SSD에서 RAID 어레이를 생성해야 하며 이를 위해 어떤 컨트롤러가 필요합니까?

안녕하세요 하브르입니다! 이 기사에서는 솔리드 스테이트 솔루션인 SATA SSD 및 NVMe SSD를 기반으로 RAID 어레이를 구성할 가치가 있는지, 그리고 이로 인해 상당한 이익을 얻을 수 있는지 알려드리겠습니다. 우리는 이를 가능하게 하는 컨트롤러의 유형과 유형, 그리고 그러한 구성의 적용 범위를 고려하여 이 문제를 조사하기로 결정했습니다.

어떤 식 으로든 우리 각자는 인생에서 적어도 한 번은 "RAID", "RAID 어레이", "RAID 컨트롤러"와 같은 정의를 들었지만 이에 대해 심각한 중요성을 부여하지는 않을 것입니다. 평범한 PC 소년에게는 가능성이 낮습니다. 그러나 모든 사람은 내부 드라이브의 빠른 속도와 문제 없는 작동을 원합니다. 결국, 컴퓨터의 하드웨어가 아무리 강력하더라도 PC와 서버의 성능을 합치면 드라이브의 속도가 병목 현상을 일으키게 됩니다.

기존 HDD가 1TB 이상의 비슷한 용량을 갖춘 최신 NVMe SSD로 교체되기 전까지는 정확히 그랬습니다. 그리고 이전 PC에는 SATA SSD + 두 개의 대용량 HDD 조합이 자주 있었다면 오늘날에는 NVMe SSD + 두 개의 대용량 SATA SSD라는 다른 솔루션으로 교체되기 시작했습니다. 기업 서버와 "클라우드"에 관해 이야기하면 많은 사람들이 이미 SATA SSD로 성공적으로 전환했습니다. 그 이유는 단순히 기존 "깡통"보다 빠르고 더 많은 수의 I/O 작업을 동시에 처리할 수 있기 때문입니다.

그러나 시스템의 내결함성은 여전히 ​​매우 낮은 수준입니다. "Battle of Psychics"에서처럼 특정 솔리드 스테이트 드라이브가 종료되는 시점을 최대 일주일의 정확도로 예측할 수 없습니다. 그리고 HDD가 점진적으로 "죽어" 증상을 파악하고 조치를 취할 수 있게 되면 SSD는 경고 없이 즉시 "죽어"집니다. 이제 이 모든 것이 왜 필요한지 알아낼 때입니까? 솔리드 스테이트 솔루션인 SATA SSD 및 NVMe SSD를 기반으로 RAID 어레이를 구성할 가치가 있으며, 이를 통해 상당한 이익을 얻을 수 있습니까?

RAID 어레이가 필요한 이유는 무엇입니까?

"어레이"라는 단어는 이미 이를 생성하는 데 여러 드라이브(HDD 및 SSD)가 사용되며 RAID 컨트롤러를 사용하여 결합되고 OS에서 단일 데이터 저장소로 인식된다는 것을 의미합니다. RAID 어레이가 해결할 수 있는 글로벌 작업은 데이터 액세스 시간을 최소화하고 읽기/쓰기 속도와 안정성을 높이는 것입니다. 이는 장애 발생 시 신속하게 복구할 수 있는 능력 덕분에 달성됩니다. 그런데 홈 백업에는 RAID를 사용할 필요가 전혀 없습니다. 그러나 연중무휴 24시간 지속적인 액세스가 필요한 자체 홈 서버가 있다면 그것은 다른 문제입니다.

