Salut Habr! În acest articol vă vom spune dacă merită să organizați matrice RAID bazate pe soluții SATA SSD și NVMe SSD și va fi un profit serios din asta? Am decis să analizăm această problemă luând în considerare tipurile și tipurile de controlere care permit acest lucru, precum și domeniul de aplicare al unor astfel de configurații.
Într-un fel sau altul, fiecare dintre noi cel puțin o dată în viață a auzit definiții precum „RAID”, „RAID-array”, „RAID-controller”, dar este puțin probabil să acordăm o importanță serioasă acestui lucru, deoarece toate acestea sunt puțin probabil pentru un boier de PC obișnuit Interesant. Dar toată lumea vrea viteze mari de la unitățile interne și funcționare fără probleme. La urma urmei, indiferent cât de puternic este hardware-ul computerului, viteza unității devine un blocaj atunci când vine vorba de performanța combinată a computerului și a serverului.
Acesta a fost exact cazul până când HDD-urile tradiționale au fost înlocuite cu SSD-uri NVMe moderne cu capacități comparabile de 1 TB sau mai mult. Și dacă mai devreme în PC-uri existau adesea combinații de SATA SSD + câteva HDD-uri încăpătoare, astăzi încep să fie înlocuite cu o altă soluție - NVMe SSD + câteva SSD-uri SATA încăpătoare. Dacă vorbim despre servere corporative și „nori”, mulți s-au mutat deja cu succes la SSD-urile SATA, pur și simplu pentru că sunt mai rapide decât „cutiile” convenționale și sunt capabile să proceseze un număr mai mare de operațiuni I/O simultan.
Cu toate acestea, toleranța la erori a sistemului este încă la un nivel destul de scăzut: nu putem, ca în „Bătălia Psihicilor”, să prezicem cu o precizie de până la o săptămână când o anumită unitate SSD va muri. Și dacă HDD-urile „mor” treptat, permițându-vă să detectați simptomele și să luați măsuri, atunci SSD-urile „mor” imediat și fără avertisment. Și acum este momentul să ne dăm seama de ce este nevoie de toate acestea? Merită să organizați matrice RAID bazate pe soluții SATA SSD și NVMe SSD și va fi un profit serios din asta?
De ce aveți nevoie de o matrice RAID?
Însuși cuvântul „matrice” implică deja că pentru a-l crea sunt folosite mai multe unități (HDD și SSD), care sunt combinate folosind un controler RAID și recunoscute de sistemul de operare ca un singur stoc de date. Sarcina globală pe care o pot rezolva matricele RAID este reducerea la minimum a timpului de acces la date, creșterea vitezei de citire/scriere și a fiabilității, ceea ce se realizează datorită capacității de recuperare rapidă în cazul unei defecțiuni. Apropo, nu este deloc necesar să folosiți RAID pentru copiile de rezervă de acasă. Dar dacă aveți propriul server de acasă, la care aveți nevoie de acces constant 24/7, aceasta este o altă chestiune.
Există peste o duzină de niveluri de matrice RAID, fiecare dintre ele diferă în ceea ce privește numărul de unități utilizate și are propriile sale avantaje și dezavantaje: de exemplu, RAID 0 vă permite să obțineți performanțe ridicate fără toleranță la erori, RAID 1 vă permite să oglindiți automat datele fără a crește viteza, iar combinatul RAID 10 conține posibilitățile celor de mai sus. RAID 0 și 1 sunt cele mai simple (din moment ce nu necesită calcule software) și, prin urmare, cele mai populare. În cele din urmă, alegerea în favoarea unuia sau altui nivel RAID depinde de sarcinile atribuite matricei de discuri și de capacitățile controlerului RAID.
RAID acasă și corporativ: care este diferența?
La baza oricărei afaceri moderne se află volume mari de date care trebuie stocate în siguranță pe serverele companiei. Și, de asemenea, așa cum am menționat mai sus, acestea trebuie să aibă acces constant 24/7. Este clar că, alături de hardware, este importantă și partea de software, dar în acest caz tot vorbim de echipamente care asigură stocarea și procesarea fiabilă a informațiilor. Niciun software nu va salva o companie de la ruină dacă hardware-ul nu îndeplinește sarcinile care i-au fost atribuite.
