Дали е неопходно да се создаде RAID низа од SSD и кои контролери се потребни за ова?

Здраво Хабр! Во оваа статија ќе ви кажеме дали вреди да се организираат RAID низи засновани на решенија со цврста состојба SATA SSD и NVMe SSD, и дали ќе има сериозен профит од ова? Решивме да го разгледаме ова прашање со разгледување на типовите и типовите на контролери кои овозможуваат тоа да се направи, како и опсегот на примена на таквите конфигурации.

На еден или друг начин, секој од нас барем еднаш во животот слушнал дефиниции како „RAID“, „RAID-array“, „RAID-controller“, но малку е веројатно дека му придававме сериозно значење на ова, бидејќи сето ова е малку веројатно за обичен компјутер болјар Интересно. Но, секој сака големи брзини од внатрешните погони и работа без проблеми. На крајот на краиштата, без разлика колку е моќен хардверот на компјутерот, брзината на погонот станува тесно грло кога станува збор за комбинираните перформанси на компјутерот и серверот.

Ова беше точно сè додека традиционалните HDD не беа заменети со модерни NVMe SSD со споредливи капацитети од 1 TB или повеќе. И ако порано во компјутерите често имаше комбинации на SATA SSD + неколку обемни HDD-а, денес тие почнуваат да се заменуваат со друго решение - NVMe SSD + неколку обемни SATA SSD-а. Ако зборуваме за корпоративни сервери и „облаци“, многумина веќе успешно се префрлија на SATA SSD-дискови, едноставно затоа што се побрзи од конвенционалните „лимени конзерви“ и се способни да обработуваат поголем број I/O операции истовремено.

Сепак, толеранцијата на грешки на системот е сè уште на прилично ниско ниво: не можеме, како во „Битката на психиката“, да предвидиме со точност дури и до една недела кога одреден погон во цврста состојба ќе умре. И ако HDD-овите „умираат“ постепено, овозможувајќи ви да ги забележите симптомите и да преземете акција, тогаш SSD-овите „умираат“ веднаш и без предупредување. И сега е време да сфатиме зошто воопшто е потребно сето ова? Дали вреди да се организираат RAID низи засновани на решенија со цврста состојба SATA SSD и NVMe SSD, и дали ќе има сериозен профит од ова?

Зошто ви е потребна RAID низа?

Самиот збор „низа“ веќе имплицира дека за негово создавање се користат неколку дискови (HDD и SSD), кои се комбинираат со помош на RAID контролер и препознаени од ОС како едно складирање податоци. Глобалната задача што може да ја решат RAID низите е минимизирање на времето за пристап до податоци, зголемување на брзината на читање/запишување и доверливост, што се постигнува благодарение на можноста за брзо враќање во случај на дефект. Патем, воопшто не е неопходно да се користи RAID за домашни бекап. Но, ако имате свој домашен сервер, до кој ви треба постојан пристап 24/7, тоа е друга работа.

Постојат повеќе од десетина нивоа на RAID низи, од кои секоја се разликува по бројот на дискови што се користат во неа и има свои добрите и лошите страни: на пример, RAID 0 ви овозможува да добиете високи перформанси без толеранција на грешки, RAID 1 ви овозможува да автоматски ги пресликува податоците без зголемување на брзината, а комбинацијата RAID 10 ги содржи можностите од горенаведеното. RAID 0 и 1 се наједноставни (бидејќи не бараат софтверски пресметки) и, како резултат на тоа, најпопуларни. На крајот на краиштата, изборот во корист на едно или друго ниво на RAID зависи од задачите доделени на низата на дискот и можностите на контролорот RAID.

Домашен и корпоративен RAID: која е разликата?

Основата на секој модерен бизнис е голем обем на податоци кои мора безбедно да се складираат на серверите на компанијата. И, исто така, како што забележавме погоре, тие мора да имаат постојан пристап 24/7. Јасно е дека, заедно со хардверот, важен е и софтверскиот дел, но во овој случај сепак зборуваме за опрема која обезбедува сигурно складирање и обработка на информациите. Ниту еден софтвер нема да ја спаси компанијата од пропаст ако хардверот не ги исполнува задачите што и се доделени.