RAID 어레이에는 0개 이상의 레벨이 있으며 각 레벨에는 사용되는 드라이브 수가 다르며 고유한 장단점이 있습니다. 예를 들어 RAID 1을 사용하면 내결함성 없이 고성능을 얻을 수 있고 RAID 10을 사용하면 다음을 수행할 수 있습니다. 속도를 높이지 않고 자동으로 데이터를 미러링하며 RAID 0에는 위의 가능성이 포함되어 있습니다. RAID 1과 XNUMX은 소프트웨어 계산이 필요하지 않기 때문에 가장 간단하고 결과적으로 가장 널리 사용됩니다. 궁극적으로 하나 또는 다른 RAID 레벨을 선호하는 선택은 디스크 어레이에 할당된 작업과 RAID 컨트롤러의 기능에 따라 달라집니다.

가정 및 기업 RAID: 차이점은 무엇입니까?

현대 비즈니스의 기본은 회사 서버에 안전하게 저장되어야 하는 대량의 데이터입니다. 또한 위에서 언급한 것처럼 연중무휴 24시간 지속적인 액세스가 제공되어야 합니다. 하드웨어와 함께 소프트웨어 부분도 중요하다는 것은 분명하지만 이 경우에는 정보의 안정적인 저장 및 처리를 보장하는 장비에 대해 이야기하고 있습니다. 하드웨어가 할당된 작업을 충족하지 못하면 어떤 소프트웨어도 회사를 파멸에서 구할 수 없습니다.

이러한 작업을 위해 모든 하드웨어 제조업체는 소위 엔터프라이즈 장치를 제공합니다. Kingston은 SATA 모델 형태의 강력한 솔리드 스테이트 솔루션을 보유하고 있습니다. 킹스턴 450R(DC450R) и DC500 시리즈, NVMe 모델 DC1000M U.2 NVMe, DCU1000 U.2 NVMe 및 DCP-1000 PCI-e는 데이터 센터 및 슈퍼컴퓨터에서 사용하도록 고안되었습니다. 이러한 드라이브 배열은 일반적으로 하드웨어 컨트롤러와 함께 사용됩니다.

소비자 시장(즉, 가정용 PC 및 NAS 서버)의 경우 다음과 같은 드라이브가 필요합니다. 킹스턴 KC2000 NVMe PCIe이지만 이 경우 하드웨어 컨트롤러를 구입할 필요가 없습니다. 물론 비정형 작업(예: 친구를 위한 소규모 홈 호스팅 시작)을 위해 홈 서버를 직접 조립할 계획이 아니라면 마더보드에 내장된 PC 또는 NAS 서버로 제한할 수 있습니다. 또한 일반적으로 홈 RAID 어레이에는 수백 또는 수천 개의 드라이브가 필요하지 않으며 XNUMX개, XNUMX개, XNUMX개 장치(일반적으로 SATA)로 제한됩니다.

RAID 컨트롤러의 유형 및 유형

RAID 어레이 구현 원리에 따라 세 가지 유형의 RAID 컨트롤러가 있습니다.

1. 배열 관리가 CPU와 DRAM에 속하는 소프트웨어(즉, 프로그램 코드가 프로세서에서 실행됨)

2. 통합, 즉 PC 또는 NAS 서버의 마더보드에 내장됩니다.

3. 마더보드의 PCI/PCIe 커넥터용 개별 확장 카드인 하드웨어(모듈형).

서로의 근본적인 차이점은 무엇입니까? 소프트웨어 RAID 컨트롤러는 성능 및 내결함성 측면에서 통합 및 하드웨어 컨트롤러보다 열등하지만 작동하는 데 특수 장비가 필요하지 않습니다. 그러나 호스트에서 실행되는 애플리케이션의 성능에 부정적인 영향을 주지 않고 RAID 소프트웨어를 실행할 수 있을 만큼 호스트 시스템의 프로세서가 충분히 강력한지 확인하는 것이 중요합니다. 통합 컨트롤러는 일반적으로 자체 캐시 메모리를 갖추고 있으며 일정량의 CPU 리소스를 사용합니다.

