RAID algoritmi so bili predstavljeni javnosti davnega leta 1987. Do danes ostajajo najbolj iskana tehnologija za zaščito in pospeševanje dostopa do podatkov na področju shranjevanja informacij. Vendar pa je starost IT tehnologije, ki je presegla 30 let, prej starost kot zrelost. Razlog je napredek, ki neizprosno prinaša nove možnosti. V časih, ko praktično ni bilo drugih shranjevalnih naprav razen HDD, so RAID algoritmi omogočili najučinkovitejšo izrabo razpoložljivih virov shranjevanja. Kljub temu pa se je s pojavom SSD situacija drastično spremenila. Sedaj je RAID pri delu s trdimi diski že »uvleček« na njihovo zmogljivost. Zato je za razkritje polnega potenciala hitrostnih značilnosti SSD preprosto potreben povsem drugačen pristop k delu z njimi.
Poleg očitnih razlik med HDD in SSD v načelih delovanja, ti tipi medijev imata še eno pomembno značilnost: kateri koli trdi disk lahko prepiše katere koli podatke z granularnostjo v en blok (trenutno je to najpogosteje 4 KB). Pri SSD pa je proces prepisovanja veliko bolj zapleten postopek:
- Spremenjeni podatki se kopirajo na nov kraj. Pri tem je granularnost enaka bloku, vendar je sestavljena iz več strani in ima velikost od 256 KB do 4 MB. T.j. pri spremembi istih 4 KB je treba prekopirati tudi vse sosednje strani, ki tvorijo enotno bloko.
- »Stare« bloke označiti kot neuporabne, da jih nato zbira zbiralec »smeti« (Garbage Collector).
Sekvencijsko zapisovanje/prepisovanje na SSD
V primeru sekvencionalnega zapisovanja/prepisovanja ta posebnost delovanja SSD ne igra velike vloge z vidika njegove zmogljivosti, saj so bloki postavljeni blizu drug drugemu, in zbiralec »smeti« povsem dobro opravlja svoje delo v ozadju. A v resničnem življenju, še posebej v segmentu Enterprise, se za SSD najpogosteje uporablja naključni dostop do podatkov. Ti podatki se zapisujejo na naključna mesta na pomnilnikih.
Čím více dat je zapisováno na SSD, tím obtížnější je pro garbage collector pracovat, protože fragmentace výrazně roste. V důsledku toho nastává okamžik, kdy proces čištění úložiště přestává být "pozadím": výkon SSD značně klesá, protože značnou část výkonu spotřebovává garbage collector.
Skutečné umístění dat na SSD při každodenním používání
Pro ilustraci efektu vlivu práce garbage collector na základě režimu zápisu na úložiště lze provést jednoduché testy: sekvenční a náhodný zápis bloky 4 KB na 100 GB úložiště. (Zdroj – společnost )
Výkon při sekvenčním zápisu
Výkon při náhodném zápisu
Jak je vidět z testů, pokles výkonu může dosáhnout více než dvojnásobku. A to vše jen na jednom úložišti. V případě použití SSD v rámci RAID skupiny se počet přepisovacích operací výrazně zvyšuje díky práci s parity.
Vzhledem k těmto vlastnostem práce SSD existuje pro ně takový parametr, jako je koeficient zápisu (write amplification). To je poměr objemu dat, které byly zapsány na úložiště, k objemu dat, které host skutečně odeslal. A pro nejpopulárnější RAID5 je tento koeficient přibližně 3,5.
Výsledkem je, že systémy s klasickým RAID ve své podstatě využívají SSD pouze přibližně 10 % jejich skutečné rychlosti a při zvyšování počtu úložišť na více než deset mají slaboškálovatelný výkon.
Také je důležité poznamenat, že nadbytečné zápisové operace nejen snižují výkon SSD, ale také zmenšují jeho rozhodně neomezený zdroj, čímž zkracují životnost úložiště.
, která je jádrem všech produktů AccelStor, byla vyvinuta jako alternativní řešení klasickým algoritmům RAID při práci se SSD. Inovativnost technologie byla oceněna různými patenty a cenami (včetně na Flash Memory Summit 2016) a také výsledky nezávislých testů (například SPC1).
Podstata sestojí v přetváření všech příchozích zápisových požadavků, zejména typu random, do souboru bloků, maximálně podobného režimu sekvenčního zápisu z pohledu úložného média. Výsledkem je, že zápis na SSD probíhá v co nejpohodlnějším režimu pro ně, a celkový výkon převyšuje jakékoli systémy s klasickým RAID.
