SSD から RAID アレイを作成する必要がありますか? また、これにはどのようなコントローラーが必要ですか?

こんにちはハブル！ この記事では、ソリッドステート ソリューションの SATA SSD と NVMe SSD に基づいて RAID アレイを構成する価値があるかどうか、またそこから大きな利益が得られるかどうかについて説明します。 これを可能にするコントローラーの種類とその構成の適用範囲を考慮して、この問題を検討することにしました。

いずれにせよ、私たち一人一人が人生で少なくとも一度は「RAID」、「RAID アレイ」、「RAID コントローラー」などの定義を聞いたことがあるでしょう。しかし、これを真剣に重視することはまずありません。普通の PC 愛好家にとってはありえないことです。興味深いですね。 しかし、誰もが内部ドライブの高速性とトラブルのない動作を望んでいます。 結局のところ、コンピュータのハードウェアがどれほど強力であっても、PC とサーバーの総合的なパフォーマンスとなると、ドライブの速度がボトルネックになります。

従来の HDD が、同等の容量の 1 TB 以上の最新の NVMe SSD に置き換えられるまでは、まさにこの状況でした。 また、以前の PC では SATA SSD + XNUMX 台の大容量 HDD の組み合わせがよくありましたが、現在では、NVMe SSD + XNUMX 台の大容量 SATA SSD という別のソリューションに置き換えられ始めています。 企業サーバーと「クラウド」について言えば、その多くはすでに SATA SSD への移行に成功しています。その理由は、単に従来の「ブリキ缶」よりも高速であり、より多くの I/O 操作を同時に処理できるからです。

ただし、システムの耐障害性は依然としてかなり低いレベルにあります。「超能力の戦い」のように、特定のソリッド ステート ドライブがいつ故障するかを最大 XNUMX 週間の精度で予測することはできません。 また、HDD が徐々に「故障」し、症状を把握して対処できるようになった場合、SSD は警告なしに即座に「故障」します。 そして今こそ、なぜこれだけのことが必要なのかを理解するときではないでしょうか? ソリッドステート ソリューションの SATA SSD と NVMe SSD に基づいて RAID アレイを構成する価値はありますか?また、そこから大きな利益が得られるでしょうか?

なぜ RAID アレイが必要なのでしょうか?

「アレイ」という言葉自体が、それを作成するために複数のドライブ (HDD と SSD) が使用され、RAID コントローラーを使用して結合され、OS によって単一のデータ ストレージとして認識されることをすでに暗示しています。 RAID アレイが解決できる全体的な課題は、データ アクセス時間を最小限に抑え、読み取り/書き込み速度と信頼性を向上させることであり、これは障害発生時に迅速に回復する機能のおかげで達成されます。 ちなみに、自宅のバックアップにRAIDを使用する必要はまったくありません。 しかし、自分のホーム サーバーがあり、24 時間 7 日常にアクセスする必要がある場合は、話は別です。

RAID アレイには十数のレベルがあり、それぞれで使用されるドライブの数が異なり、独自の長所と短所があります。たとえば、RAID 0 ではフォールト トレランスなしで高いパフォーマンスが得られますが、RAID 1 では耐障害性がなくても高いパフォーマンスが得られます。速度を向上させることなくデータを自動的にミラーリングし、RAID 10 を組み合わせると上記の可能性が含まれます。 RAID 0 と 1 は最も単純で (ソフトウェアによる計算が必要ないため)、その結果として最も人気があります。 最終的に、どちらの RAID レベルを選択するかは、ディスク アレイに割り当てられたタスクと RAID コントローラの機能によって決まります。

家庭用 RAID と企業用 RAID: 違いは何ですか?

