. לדוגמה, בקרי חומרה מודרניים מבית Broadcom יכולים לחבר בו זמנית התקני SATA, SAS ו-NVMe, מה שמאפשר לך לא לשנות את הבקר בעת שדרוג שרתים: בפרט, בעת מעבר מ-SATA SSD ל-NVMe SSD, אין צורך להחליף בקרים.

למעשה, בהערה זו אנו מגיעים לטיפולוגיה של הבקרים עצמם. אם יש שלושה מצבים, צריכים להיות כמה אחרים? במקרה זה, התשובה לשאלה זו תהיה בחיוב. בהתאם לפונקציות והיכולות, ניתן לחלק את בקרי RAID למספר סוגים:

1. בקרים רגילים עם פונקציית RAID
בהיררכיה כולה, זהו הבקר הפשוט ביותר המאפשר לך לשלב HDD ו-SSD למערכי RAID של רמות "0", "1" או "0+1". זה מיושם באופן פרוגרמטי ברמת הקושחה. עם זאת, בקושי ניתן להמליץ ​​על מכשירים כאלה לשימוש במגזר הארגוני, מכיוון שאין להם מטמון ואינם תומכים במערכים של רמות "5", "3" וכו'. אבל לשרת ביתי ברמת כניסה הם מתאימים למדי.

2. בקרים הפועלים במקביל עם בקרי RAID אחרים
ניתן לשייך בקר מסוג זה עם בקרי לוח אם משולבים. זה מיושם על פי העיקרון הבא: בקר RAID דיסקרטי דואג לפתרון בעיות "לוגיות", והמובנה משתלט על פונקציות חילופי הנתונים בין כוננים. אבל יש ניואנס: פעולה מקבילה של בקרים כאלה אפשרית רק על לוחות אם תואמים, מה שאומר שהיקף היישום שלהם מוגבל מאוד.

3. בקרי RAID עצמאיים
פתרונות דיסקרטיים אלה מכילים על הסיפון את כל השבבים הדרושים לעבודה עם שרתים ברמה ארגונית, בעלי BIOS משלהם, זיכרון מטמון ומעבד עבור תיקון שגיאות מהיר וחישובי שווי ביקורת. בנוסף, הם עומדים בסטנדרטים גבוהים של אמינות מבחינת ייצור ויש להם מודולי זיכרון איכותיים.

4. בקרי RAID חיצוניים
לא קשה לנחש שכל הבקרים המפורטים לעיל הם פנימיים ומקבלים חשמל דרך מחבר ה-PCIe של לוח האם. מה זה אומר? וכי כשל בלוח האם יכול להוביל לשגיאות בפעולת מערך ה-RAID ולאובדן נתונים. בקרים חיצוניים משוחררים מאי הבנה זו, מכיוון שהם נמצאים במארז נפרד עם ספק כוח עצמאי. מבחינת אמינות, בקרים כאלה מספקים את הרמה הגבוהה ביותר של אחסון נתונים.

ברודקום, Microsemi Adaptec, Intel, IBM, Dell ו-Cisco הן רק חלק מהחברות שמציעות כיום בקרי RAID חומרה.

מצבי הפעלה של בקרי RAID SAS/SATA/NVMe

המטרה העיקרית של בקרי HBA ו-RAID תלת-מודים (או בקרים עם פונקציונליות Tri-Mode) היא ליצור RAID חומרה מבוסס NVMe. בקרי סדרת 9400 של ברודקום יכולים לעשות זאת: לדוגמה, MegaRAID 9460-16i. הוא שייך לסוג עצמאי של בקר RAID, מצויד בארבעה מחברי SFF-8643 ובזכות תמיכת Tri-Mode, מאפשר לחבר כונני SATA/SAS ו-NVMe בו זמנית. בנוסף, זהו גם אחד הבקרים החסכוניים ביותר באנרגיה בשוק (צורך רק 17 וואט אנרגיה, עם פחות מ-1,1 וואט לכל אחת מ-16 היציאות).

ממשק החיבור הוא PCI Express x8 גרסה 3.1, המאפשרת תפוקה של 64 Gbit/s (בקרים ל-PCI Express 2020 צפויים להופיע ב-4.0). בקר 16 יציאות מבוסס על שבב 2 ליבות SAS3516 ו-72 סיביות DDR4-2133 SDRAM (4 ג'יגה-בייט), כמו גם היכולת לחבר עד 240 כונני SATA/SAS, או עד 24 התקני NVMe. מבחינת ארגון מערכי RAID, רמות "0", "1", "5" ו- "6", כמו גם "10", "50" ו- "60" נתמכות. דרך אגב, זיכרון מטמון MegaRAID 9460-16i ובקרים אחרים בסדרת 9400 מוגנים מפני תקלות מתח על ידי מודול CacheVault CVPM05 האופציונלי.

טכנולוגיית שלושת המצבים מבוססת על פונקציית המרת הנתונים של SerDes: המרת הייצוג הטורי של נתונים בממשקי SAS/SATA לצורה מקבילה ב-PCIe NVMe ולהיפך. כלומר, הבקר מנהל משא ומתן על מהירויות ופרוטוקולים כדי לעבוד בצורה חלקה עם כל אחד משלושת סוגי התקני האחסון. זה מספק דרך חלקה להרחיב את תשתיות מרכזי הנתונים: משתמשים יכולים להשתמש ב-NVMe מבלי לבצע שינויים משמעותיים בתצורות מערכת אחרות.