За овие задачи, секој производител на хардвер нуди т.н. Кингстон има моќни решенија со цврста состојба во форма на SATA модели Kingston 450R (DC450R) и Серија DC500, како и моделите NVMe DC1000M U.2 NVMe, DCU1000 U.2 NVMe и DCP-1000 PCI-e, наменети за употреба во центри за податоци и суперкомпјутери. Низи од такви дискови обично се користат заедно со хардверски контролери.

За потрошувачки пазар (односно, за домашни компјутери и сервери NAS), дискови како што се Кингстон KC2000 NVMe PCIe, но во овој случај не е неопходно да се купи хардверски контролер. Можете да се ограничите на компјутер или NAS сервер вграден во матичната плоча, освен ако, се разбира, не планирате самостојно да соберете домашен сервер за атипични задачи (на пример, да започнете мал дом за пријателите во домот). Покрај тоа, домашните RAID низи, по правило, не бараат стотици или илјадници дискови, ограничени на два, четири и осум уреди (обично SATA).

Видови и типови на RAID контролери

Постојат три типа на RAID контролери засновани на принципите на имплементација на RAID низи:

1. Софтвер, во кој управувањето со низи паѓа на процесорот и DRAM-от (односно, програмскиот код се извршува на процесорот).

2. Интегриран, односно вграден во матичните плочи на компјутер или NAS сервер.

3. Хардвер (модуларен), кои се дискретни картички за проширување за PCI/PCIe конектори на матичните плочи.

Која е нивната фундаментална разлика едни од други? Софтверските RAID контролери се инфериорни во однос на интегрираните и хардверските во однос на перформансите и толеранцијата на грешки, но не бараат посебна опрема за работа. Сепак, важно е да се осигурате дека процесорот на системот домаќин е доволно моќен за да го стартува софтверот RAID без негативно да влијае на перформансите на апликациите што исто така работат на домаќинот. Интегрираните контролери обично се опремени со сопствена кеш меморија и користат одредена количина на ресурси на процесорот.

Но, хардверските имаат и сопствена кеш меморија и вграден процесор за извршување на софтверски алгоритми. Вообичаено, тие ви дозволуваат да ги имплементирате сите видови RAID нивоа и да поддржувате неколку типови дискови одеднаш. На пример, современите хардверски контролери од Broadcom можат истовремено да ги поврзат уредите SATA, SAS и NVMe, што ви овозможува да не го менувате контролерот при надградба на серверите: особено, кога се движите од SATA SSD на NVMe SSD, контролорите не мора да се менуваат.

Всушност, на оваа забелешка доаѓаме до типологијата на самите контролори. Ако има тромодни, дали треба да има и други? Во овој случај, одговорот на ова прашање ќе биде потврден. Во зависност од функциите и можностите, RAID контролерите може да се поделат на неколку типови:

1. Обични контролери со RAID функција
Во целата хиерархија, ова е наједноставниот контролер што ви овозможува да комбинирате HDD и SSD во RAID низи од нивоа „0“, „1“ или „0+1“. Ова се спроведува програмски на ниво на фирмвер. Сепак, таквите уреди тешко може да се препорачаат за употреба во корпоративниот сегмент, бидејќи немаат кеш и не поддржуваат низи од нивоа „5“, „3“ итн. Но, за домашен сервер на влезно ниво тие се сосема соодветни.

2. Контролери кои работат во тандем со други RAID контролери
Овој тип на контролер може да се спари со интегрирани контролери на матичната плоча. Ова се спроведува според следниот принцип: дискретен RAID контролер се грижи за решавање на „логички“ проблеми, а вградениот ги презема функциите на размена на податоци помеѓу дисковите. Но, постои една нијанса: паралелното работење на таквите контролери е можно само на компатибилни матични плочи, што значи дека нивниот опсег на примена е сериозно ограничен.