現代のビジネスの基盤となるのは、企業サーバーに安全に保存する必要がある大量のデータです。 また、上で述べたように、24 時間 7 日常時アクセスできる必要があります。 ハードウェアに加えてソフトウェア部分も重要であることは明らかですが、この場合でも、情報の信頼性の高い保存と処理を保証する機器について話しています。 ハードウェアが割り当てられたタスクを満たさない場合、ソフトウェアは会社を破滅から救うことはできません。

これらのタスクのために、どのハードウェア メーカーもいわゆるエンタープライズ デバイスを提供しています。 Kingston は、SATA モデルの形式で強力なソリッドステート ソリューションを提供しています。 キングストン450R(DC450R) и DC500シリーズ、データセンターやスーパーコンピューターでの使用を目的とした NVMe モデル DC1000M U.2 NVMe、DCU1000 U.2 NVMe、および DCP-1000 PCI-e も含まれます。 このようなドライブのアレイは通常、ハードウェア コントローラーと組み合わせて使用​​されます。

コンシューマ市場 (つまり、家庭用 PC や NAS サーバー) の場合、次のようなドライブがあります。 キングストンKC2000 NVMe PCIe ですが、この場合はハードウェア コントローラーを購入する必要はありません。 もちろん、特殊なタスク (友人のために小規模なホーム ホスティングを開始するなど) のためにホーム サーバーを自分で組み立てる予定がない限り、マザーボードに組み込まれた PC または NAS サーバーに限定することもできます。 さらに、ホーム RAID アレイは、原則として、数百、数千のドライブを必要とせず、XNUMX、XNUMX、XNUMX 台のデバイス (通常は SATA) に限定されます。

RAIDコントローラーの種類と種類

RAID アレイの実装原理に基づいて、RAID コントローラには XNUMX つのタイプがあります。

1. アレイ管理が CPU と DRAM に委ねられる (つまり、プログラム コードがプロセッサ上で実行される) ソフトウェア。

2. 統合型、つまり PC または NAS サーバーのマザーボードに組み込まれています。

3. ハードウェア (モジュラー)。マザーボード上の PCI/PCIe コネクタ用の個別の拡張カードです。

それぞれの根本的な違いは何でしょうか? ソフトウェア RAID コントローラは、パフォーマンスと耐障害性の点で統合型およびハードウェア RAID コントローラより劣りますが、動作するために特別な機器を必要としません。 ただし、ホスト システムのプロセッサが、ホスト上で実行されているアプリケーションのパフォーマンスに悪影響を与えることなく RAID ソフトウェアを実行するのに十分強力であることを確認することが重要です。 統合コントローラには通常、独自のキャッシュ メモリが装備されており、一定量の CPU リソースを使用します。

しかし、ハードウェアのものには、独自のキャッシュ メモリと、ソフトウェア アルゴリズムを実行するための内蔵プロセッサの両方が備わっています。 通常、これらを使用すると、あらゆる種類の RAID レベルを実装し、複数の種類のドライブを同時にサポートできます。 たとえば、Broadcom の最新のハードウェア コントローラーは、SATA、SAS、および NVMe デバイスを同時に接続できるため、サーバーをアップグレードするときにコントローラーを変更する必要がありません。特に、SATA SSD から NVMe SSD に移行する場合、コントローラーを変更する必要はありません。

実際、この点でコントローラー自体の類型に行き着きます。 XNUMX モードがある場合は、他にもあるはずですか? この場合、この質問に対する答えは肯定的になります。 機能と能力に応じて、RAID コントローラはいくつかのタイプに分類できます。

1. RAID機能を搭載した通常のコントローラー
階層全体において、これは HDD と SSD をレベル「0」、「1」、または「0+1」の RAID アレイに組み合わせることができる最も単純なコントローラーです。 これは、ファームウェア レベルでプログラムによって実装されます。 ただし、このようなデバイスはキャッシュを持たず、レベル「5」、「3」などの配列をサポートしていないため、企業セグメントでの使用にはほとんど推奨できません。 ただし、エントリーレベルのホームサーバーとしては非常に適しています。

2. 他の RAID コントローラと連携して動作するコントローラ
このタイプのコントローラーは、統合されたマザーボード コントローラーと組み合わせることができます。 これは、次の原則に従って実装されます。個別の RAID コントローラが「論理」問題の解決を担当し、内蔵コントローラがドライブ間のデータ交換の機能を引き継ぎます。 ただし、微妙な点があります。このようなコントローラーの並列操作は、互換性のあるマザーボード上でのみ可能であり、その適用範囲が大幅に制限されていることを意味します。