그러나 하드웨어에는 자체 캐시 메모리와 소프트웨어 알고리즘 실행을 위한 내장 프로세서가 모두 있습니다. 일반적으로 모든 유형의 RAID 레벨을 구현하고 여러 유형의 드라이브를 동시에 지원할 수 있습니다. 예를 들어, Broadcom의 최신 하드웨어 컨트롤러는 SATA, SAS 및 NVMe 장치를 동시에 연결할 수 있으므로 서버를 업그레이드할 때 컨트롤러를 변경할 수 없습니다. 특히 SATA SSD에서 NVMe SSD로 이동할 때 컨트롤러를 변경할 필요가 없습니다.

사실, 이 노트에서 우리는 컨트롤러 자체의 유형에 이르렀습니다. 세 가지 모드가 있다면 다른 모드도 있어야 합니까? 이 경우 이 질문에 대한 대답은 '예'입니다. 기능과 기능에 따라 RAID 컨트롤러는 여러 유형으로 나눌 수 있습니다.

1. RAID 기능을 갖춘 일반 컨트롤러
전체 계층 구조에서 이는 HDD와 SSD를 "0", "1" 또는 "0+1" 레벨의 RAID 어레이로 결합할 수 있는 가장 간단한 컨트롤러입니다. 이는 펌웨어 수준에서 프로그래밍 방식으로 구현됩니다. 그러나 이러한 장치는 캐시가 없고 레벨 "5", "3" 등의 배열을 지원하지 않기 때문에 기업 부문에서 사용하는 것이 거의 권장되지 않습니다. 그러나 보급형 홈 서버의 경우 매우 적합합니다.

2. 다른 RAID 컨트롤러와 함께 작동하는 컨트롤러
이 유형의 컨트롤러는 통합 마더보드 컨트롤러와 쌍을 이룰 수 있습니다. 이는 다음 원칙에 따라 구현됩니다. 개별 RAID 컨트롤러는 "논리적" 문제를 해결하고 내장 컨트롤러는 드라이브 간 데이터 교환 기능을 담당합니다. 하지만 여기에는 미묘한 차이가 있습니다. 이러한 컨트롤러의 병렬 작동은 호환 가능한 마더보드에서만 가능하며, 이는 해당 컨트롤러의 적용 범위가 심각하게 제한되어 있음을 의미합니다.

3. 독립형 RAID 컨트롤러
이러한 개별 솔루션에는 빠른 오류 수정 및 체크섬 계산을 위한 자체 BIOS, 캐시 메모리 및 프로세서가 있는 엔터프라이즈급 서버와 함께 작동하는 데 필요한 모든 칩이 내장되어 있습니다. 또한 제조 측면에서 높은 신뢰성 기준을 충족하고 고품질 메모리 모듈을 갖추고 있습니다.

4. 외부 RAID 컨트롤러
위에 나열된 모든 컨트롤러가 내부에 있으며 마더보드의 PCIe 커넥터를 통해 전원을 공급받는다고 추측하는 것은 어렵지 않습니다. 이것은 무엇을 의미 하는가? 그리고 마더보드의 오류로 인해 RAID 어레이 작동 오류 및 데이터 손실이 발생할 수 있습니다. 외부 컨트롤러는 독립된 전원 공급 장치를 갖춘 별도의 케이스에 내장되어 있으므로 이러한 오해에서 해방됩니다. 신뢰성 측면에서 이러한 컨트롤러는 최고 수준의 데이터 저장 기능을 제공합니다.

브로드 컴, Microsemi Adaptec, Intel, IBM, Dell 및 Cisco는 현재 하드웨어 RAID 컨트롤러를 제공하는 회사 중 일부에 불과합니다.

