Algoritmii RAID au fost prezentați publicului în anul 1987. Până în prezent, ei rămân cea mai solicitată tehnologie de protecție și accelerare a accesului la date în domeniul stocării informațiilor. Însă, vârsta tehnologiei IT, care a trecut de pragul de 30 de ani, nu reprezintă o maturitate, ci mai degrabă o bătrânețe. Cauza este progresul, care aduce în mod irezistibil noi oportunități. În vremurile când nu existau practic alte tipuri de stocare decât HDD-urile, algoritmii RAID permiteau o utilizare optimă a resurselor disponibile de stocare. Totuși, odată cu apariția SSD-urilor, situația s-a schimbat radical. Acum, RAID-ul care lucrează cu unități de stocare solid-state devine deja o „sărbătoare” pentru performanța acestora. Prin urmare, pentru a dezvălui întregul potențial al caracteristicilor de viteză ale SSD-urilor, este necesar un alt mod de lucru cu acestea.
Pe lângă diferențele evidente între HDD și SSD în principiile de funcționare, aceste tipuri de suporturi au o altă caracteristică importantă: orice hard disk poate rescrie orice date cu granularitate de un bloc (acum, cel mai frecvent 4KB). Pentru SSD, procesul de rescriere reprezintă o procedură mult mai complexă:
- Datele modificate sunt copiate într-o nouă locație. În acest caz, granularitatea este același bloc, dar format din mai multe pagini și având o dimensiune de 256KB – 4MB. Adică, atunci când se modifică aceleași 4KB, este necesar să se copieze și toate paginile vecine, care formează un bloc unitar.
- Blocurile „vechi” sunt marcate ca neutilizate, pentru a fi ulterior șterse de colectorul de „gunoi” (Garbage Collector).
Scrierea/re-scrierea secvențială pe SSD
În cazul scrierii/re-scrierii secvențiale, această caracteristică a funcționării SSD-ului nu joacă un rol semnificativ din punctul de vedere al performanței, deoarece blocurile sunt localizate aproape unul de celălalt și colectorul de „gunoi” își face treaba în fundal. Însă, în viața reală, mai ales în segmentul Enterprise, SSD-urile sunt utilizate cel mai adesea pentru acces aleator la date. Și aceste date sunt scrise în locuri aleatorii pe suporturi.
Cu cât mai multe date sunt scrise pe SSD, cu atât mai greu devine pentru colectorul de „gunoi” să funcționeze, deoarece fragmentarea crește semnificativ. Astfel, ajunge un moment când procesul de curățare a dispozitivului încetează să mai fie „de fundal”: performanța SSD-ului scade considerabil, deoarece o parte semnificativă din aceasta este consumată de Garbage Collector.
Locația reală a datelor pe SSD în utilizarea de zi cu zi
Pentru a ilustra efectul muncii colectorului de „gunoi” în funcție de modul de scriere pe dispozitiv, pot fi efectuate teste simple: scriere secvențială și aleatoare în blocuri de 4KB pe un SSD de 100GB. (Sursa – compania )
Performanța la scriere secvențială
Performanța la scriere aleatorie
Așa cum se poate observa din teste, scăderea performanței poate depăși de două ori. Și aceasta este doar un singur dispozitiv de stocare. În caz de utilizare a SSD-urilor ca parte a unui grup RAID, numărul operațiunilor de rescriere crește semnificativ, datorită lucrului cu paritate.
În general, datorită acestor caracteristici de funcționare a SSD-urilor, există un parametru numit coeficientul de scriere (write amplification). Acesta este raportul dintre volumul de date scrise pe dispozitiv și volumul de date trimis efectiv de gazdă. Iar pentru cel mai popular RAID5, acest coeficient este de aproximativ ~3.5.
În concluzie, sistemele cu RAID clasic utilizează în esență SSD-uri doar în proporție de ~10% din viteza lor reală și se scalază slab din punct de vedere al performanței atunci când numărul de dispozitive crește peste zece.
De asemenea, merită menționat că operațiile excesive de scriere nu doar că scad performanța SSD-urilor, ci și reduc resursa lor, care nu este infinită, scurtând astfel durata de viață a dispozitivului.
, care stă la baza tuturor produselor AccelStor, a fost dezvoltată ca o alternativă la algoritmii RAID clasici pentru utilizarea cu SSD-uri. Inovația tehnologiei a fost recunoscută prin diverse patente și premii (inclusiv la Flash Memory Summit 2016), precum și prin rezultatele testelor independente (de exemplu, SPC1).
Esenta constă în transformarea tuturor cererilor de scriere primite, în principal cele de tip random, într-un set de blocuri care seamănă cât mai mult cu modul de scriere secvențial din punct de vedere al unității de stocare. Ca rezultat, scrierea pe SSD-uri se realizează în cel mai confortabil mod pentru acestea, iar performanța finală depășește orice sistem cu RAID clasic.