3. スタンドアロン RAID コントローラー
これらの個別ソリューションには、エンタープライズクラスのサーバーで動作するために必要なすべてのチップがオンボードに含まれており、高速エラー修正とチェックサム計算のための独自の BIOS、キャッシュ メモリ、プロセッサが備わっています。 さらに、製造に関して高い信頼性基準を満たしており、高品質のメモリ モジュールを備えています。

4. 外部 RAID コントローラー
上記のコントローラーはすべて内蔵されており、マザーボードの PCIe コネクタを通じて電力を供給されていることは推測に難しくありません。 これはどういう意味ですか？ そして、マザーボードの障害は、RAID アレイの動作エラーやデータ損失につながる可能性があります。 外部コントローラーは独立した電源を備えた別のケースに収納されているため、この誤解から解放されます。 信頼性の点で、このようなコントローラーは最高レベルのデータ ストレージを提供します。

ブロードコム, Microsemi Adaptec、Intel、IBM、Dell、Cisco は、現在ハードウェア RAID コントローラを提供している企業のほんの一部です。

RAID コントローラの動作モード SAS/SATA/NVMe

トライモード HBA および RAID コントローラー (またはトライモード機能を備えたコントローラー) の主な目的は、NVMe ベースのハードウェア RAID を作成することです。 Broadcom の 9400 シリーズ コントローラはこれを実行できます。たとえば、次のようになります。 MegaRAID 9460-16i。 独立したタイプの RAID コントローラに属し、8643 つの SFF-17 コネクタが装備されており、トライモード サポートのおかげで、SATA/SAS ドライブと NVMe ドライブを同時に接続できます。 さらに、市場で最もエネルギー効率の高いコントローラーの 1,1 つでもあります (エネルギー消費量はわずか 16 ワットで、XNUMX ポートの各ポートの消費電力は XNUMX ワット未満です)。

接続インターフェースはPCI Express x8バージョン3.1で、64Gビット/秒のスループットが可能（PCI Express 2020対応のコントローラーは4.0年に登場予定）。 16 ポート コントローラーは 2 コア チップに基づいています SAS3516 および 72 ビット DDR4-2133 SDRAM (4 GB) に加えて、最大 240 台の SATA/SAS ドライブまたは最大 24 台の NVMe デバイスを接続する機能も備えています。 RAID アレイの構成に関しては、レベル「0」、「1」、「5」、「6」、および「10」、「50」、「60」がサポートされています。 ちなみにキャッシュメモリ MegaRAID 9460-16i および 9400 シリーズの他のコントローラーは、オプションの CacheVault CVPM05 モジュールによって電圧障害から保護されます。

XNUMX モード テクノロジーは、SerDes データ変換機能に基づいており、SAS/SATA インターフェイスのデータのシリアル表現を PCIe NVMe のパラレル形式に、またはその逆に変換します。 つまり、コントローラーは、XNUMX 種類のストレージ デバイスのいずれかとシームレスに動作するように速度とプロトコルをネゴシエートします。 これにより、データセンター インフラストラクチャを拡張するシームレスな方法が提供されます。ユーザーは、他のシステム構成に大幅な変更を加えることなく NVMe を使用できます。

ただし、NVMe ドライブを使用した構成を計画する場合は、NVMe ソリューションが接続に 4 つの PCIe レーンを使用すること、つまり各ドライブが SFF-8643 ポートのすべてのラインを使用することを考慮する価値があります。 MegaRAID 9460-16i コントローラーに直接接続できる NVMe ドライブは XNUMX 台のみであることがわかりました。 または、同時に XNUMX 台の SAS ドライブを接続しながら、XNUMX つの NVMe ソリューションに制限します (以下の接続図を参照)。

この図は、NVMe 接続用のコネクタ「0」(C0 / コネクタ 0) とコネクタ「1」、および SAS 接続用のコネクタ「2」と「3」の使用を示しています。 この配置は逆にすることもできますが、各 x4 NVMe ドライブは隣接するレーンを使用して接続する必要があります。 コントローラーの動作モードは、UEFI 環境で動作する StorCLI またはヒューマン インターフェイス インフラストラクチャ (HII) 構成ユーティリティを通じて設定されます。