Pentru aceste sarcini, orice producător de hardware oferă așa-numitele dispozitive enterprise. Kingston are soluții puternice de stare solidă sub formă de modele SATA и , precum și modelele NVMe DC1000M U.2 NVMe, DCU1000 U.2 NVMe și DCP-1000 PCI-e, destinate utilizării în centre de date și supercomputere. Matricele de astfel de unități sunt de obicei utilizate împreună cu controlere hardware.
Pentru piața de consum (adică pentru PC-uri de acasă și servere NAS), unități precum NVMe PCIe, dar în acest caz nu este necesar să cumpărați un controler hardware. Vă puteți limita la un PC sau un server NAS încorporat în placa de bază, cu excepția cazului în care, desigur, intenționați să asamblați singur un server de acasă pentru sarcini atipice (începerea unei mici găzduiri acasă pentru prieteni, de exemplu). În plus, matricele RAID de acasă, de regulă, nu necesită sute sau mii de unități, fiind limitate la două, patru și opt dispozitive (de obicei SATA).
Tipuri și tipuri de controlere RAID
Există trei tipuri de controlere RAID bazate pe principiile implementării matricelor RAID:
1. Software, în care managementul matricei cade pe CPU și DRAM (adică codul programului este executat pe procesor).
2. Integrat, adică încorporat în plăcile de bază ale unui PC sau server NAS.
3. Hardware (modular), care sunt plăci de expansiune discrete pentru conectorii PCI/PCIe de pe plăcile de bază.
Care este diferența lor fundamentală unul față de celălalt? Controlerele RAID software sunt inferioare celor integrate și hardware în ceea ce privește performanța și toleranța la erori, dar nu necesită echipamente speciale pentru a funcționa. Cu toate acestea, este important să vă asigurați că procesorul sistemului gazdă este suficient de puternic pentru a rula software-ul RAID fără a afecta negativ performanța aplicațiilor care rulează și pe gazdă. Controlerele integrate sunt de obicei echipate cu propria memorie cache și folosesc o anumită cantitate de resurse CPU.
Dar cele hardware au atât propria lor memorie cache, cât și un procesor încorporat pentru executarea algoritmilor software. De obicei, vă permit să implementați toate tipurile de niveluri RAID și să suportați mai multe tipuri de unități simultan. De exemplu, controlerele hardware moderne de la Broadcom pot conecta simultan dispozitive SATA, SAS și NVMe, ceea ce vă permite să nu schimbați controlerul la actualizarea serverelor: în special, atunci când treceți de la SATA SSD la NVMe SSD, controlerele nu trebuie schimbate.
De fapt, pe această notă ajungem la tipologia controlerelor în sine. Dacă există trei moduri, ar trebui să mai existe și altele? În acest caz, răspunsul la această întrebare va fi afirmativ. În funcție de funcții și capacități, controlerele RAID pot fi împărțite în mai multe tipuri:
1. Controlere obișnuite cu funcție RAID
În întreaga ierarhie, acesta este cel mai simplu controler care vă permite să combinați HDD și SSD în matrice RAID de niveluri „0”, „1” sau „0+1”. Acest lucru este implementat programatic la nivel de firmware. Cu toate acestea, astfel de dispozitive pot fi cu greu recomandate pentru utilizare în segmentul corporativ, deoarece nu au cache și nu acceptă matrice de niveluri „5”, „3”, etc. Dar pentru un server de acasă entry-level sunt destul de potrivite.
2. Controlere care lucrează în tandem cu alte controlere RAID
Acest tip de controler poate fi asociat cu controlere integrate pe placa de baza. Acesta este implementat după următorul principiu: un controler RAID discret se ocupă de rezolvarea problemelor „logice”, iar cel încorporat preia funcțiile de schimb de date între unități. Dar există o nuanță: funcționarea în paralel a unor astfel de controlere este posibilă numai pe plăcile de bază compatibile, ceea ce înseamnă că domeniul lor de aplicare este foarte limitat.