3. Самостојни RAID контролери
Овие дискретни решенија ги содржат сите потребни чипови за работа со сервери од класата на претпријатието, кои имаат сопствен BIOS, кеш меморија и процесор за брза корекција на грешки и пресметки за проверка. Покрај тоа, тие ги исполнуваат високите стандарди на доверливост во однос на производството и имаат висококвалитетни мемориски модули.

4. Надворешни RAID контролери
Не е тешко да се погоди дека сите контролери наведени погоре се внатрешни и добиваат енергија преку PCIe конекторот на матичната плоча. Што значи тоа? И тој неуспех на матичната плоча може да доведе до грешки во работењето на RAID низата и губење на податоци. Надворешните контролери се ослободени од ова недоразбирање, бидејќи тие се сместени во посебен случај со независно напојување. Во однос на доверливоста, таквите контролери обезбедуваат највисоко ниво на складирање на податоци.

Broadcom, Microsemi Adaptec, Intel, IBM, Dell и Cisco се само неколку од компаниите кои моментално нудат хардверски RAID контролери.

Работни режими на RAID контролери SAS/SATA/NVMe

Главната цел на три-режим HBA и RAID контролери (или контролери со Tri-Mode функционалност) е да се создаде хардверски RAID базиран на NVMe. Контролерите од серијата 9400 на Broadcom можат да го направат ова: на пример, MegaRAID 9460-16i. Припаѓа на независен тип на RAID контролер, опремен е со четири SFF-8643 конектори и, благодарение на поддршката за Tri-Mode, ви овозможува истовремено поврзување на SATA/SAS и NVMe дискови. Покрај тоа, тој е исто така еден од енергетски најефикасните контролери на пазарот (троши само 17 вати енергија, со помалку од 1,1 вати за секоја од 16-те порти).

Интерфејсот за поврзување е PCI Express x8 верзија 3.1, што овозможува проток од 64 Gbit/s (контролерите за PCI Express 2020 се очекува да се појават во 4.0 година). Контролерот со 16 порти се базира на чип со 2 јадра SAS3516 и 72-битен DDR4-2133 SDRAM (4 GB), како и можност за поврзување до 240 SATA/SAS дискови или до 24 NVMe уреди. Во однос на организирање на RAID низи, поддржани се нивоата „0“, „1“, „5“ и „6“, како и „10“, „50“ и „60“. Патем, кеш меморија MegaRAID 9460-16i и другите контролери од серијата 9400 се заштитени од дефекти на напонот со опционалниот модул CacheVault CVPM05.

Технологијата со три режими се заснова на функцијата за конверзија на податоци SerDes: конвертирање на сериската репрезентација на податоците во SAS/SATA интерфејсите во паралелна форма во PCIe NVMe и обратно. Односно, контролорот преговара за брзини и протоколи за да работи беспрекорно со кој било од трите типа уреди за складирање. Ова обезбедува беспрекорен начин за размерување на инфраструктурите на центрите за податоци: корисниците можат да користат NVMe без да прават значителни промени во другите системски конфигурации.

Меѓутоа, кога планирате конфигурации со NVMe-дискови, вреди да се земе предвид дека NVMe решенијата користат 4 PCIe ленти за поврзување, што значи дека секој диск ги користи сите линии на SFF-8643 порти. Излегува дека само четири NVMe-дискови можат да се поврзат директно со контролерот MegaRAID 9460-16i. Или ограничете се на две NVMe решенија додека истовремено поврзувате осум SAS дискови (видете го дијаграмот за поврзување подолу).

Сликата ја прикажува употребата на конекторот „0“ (C0 / Конектор 0) и конекторот „1“ за NVMe конекции, како и конекторите „2“ и „3“ за SAS конекции. Овој распоред може да се смени, но секој x4 NVMe погон мора да се поврзе преку соседните ленти. Режимите на работа на контролорот се поставени преку StorCLI или Human Interface Infrastructure (HII) конфигурациските алатки, кои работат во околината UEFI.