Toate SSD-urile din sistemele AccelStor sunt împărțite în două grupuri simetrice FlexiRemap®. Dimensiunea grupului depinde de model și variază între 5-11 unități de stocare. Pentru redundanță, în interiorul grupului se aplică paritate similară cu RAID5. Ambele grupuri sunt utilizate împreună, formând un spațiu de stocare comun. Prin urmare, redundanța finală va fi similară cu un array RAID50 format din două grupuri: sistemul poate rezista la defectarea a până la două SSD-uri, dar nu mai mult de unul în fiecare grup FlexiRemap®.
Toate cererile de scriere primite sunt împărțite în blocuri de 4KB, care sunt scrise în mod round robin pe ambele grupuri FlexiRemap®. În acest timp, sistemul monitorizează constant cererea blocurilor de scriere, încercând, în cazul modificărilor, să scrie blocuri similare cât mai aproape unele de altele. Rezultatul este un analog virtual al tiering-ului, dacă ne exprimăm în termenii stocării de date. În acest caz, munca colectorului de „gunoi” este semnificativ ușurată: deoarece blocurile neutilizate vor rămâne constant în vecinătate.
Merită menționat că spre deosebire de produsele concurenței, nu utilizează funcționalitatea de cache a cererilor de intrare în memoria RAM a controlerului. Toate blocurile de date primite sunt scrise imediat pe SSD. Gazda primește confirmarea scrierii cu succes doar după plasarea fizică a datelor pe unitățile de stocare. În RAM sunt stocate doar tabelele de plasare a blocurilor pe SSD pentru a accelera accesul și a determina unde să fie scris următorul bloc de date. Desigur, pentru fiabilitate, copii ale acestor tabele sunt de asemenea stocate pe unitățile de stocare. Ca rezultat, sistemele AccelStor nu necesită nicio protecție a cache-ului sub formă de baterie/condenzator (totuși, este posibil să se stabilească o conexiune cu un UPS - pentru o închidere „moale” în caz de probleme cu alimentarea).
Datorită acestui tip de abordare în organizarea scrierii, colectorul de „deșeuri” este capabil să funcționeze în fundal, fără a afecta semnificativ viteza unităților de stocare, ceea ce permite, în final, să se utilizeze până la 90% din performanța SSD-ului în cadrul sistemului. Acest lucru este ceea ce stă la baza rezultatelor ridicate IOPS în sistemele AccelStor, raportate la All Flash, care folosesc algoritmi RAID.
O altă caracteristică importantă a tehnologiei FlexiRemap® este reducerea semnificativă a operațiunilor de scriere redundante pe SSD. Astfel, coeficientul de scriere (write amplification) pentru sistemele AccelStor este de doar 1.3, ceea ce, tradus în limbajul comun, înseamnă o creștere a duratei de viață a unităților de stocare de peste 2.5 ori comparativ cu RAID5!
Datorită monitorizării constante din partea sistemului a politicii de plasare a datelor pe SSD, toate unitățile se uzează uniform. Această abordare permite prognozarea duratei lor de viață și transmiterea în avans a unui semnal către administrator cu privire la epuizarea resurselor de scriere.
Este evident că SSD-urile pot eșua. În acest caz, sistemul va începe imediat rebuild-ul pe unul dintre discurile hot spare. Astfel, grupul FlexiRemap®, aflat în stare degradată, trece în modul „doar citire”, iar toate cererile de scriere sunt direcționate către al doilea grup. Acest mecanism de protecție este prevăzut pentru a accelera operațiunea de rebuild și a reduce probabilitatea eșecului unui alt dispozitiv din cadrul aceleași grup. Căci nu este un secret că, în timpul rebuild-ului, toate unitățile din grup suportă o sarcină crescută din cauza interferențelor dintre operațiunile de citire, scriere și recuperare pe hot spare. Astfel, probabilitatea de a se defecta încă un disc crește. Și cu cât sunt mai multe operațiuni de scriere, cu atât rebuild-ul va dura mai mult.
După finalizarea procesului de recuperare și întoarcerea grupului FlexiRemap® în stare normală, va exista o mică dezechilibrare în resursa de scriere între cele două grupuri. Prin urmare, pentru a o ajusta, operațiunile ulterioare de scriere vor trebui să aibă loc mai frecvent în grupul restaurat (desigur, cu această condiție, încât performanța finală a sistemului să nu fie afectată semnificativ).
Creșterea performanței sistemelor All Flash, bazate pe algoritmi RAID, peste anumite valori (~280K IOPS@4K scriere aleatorie) nu este posibilă nici măcar cu utilizarea unor sisteme complexe de caching. Tehnologia FlexiRemap®, datorită unei abordări absolut diferite în organizarea spațiului de stocare, nu numai că depășește cu ușurință această barieră, dar și crește de câteva ori durata de viață a SSD-urilor. Așadar, sistemele au avantaje serioase în rândul array-urilor All Flash pe multe fronturi (IOPS/$, GB/$, TCO, ROI), făcându-le candidați ideali pentru poziții-cheie în centrele de date ale clienților pentru soluționarea sarcinilor cu cerințe intensive de resurse.
Sursa: habr.com