עם זאת, כאשר מתכננים תצורות עם כונני NVMe, כדאי לקחת בחשבון שפתרונות NVMe משתמשים ב-4 נתיבי PCIe לחיבור, מה שאומר שכל כונן משתמש בכל הקווים של יציאות SFF-8643. מסתבר שניתן לחבר רק ארבעה כונני NVMe ישירות לבקר MegaRAID 9460-16i. או הגבל את עצמך לשני פתרונות NVMe תוך חיבור בו-זמנית שמונה כונני SAS (ראה תרשים חיבור למטה).

האיור מציג את השימוש במחבר "0" (C0 / מחבר 0) ובמחבר "1" עבור חיבורי NVMe, כמו גם במחברים "2" ו- "3" עבור חיבורי SAS. ניתן להפוך את הסדר הזה, אבל כל כונן x4 NVMe חייב להיות מחובר באמצעות נתיבים סמוכים. מצבי ההפעלה של הבקר נקבעים באמצעות כלי עזר לתצורת StorCLI או Human Interface Infrastructure (HII), הפועלים בסביבת UEFI.

מצב ברירת המחדל הוא פרופיל "PD64" (תומך רק ב-SAS/SATA). כפי שאמרנו לעיל, ישנם שלושה פרופילים בסך הכל: מצב "מצב SAS/SATA בלבד" (PD240 / PD64 / PD 16), מצב "מצב NVMe בלבד" (PCIe4) ומצב מעורב בו כל סוגי הכוננים יכול לפעול: "PD64 -PCIe4" (תמיכה ב-64 דיסקים פיזיים ווירטואליים עם 4 כונני NVMe). במצב מעורב, הערך של הפרופיל שצוין צריך להיות "ProfileID=13". אגב, הפרופיל הנבחר נשמר כ-Master one ואינו מתאפס גם כאשר חוזרים להגדרות היצרן באמצעות הפקודה Set Factory Defaults. ניתן לשנות אותו רק ידנית.

האם כדאי ליצור מערך RAID על SSD?

אז, כבר הבנו שמערכי RAID הם המפתח לביצועים גבוהים. אבל האם כדאי לבנות RAID מכונני SSD לשימוש ביתי וארגוני? ספקנים רבים טוענים שהעלייה במהירות אינה כה משמעותית עד כדי לבזבז על כונני NVMe. אבל האם זה באמת כך? בְּקוֹשִׁי. המגבלה הגדולה ביותר לשימוש ב-SSD ב-RAID (הן בבית והן ברמת הארגון) עשויה להיות רק המחיר. לא משנה מה יגידו, העלות של ג'יגה-בייט של שטח בדיסק קשיח זולה הרבה יותר.

חיבור מספר "כונני מצב מוצק" לבקר RAID ליצירת מערך SSD יכול להיות בעל השפעה עצומה על הביצועים בתצורות מסוימות. עם זאת, אל תשכח שהביצועים המקסימליים מוגבלים על ידי התפוקה של בקר ה-RAID עצמו. רמת ה-RAID שמציעה את הביצועים הטובים ביותר היא RAID 0.

RAID 0 קונבנציונלי עם שני כונני SSD, המשתמש בשיטה של ​​פיצול נתונים לבלוקים קבועים ופיזורם על פני אחסון מוצק, יביא לביצועים כפולים בהשוואה ל-SSD בודד. עם זאת, מערך RAID 0 עם ארבעה SSD כבר יהיה מהיר פי ארבעה מה-SSD האיטי ביותר במערך (בהתאם למגבלת רוחב הפס ברמת בקר RAID SSD).

בהתבסס על חשבון פשוט, SATA SSD מהיר בערך פי 3 מ-SATA HDD מסורתי. פתרונות NVMe יעילים אפילו יותר - פי 10 או יותר. בתנאי ששני כוננים קשיחים ב-RAID ברמה אפסית מציגים ביצועים כפולים, ומגדילים אותם ב-50%, שני כונני SATA SSD יהיו מהירים פי 6, ושני NVMe SSDs יהיו מהירים פי 20. בפרט, כונן Kingston KC2000 NVMe PCIe בודד יכול להשיג מהירויות קריאה וכתיבה עוקבות של עד 3200 MB/s, אשר בפורמט RAID 0 יגיעו ל-6 GB/s מרשימים. ומהירות הקריאה/כתיבה של בלוקים אקראיים בגודל 4 KB תהפוך מ-350 IOPS ל-000 IOPS. אבל... יחד עם זאת, RAID "אפס" אינו מספק לנו יתירות.

ניתן לומר שבסביבות ביתיות, לרוב אין צורך בעודף אחסון, ולכן תצורת ה-RAID המתאימה ביותר עבור SSDs הופכת באמת ל-RAID 0. זוהי דרך אמינה לקבל שיפורי ביצועים משמעותיים כחלופה לשימוש בטכנולוגיות כמו מבוססי Intel Optane כונני SSD. אבל נדבר על איך פתרונות SSD מתנהגים בסוגי ה-RAID הפופולריים ביותר ("1", "5", "10", "50") במאמר הבא שלנו.

מאמר זה הוכן בתמיכתם של עמיתינו בברודקום, המספקים את הבקרים שלהם למהנדסי קינגסטון לצורך בדיקה עם כונני SATA/SAS/NVMe ברמה ארגונית. הודות לסימביוזה ידידותית זו, לקוחות לא צריכים לפקפק באמינות וביציבות של כונני קינגסטון עם בקרי HBA ו-RAID מייצור. ברודקום.

למידע נוסף על מוצרי Kingston, אנא בקר באתר הרשמי חברה.

מקור: www.habr.com