デフォルトモードは「PD64」プロファイルです（SAS/SATAのみをサポート）。 上で述べたように、「SAS/SATA のみモード」モード (PD240 / PD64 / PD 16)、「NVMe のみモード」(PCIe4) モード、およびすべての種類のドライブが混在する混合モードの合計 64 つのプロファイルがあります。動作可能：「PD4 -PCIe64」（4 台の NVMe ドライブを備えた 13 台の物理ディスクおよび仮想ディスクをサポート）。 混合モードの場合、指定するプロファイルの値は「ProfileID=XNUMX」である必要があります。 ちなみに、選択したプロファイルはマスタープロファイルとして保存され、「工場出荷時設定」コマンドで工場出荷時の設定に戻してもリセットされません。 手動でのみ変更できます。

SSD 上に RAID アレイを作成する価値はありますか?

したがって、RAID アレイが高性能の鍵であることはすでに理解しています。 しかし、家庭や企業で使用するために SSD から RAID を構築する価値はあるのでしょうか? 多くの懐疑論者は、速度の向上は NVMe ドライブに散財するほど大きなものではないと述べています。 しかし、本当にそうなのでしょうか？ しそうにない。 (家庭レベルと企業レベルの両方で) RAID で SSD を使用する場合の最大の制限は、単に価格かもしれません。 誰が何と言おうと、HDD 上の XNUMX ギガバイトのスペースのコストははるかに安くなります。

複数のソリッド ステート「ドライブ」を RAID コントローラーに接続して SSD アレイを作成すると、特定の構成ではパフォーマンスに大きな影響を与える可能性があります。 ただし、最大パフォーマンスは RAID コントローラー自体のスループットによって制限されることを忘れないでください。 最高のパフォーマンスを提供する RAID レベルは RAID 0 です。

0 つの SSD を備えた従来の RAID 0 では、データを固定ブロックに分割し、ソリッド ステート ストレージ全体にストライピングする方法が使用されており、結果として XNUMX つの SSD と比較してパフォーマンスが XNUMX 倍になります。 ただし、XNUMX つの SSD を備えた RAID XNUMX アレイは、アレイ内で最も遅い SSD よりも既に XNUMX 倍高速になります (RAID SSD コントローラ レベルでの帯域幅制限に応じて)。

単純な計算に基づくと、SATA SSD は従来の SATA HDD よりも約 3 倍高速です。 NVMe ソリューションはさらに効率が高く、10 倍以上です。 ゼロレベル RAID 内の 50 台のハードドライブが 6 倍のパフォーマンスを示し、20% 向上すると仮定すると、2000 台の SATA SSD は 3200 倍、0 台の NVMe SSD は 6 倍高速になります。 特に、4 台の Kingston KC350 NVMe PCIe ドライブは、最大 000 MB/秒のシーケンシャル読み取りおよび書き込み速度を達成できます。これは、RAID 700 フォーマットでは 000 GB/秒という驚異的な速度に達します。 また、サイズ XNUMX KB のランダム ブロックの読み取り/書き込み速度は XNUMX IOPS から XNUMX IOPS に変わります。 しかし...同時に、「ゼロ」RAID は冗長性を提供しません。

家庭環境では通常、ストレージの冗長性は必要ないため、SSD に最適な RAID 構成は実際には RAID 0 になると言えます。これは、Intel Optane ベースのテクノロジを使用する代わりに、パフォーマンスを大幅に向上させる信頼できる方法です。 SSD。 ただし、SSD ソリューションが最も一般的な RAID タイプ (「1」、「5」、「10」、「50」) でどのように動作するかについては、次の記事で説明します。

この記事は、エンタープライズ クラスの SATA/SAS/NVMe ドライブを使用したテスト用にコントローラを Kingston のエンジニアに提供している Broadcom の同僚の支援を受けて作成されました。 この友好的な共生のおかげで、お客様は生産段階から HBA および RAID コントローラを備えた Kingston ドライブの信頼性と安定性を疑う必要がありません。 ブロードコム.

キングストン製品の詳細については、こちらをご覧ください。 公式ウェブサイト上で 会社。

出所： habr.com