RAID 컨트롤러 SAS/SATA/NVMe의 작동 모드

트라이 모드 HBA 및 RAID 컨트롤러(또는 트라이 모드 기능이 있는 컨트롤러)의 주요 목적은 NVMe 기반 하드웨어 RAID를 생성하는 것입니다. Broadcom의 9400 시리즈 컨트롤러는 다음과 같은 작업을 수행할 수 있습니다. 메가레이드 9460-16i. 독립형 RAID 컨트롤러에 속하며 8643개의 SFF-17 커넥터가 장착되어 있으며 Tri-Mode 지원 덕분에 SATA/SAS 및 NVMe 드라이브를 동시에 연결할 수 있습니다. 또한 이는 시장에서 가장 에너지 효율적인 컨트롤러 중 하나이기도 합니다(1,1개 포트 각각에 대해 16와트 미만의 에너지로 단 XNUMX와트의 에너지만 소비).

연결 인터페이스는 PCI Express x8 버전 3.1이며, 이는 64Gbit/s의 처리량을 허용합니다(PCI Express 2020용 컨트롤러는 4.0년에 나타날 것으로 예상됩니다). 16포트 컨트롤러는 2코어 칩을 기반으로 합니다. SAS3516 및 72비트 DDR4-2133 SDRAM(4GB)은 물론 최대 240개의 SATA/SAS 드라이브 또는 최대 24개의 NVMe 장치를 연결할 수 있습니다. RAID 어레이 구성 측면에서 레벨 "0", "1", "5" 및 "6"은 물론 "10", "50" 및 "60"도 지원됩니다. 그런데 캐시 메모리는 메가레이드 9460-16i 9400 시리즈의 다른 컨트롤러는 옵션인 CacheVault CVPM05 모듈을 통해 전압 오류로부터 보호됩니다.

XNUMX모드 기술은 SAS/SATA 인터페이스의 데이터 직렬 표현을 PCIe NVMe의 병렬 형식으로 변환하거나 그 반대로 변환하는 SerDes 데이터 변환 기능을 기반으로 합니다. 즉, 컨트롤러는 세 가지 유형의 저장 장치와 원활하게 작동하도록 속도와 프로토콜을 협상합니다. 이는 데이터 센터 인프라를 확장하는 원활한 방법을 제공합니다. 사용자는 다른 시스템 구성을 크게 변경하지 않고도 NVMe를 사용할 수 있습니다.

그러나 NVMe 드라이브 구성을 계획할 때 NVMe 솔루션은 4개의 PCIe 레인을 사용하여 연결한다는 점을 고려해 볼 가치가 있습니다. 즉, 각 드라이브는 SFF-8643 포트의 모든 라인을 사용한다는 의미입니다. MegaRAID 9460-16i 컨트롤러에는 XNUMX개의 NVMe 드라이브만 직접 연결할 수 있는 것으로 나타났습니다. 또는 XNUMX개의 SAS 드라이브를 동시에 연결하면서 XNUMX개의 NVMe 솔루션으로 제한하십시오(아래 연결 다이어그램 참조).

그림은 NVMe 연결을 위한 커넥터 "0"(C0/커넥터 0) 및 커넥터 "1"의 사용과 SAS 연결을 위한 커넥터 "2" 및 "3"의 사용을 보여줍니다. 이 배열은 반대로 할 수 있지만 각 x4 NVMe 드라이브는 인접한 레인을 사용하여 연결되어야 합니다. 컨트롤러 작동 모드는 UEFI 환경에서 작동하는 StorCLI 또는 HII(Human Interface Infrastructure) 구성 유틸리티를 통해 설정됩니다.

기본 모드는 "PD64" 프로필입니다(SAS/SATA만 지원). 위에서 말했듯이 "SAS/SATA 전용 모드" 모드(PD240 / PD64 / PD 16), "NVMe 전용 모드"(PCIe4) 모드, 모든 유형의 드라이브가 사용되는 혼합 모드 등 총 세 가지 프로필이 있습니다. 작동 가능: “PD64 -PCIe4"(64개의 NVMe 드라이브가 있는 4개의 물리 및 가상 디스크 지원) 혼합 모드에서는 지정된 프로필의 값이 “ProfileID=13”이어야 합니다. 그런데 선택한 프로파일은 마스터 프로파일로 저장되며 Set Factory Defaults 명령을 통해 공장 설정으로 돌아가도 재설정되지 않습니다. 수동으로만 변경할 수 있습니다.