3. Controlere RAID independente
Aceste soluții discrete conțin la bord toate cipurile necesare pentru a lucra cu servere de clasă enterprise, având propriul lor BIOS, memorie cache și procesor pentru corectarea rapidă a erorilor și calculele sumelor de control. În plus, îndeplinesc standarde înalte de fiabilitate în ceea ce privește fabricația și au module de memorie de înaltă calitate.
4. Controlere RAID externe
Nu este greu de ghicit că toate controlerele enumerate mai sus sunt interne și primesc alimentare prin conectorul PCIe al plăcii de bază. Ce înseamnă acest lucru? Și această defecțiune a plăcii de bază poate duce la erori în funcționarea matricei RAID și la pierderea datelor. Controlerele externe sunt eliberate de această neînțelegere, deoarece sunt găzduite într-o carcasă separată cu o sursă de alimentare independentă. În ceea ce privește fiabilitatea, astfel de controlere oferă cel mai înalt nivel de stocare a datelor.
, Microsemi Adaptec, Intel, IBM, Dell și Cisco sunt doar câteva dintre companiile care oferă în prezent controlere hardware RAID.
Moduri de operare ale controlerelor RAID SAS/SATA/NVMe
Scopul principal al controlerelor HBA și RAID tri-mode (sau controlerelor cu funcționalitate Tri-Mode) este de a crea RAID hardware bazat pe NVMe. Controlerele din seria 9400 de la Broadcom pot face acest lucru: de exemplu, . Aparține unui tip independent de controler RAID, este echipat cu patru conectori SFF-8643 și, datorită suportului Tri-Mode, vă permite să conectați unități SATA/SAS și NVMe simultan. În plus, este și unul dintre cele mai eficiente controlere de pe piață (consumând doar 17 wați de energie, cu mai puțin de 1,1 wați pentru fiecare dintre cele 16 porturi).
Interfața de conectare este PCI Express x8 versiunea 3.1, care permite un debit de 64 Gbit/s (se așteaptă să apară controlere pentru PCI Express 2020 în 4.0). Controlerul cu 16 porturi se bazează pe un cip cu 2 nuclee și SDRAM DDR72-4 de 2133 de biți (4 GB), precum și capacitatea de a conecta până la 240 de unități SATA/SAS sau până la 24 de dispozitive NVMe. În ceea ce privește organizarea matricelor RAID, sunt acceptate nivelurile „0”, „1”, „5” și „6”, precum și „10”, „50” și „60”. Apropo, memorie cache și alte controlere din seria 9400 sunt protejate de căderile de tensiune prin modulul opțional CacheVault CVPM05.
Tehnologia cu trei moduri se bazează pe funcția de conversie a datelor SerDes: conversia reprezentării seriale a datelor în interfețele SAS/SATA în formă paralelă în PCIe NVMe și invers. Adică, controlerul negociază viteze și protocoale pentru a funcționa perfect cu oricare dintre cele trei tipuri de dispozitive de stocare. Aceasta oferă o modalitate simplă de a scala infrastructurile centrelor de date: utilizatorii pot folosi NVMe fără a face modificări semnificative la alte configurații de sistem.
Cu toate acestea, atunci când planificați configurații cu unități NVMe, merită să luați în considerare faptul că soluțiile NVMe folosesc 4 benzi PCIe pentru a se conecta, ceea ce înseamnă că fiecare unitate utilizează toate liniile de porturi SFF-8643. Se pare că doar patru unități NVMe pot fi conectate direct la controlerul MegaRAID 9460-16i. Sau limitați-vă la două soluții NVMe în timp ce conectați simultan opt unități SAS (vezi diagrama de conectare de mai jos).
Figura arată utilizarea conectorului „0” (C0 / Conector 0) și a conectorului „1” pentru conexiunile NVMe, precum și conectorii „2” și „3” pentru conexiunile SAS. Acest aranjament poate fi inversat, dar fiecare unitate x4 NVMe trebuie conectată folosind benzile adiacente. Modurile de operare ale controlerului sunt setate prin utilitarele de configurare StorCLI sau Human Interface Infrastructure (HII), care funcționează în mediul UEFI.