Стандардниот режим е профилот „PD64“ (подржува само SAS/SATA). Како што рековме погоре, има вкупно три профили: режим „само SAS/SATA“ (PD240 / PD64 / PD 16), режим „само NVMe“ (PCIe4) и мешан режим во кој сите типови на погони може да работи: „PD64 -PCIe4“ (поддршка за 64 физички и виртуелни дискови со 4 NVMe дискови). Во мешан режим, вредноста на наведениот профил треба да биде „ProfileID=13“. Патем, избраниот профил се зачувува како главен и не се ресетира дури и кога се враќа на фабричките поставки преку командата Set Factory Defaults. Може да се смени само рачно.

Дали вреди да се создаде RAID низа на SSD?

Значи, веќе разбравме дека RAID низите се клучот за високи перформанси. Но, дали вреди да се изгради RAID од SSD-дискови за домашна и корпоративна употреба? Многу скептици велат дека зголемувањето на брзината не е толку значајно за да се искачи на NVMe дисковите. Но, дали е ова навистина така? Тешко. Најголемото ограничување за користење SSD во RAID (и дома и на ниво на претпријатие) може да биде само цената. Што и да се каже, цената на еден гигабајт простор на HDD е многу поевтина.

Поврзувањето на повеќе цврсти „дискови“ со RAID контролер за да се создаде SSD низа може да има огромно влијание врз перформансите во одредени конфигурации. Сепак, не заборавајте дека максималните перформанси се ограничени од пропусната моќ на самиот RAID контролер. Нивото RAID кое нуди најдобри перформанси е RAID 0.

Конвенционален RAID 0 со два SSD-а, кој користи метод на разделување на податоците на фиксни блокови и нивно разгранување низ складирањето во цврста состојба, ќе резултира со двојно поголеми перформанси во споредба со еден SSD. Сепак, низата RAID 0 со четири SSD-а веќе ќе биде четири пати побрза од најбавниот SSD во низата (во зависност од ограничувањето на пропусниот опсег на ниво на RAID SSD контролер).

Врз основа на едноставна аритметика, SATA SSD е околу 3 пати побрз од традиционалниот SATA HDD. NVMe решенијата се уште поефикасни - 10 пати или повеќе. Под услов два хард дискови во RAID на нула ниво да покажат двојно поголема изведба, зголемувајќи ги за 50%, два SATA SSD-а ќе бидат 6 пати побрзи, а два NVMe SSD-а ќе бидат 20 пати побрзи. Особено, еден Kingston KC2000 NVMe PCIe диск може да постигне секвенцијални брзини на читање и запишување до 3200 MB/s, што во формат RAID 0 ќе достигне импресивни 6 GB/s. И брзината на читање/запишување на случајни блокови со големина од 4 KB ќе се претвори од 350 IOPS на 000 IOPS. Но... во исто време, „нула“ RAID не ни обезбедува вишок.

Може да се каже дека во домашните средини, вообичаено не е потребен вишок на складирање, така што најсоодветната RAID конфигурација за SSD-дискови навистина станува RAID 0. Ова е сигурен начин да се добијат значителни подобрувања во перформансите како алтернатива за користење на технологии како што се базирани на Intel Optane SSD дискови. Но, ќе зборуваме за тоа како SSD решенијата се однесуваат во најпопуларните типови RAID („1“, „5“, „10“, „50“) во нашата следна статија.

Оваа статија е подготвена со поддршка од нашите колеги од Broadcom, кои ги обезбедуваат своите контролери на инженерите на Kingston за тестирање со SATA/SAS/NVMe-дискови од класата на претпријатието. Благодарение на оваа пријателска симбиоза, клиентите не мора да се сомневаат во сигурноста и стабилноста на погоните на Kingston со HBA и RAID контролери од производството. Broadcom.

За повеќе информации за производите на Kingston, посетете ја на официјалната веб-страница компанија.

Извор: www.habr.com