Všechny SSD v systémech AccelStor jsou rozděleny do dvou symetrických skupin FlexiRemap®. Velikost skupiny závisí na modelu a činí 5-11 úložišť. Pro odolnost proti chybám je uvnitř skupiny použito paritní podobně jako v RAID5. Obě skupiny jsou používány společně a tvoří celkový úložný prostor. Konečná odolnost proti chybám tedy bude podobná poli RAID50 složenému ze dvou skupin: systém je schopen snést selhání až dvou SSD, ale ne více než jedno v každé skupině FlexiRemap®.
Všechny příchozí zápisové požadavky jsou rozděleny na bloky o velikosti 4KB, které jsou v režimu round robin zapisovány na obě skupiny FlexiRemap®. Systém neustále sleduje poptávku po zapsaných blocích a snaží se při jejich změně zapisovat podobné bloky co nejblíže k sobě. Vzniká tak virtuální analog tyringu, pokud to vyjádříme termíny SVA. V tomto případě je práci sběrače 'odpadků' velmi usnadněno: neboť nepoužívané bloky budou neustále blízko sebe.
Je třeba poznamenat, že na rozdíl od produktů konkurentů nepoužívají funkci ukládání příchozích požadavků do operační paměti řadiče. Všechny příchozí bloky dat jsou okamžitě zapisovány na SSD. Host získá potvrzení o úspěšném zápisu až po fyzickém umístění dat na úložištích. V RAM jsou uchovávány pouze tabulky umístění bloků na SSD pro urychlení přístupu a určení, kam zapsat další blok dat. Samozřejmě, pro spolehlivost jsou kopie těchto tabulek umístěny také na samotných médiích. Výsledkem je, že systémům AccelStor není vyžadována žádná ochrana cache ve formě baterie/kondezátoru (nicméně možnost připojení k UPS je k dispozici – pro 'měkké' vypnutí v případě problémů s napájením).
Takšen pristop k organizaciji zapisov omogoča, da zbiralec „odpadkov“ dejansko deluje v ozadju, ne da bi pomembno vplival na hitrost shranjevanja, kar na koncu omogoča, da sistem reciklira do 90 % zmogljivosti SSD. V tem leži tudi visoka vrednost IOPS v sistemih AccelStor v primerjavi z All Flash, ki temeljijo na RAID algoritmih.
Prav tako je pomembna značilnost tehnologije FlexiRemap® znatno zmanjšanje odvečnih operacij zapisovanja na SSD. Faktor zapisovanja (write amplification) za sisteme AccelStor je le 1,3, kar v splošnem jeziku pomeni, da se življenjska doba shranjevalnikov poveča več kot 2,5-krat v primerjavi z RAID5!
Z nenehnim nadzorom sistema nad politiko postavitve podatkov na SSD, se vsi shranjevalniki enakomerno obrabljajo. Takšen pristop omogoča napovedovanje njihove življenjske dobe in pravočasno obveščanje administratorja o izčrpanosti zapisovalnega vira.
Seveda je jasno, da SSD lahko odpovejo. V takem primeru bo sistem takoj začel obnovo na enega izmed hot spare diskov. Skupina FlexiRemap®, ki se nahaja v stanju degraded, preide v način „samo za branje“, medtem ko se vsi zapisi usmerjajo na drugo skupino. Tak mehanizem zaščite je zasnovan za pospešitev postopka obnove in zmanjšanje verjetnosti odpovedi še enega shranjevalnika v isti skupini. Skrivnost ni, da med obnovo vsi shranjevalniki v skupini doživljajo povečano obremenitev zaradi interferenc branja, zapisovanja in obnavljanja na hot spare. S tem se povečuje verjetnost odpovedi še enega diska. In več kot je operacij zapisovanja, dlje bo trajala obnova.
Po koncu postopka obnove in vrnitvi skupine FlexiRemap® v normalno stanje bo prišlo do rahlega neravnovesja v zapisovalnem viru med obema skupinama. Zato bo za izravnavo v prihodnjih operacijah zapisovanja delež v veliki meri pripadel obnovljeni skupini (seveda ob pogoju, da končna zmogljivost sistema ne trpi preveč).
Povečanje zmogljivosti All Flash sistemov, ki temeljijo na RAID algoritmih, nad določene vrednosti (~280K IOPS@4K naključni zapis) ni mogoče doseči niti z uporabo zapletenih sistemov predpomnjenja. Tehnologija FlexiRemap®, zahvaljujoč povsem drugačnemu pristopu k organizaciji prostora za shranjevanje, ne le da zlahka premaga to oviro, ampak tudi večkrat podaljšuje življenjsko dobo SSD-ja. Zato sistemi imajo resne prednosti med All Flash polji na mnogih področjih (IOPS/$, GB/$, TCO, ROI), kar jih dela za idealne kandidate za ključna mesta v podatkovnih centrih naročnikov pri reševanju zahtevnih nalog.
Izvor: habr.com