SSD에 RAID 어레이를 만드는 것이 가치가 있습니까?

따라서 우리는 RAID 어레이가 고성능의 핵심이라는 것을 이미 이해했습니다. 하지만 가정과 회사에서 SSD로 RAID를 구축하는 것이 가치가 있을까요? 많은 회의론자들은 속도 증가가 NVMe 드라이브에 돈을 쏟을 만큼 중요하지 않다고 말합니다. 하지만 이것이 정말 그렇습니까? 거의 ~ 아니다. RAID(가정 및 기업 수준 모두)에서 SSD를 사용할 때 가장 큰 제한 사항은 가격일 수 있습니다. 뭐라고 말하든 HDD의 XNUMXGB 공간 비용은 훨씬 저렴합니다.

SSD 어레이를 생성하기 위해 여러 솔리드 스테이트 "드라이브"를 RAID 컨트롤러에 연결하면 특정 구성의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 그러나 최대 성능은 RAID 컨트롤러 자체의 처리량에 의해 제한된다는 점을 잊지 마십시오. 최고의 성능을 제공하는 RAID 레벨은 RAID 0입니다.

데이터를 고정 블록으로 분할하고 이를 솔리드 스테이트 스토리지에 스트라이핑하는 방법을 사용하는 두 개의 SSD가 있는 기존 RAID 0은 단일 SSD에 비해 성능이 두 배 향상됩니다. 그러나 0개의 SSD가 포함된 RAID XNUMX 어레이는 이미 어레이에서 가장 느린 SSD보다 XNUMX배 더 빠릅니다(RAID SSD 컨트롤러 수준의 대역폭 제한에 따라 다름).

간단한 산술을 기반으로 SATA SSD는 기존 SATA HDD보다 약 3배 빠릅니다. NVMe 솔루션은 10배 이상 더 효율적입니다. 제로 레벨 RAID의 하드 드라이브 50개가 6배의 성능을 보여 20% 증가하면 2000개의 SATA SSD는 3200배, 0개의 NVMe SSD는 6배 빨라집니다. 특히, 단일 Kingston KC4 NVMe PCIe 드라이브는 최대 350MB/s의 순차 읽기 및 쓰기 속도를 달성할 수 있으며, RAID 000 형식에서는 인상적인 700GB/s에 도달합니다. 크기가 000KB인 임의 블록의 읽기/쓰기 속도는 XNUMX IOPS에서 XNUMX IOPS로 변경됩니다. 하지만... 동시에 "제로" RAID는 중복성을 제공하지 않습니다.

가정 환경에서는 일반적으로 스토리지 중복성이 필요하지 않으므로 SSD에 가장 적합한 RAID 구성은 실제로 RAID 0이 됩니다. 이는 Intel Optane 기반과 같은 기술을 사용하는 대신 상당한 성능 향상을 얻을 수 있는 안정적인 방법입니다. SSD. 하지만 다음 기사에서는 가장 널리 사용되는 RAID 유형("1", "5", "10", "50")에서 SSD 솔루션이 어떻게 작동하는지에 대해 설명하겠습니다.

이 기사는 엔터프라이즈급 SATA/SAS/NVMe 드라이브로 테스트하기 위해 Kingston 엔지니어에게 컨트롤러를 제공하는 Broadcom 동료의 지원으로 작성되었습니다. 이 친근한 공생 덕분에 고객은 생산 단계에서 HBA 및 RAID 컨트롤러가 있는 Kingston 드라이브의 신뢰성과 안정성을 의심할 필요가 없습니다. 브로드 컴.

Kingston 제품에 대한 자세한 내용을 보려면 다음을 방문하십시오. 공식 웹 사이트 회사입니다.

출처 : habr.com