Modul implicit este profilul „PD64” (suporta doar SAS/SATA). După cum am spus mai sus, există trei profiluri în total: modul „SAS/SATA only mode” (PD240 / PD64 / PD 16), modul „NVMe only mode” (PCIe4) și un mod mixt în care toate tipurile de unități poate funcționa: „PD64 -PCIe4” (suport pentru 64 de discuri fizice și virtuale cu 4 unități NVMe). În modul mixt, valoarea profilului specificat ar trebui să fie „ProfileID=13”. Apropo, profilul selectat este salvat ca cel principal și nu este resetat nici măcar la revenirea la setările din fabrică prin comanda Set Factory Defaults. Poate fi schimbat doar manual.
Merită să creați o matrice RAID pe un SSD?
Deci, am înțeles deja că matricele RAID sunt cheia performanței înalte. Dar merită să construiți RAID de pe SSD-uri pentru uz casnic și corporativ? Mulți sceptici spun că creșterea vitezei nu este atât de semnificativă încât să se răsfoie pe unitățile NVMe. Dar este chiar așa? Cu greu. Cea mai mare limitare a utilizării SSD-urilor în RAID (atât acasă, cât și la nivel de întreprindere) poate fi doar prețul. Orice s-ar putea spune, costul unui gigabyte de spațiu pe un HDD este mult mai ieftin.
Conectarea mai multor „unități” cu stare solidă la un controler RAID pentru a crea o matrice SSD poate avea un impact enorm asupra performanței în anumite configurații. Cu toate acestea, nu uitați că performanța maximă este limitată de capacitatea controlerului RAID în sine. Nivelul RAID care oferă cele mai bune performanțe este RAID 0.
Un RAID 0 convențional cu două SSD-uri, care utilizează o metodă de împărțire a datelor în blocuri fixe și împărțirea acestora în spațiul de stocare solid, va avea ca rezultat o performanță dublă în comparație cu un singur SSD. Cu toate acestea, o matrice RAID 0 cu patru SSD-uri va fi deja de patru ori mai rapidă decât cel mai lent SSD din matrice (în funcție de limitarea lățimii de bandă la nivelul controlerului RAID SSD).
Bazat pe o aritmetică simplă, un SSD SATA este de aproximativ 3 ori mai rapid decât un HDD SATA tradițional. Soluțiile NVMe sunt și mai eficiente – de 10 ori sau mai mult. Cu condiția ca două hard disk-uri într-un RAID de nivel zero să arate performanță dublă, crescând-o cu 50%, două SSD-uri SATA vor fi de 6 ori mai rapide, iar două SSD-uri NVMe vor fi de 20 de ori mai rapide. În special, o singură unitate Kingston KC2000 NVMe PCIe poate atinge viteze secvenţiale de citire şi scriere de până la 3200 MB/s, care în format RAID 0 vor atinge un impresionant 6 GB/s. Iar viteza de citire/scriere a blocurilor aleatorii de 4 KB va trece de la 350 IOPS la 000 IOPS. Dar... în același timp, RAID „zero” nu ne oferă redundanță.
Se poate spune că în mediile acasă, redundanța de stocare nu este de obicei necesară, așa că cea mai potrivită configurație RAID pentru SSD-uri devine cu adevărat RAID 0. Aceasta este o modalitate fiabilă de a obține îmbunătățiri semnificative de performanță ca alternativă la utilizarea tehnologiilor precum Intel Optane SSD-uri. Dar despre cum se comportă soluțiile SSD în cele mai populare tipuri de RAID („1”, „5”, „10”, „50”) în următorul nostru articol.
Acest articol a fost pregătit cu sprijinul colegilor noștri de la Broadcom, care oferă controlerele lor inginerilor Kingston pentru testare cu unități SATA/SAS/NVMe de clasă enterprise. Datorită acestei simbioze prietenoase, clienții nu trebuie să se îndoiască de fiabilitatea și stabilitatea unităților Kingston cu controlere HBA și RAID fabricate. .
Pentru mai multe informații despre produsele Kingston, vă rugăm să vizitați companie.
Sursa: www.habr.com