Pozdravljen Habr! V tem gradivu bomo delili, ali se splača organizirati RAID-množice na osnovi trdih diskov SATA SSD in NVMe SSD ter ali bo to prineslo resne koristi? Odločili smo se, da razjasnimo to vprašanje, obravnavamo vrste in tipe kontrolerjev, ki to omogočajo, ter področja uporabe takšnih konfiguracij.
Tako ali drugače, vsak od nas je vsaj enkrat v življenju slišal o definicijah, kot so “RAID”, “RAID-množica”, “RAID-kontroler”, a dvomim, da smo temu pripisovali resno pomembnost, saj povprečnemu uporabniku osebnega računalnika to ni posebej zanimivo. Vsi si želijo visoke hitrosti notranjih shranjevanj in zanesljivosti njihovega delovanja. Konec koncev, ne glede na to, kako zmogljiv je računalnik, hitrost delovanja shranjevanja postane ožja grla, ko govorimo o skupni učinkovitosti PC in strežnika.
To je bilo do trenutka, ko so tradicionalne HDD nadomestili sodobni NVMe SSD s primerljivo kapaciteto 1 TB in več. In če so bili v preteklosti v računalnikih pogostejši nizi SATA SSD + nekaj prostorninskih HDD, danes začnejo to zamenjati drugačne rešitve — NVMe SSD + nekaj prostorninskih SATA SSD. Če govorimo o korporativnih strežnikih in oblaku, so mnogi že uspešno prešli na SATA SSD, preprosto zato, ker so hitrejši od običajnih
Vendar pa je odpornost sistema še vedno na razmeroma nizki ravni: ne moremo, kot v “Bitki ekstrasenzov”, napovedovati z natančnostjo celo do enega tedna, kdaj bo določen trdi disk prenehal delovati. In medtem ko HDD “umirajo” postopoma, kar omogoča, da opazimo simptome in sprejmemo ukrepe, SSD “umirajo” takoj in brez opozorila. In zdaj je prav čas, da ugotovimo, zakaj je to sploh potrebno? Ali se splača organizirati RAID-množice na osnovi trdih diskov SATA SSD in NVMe SSD ter ali bo to prineslo resne koristi?
Zakaj potrebujemo RAID-množico?
Sama beseda “sistem” že implicira, da se za njegovo ustvarjanje uporablja več naprav (HDD in SSD), ki se združujejo s pomočjo RAID kontrolerja in jih operacijski sistem prepozna kot enotno skladišče podatkov. Glavni cilj, ki ga RAID sistemi omogočajo, je minimizacija časa dostopa do podatkov, povečanje hitrosti branja/zapisovanja in zanesljivosti, ki se doseže z možnostjo hitrega okrevanja v primeru okvare. Mimogrede, za domače varnostne kopije ni nujno uporabljati RAID. Če pa imate svoj domači strežnik, do katerega je potreben stalni dostop 24/7 – je to že nekaj drugega.
Obstaja več kot deset nivojev RAID sistemov, od katerih se vsak razlikuje po številu uporabljenih naprav in ima svoje prednosti in slabosti: na primer, RAID 0 omogoča visoko zmogljivost brez odpornosti na napake, RAID 1 – avtomatsko zrcaljenje podatkov brez povečanja hitrosti, medtem ko RAID 10 združuje možnosti zgoraj omenjenih. RAID 0 in 1 sta najpreprostejša (saj ne zahtevata programskih izračunov) in posledično – najpopularnejša. Na koncu izbira tega ali drugega nivoja RAID odvisna od nalog, ki jih diskovni sistem nalaga, in zmožnosti RAID kontrolerja.
Domači in podjetniški RAID: kakšna je razlika?
Osnova vsakega sodobnega podjetja so veliki volumni podatkov, ki jih je treba zanesljivo shraniti na strežnikih podjetij. Kot smo omenili zgoraj, mora biti do njih omogočen stalni dostop 24/7. Seveda je pomemben tudi softver, a v tem primeru govorimo o opremi, ki zagotavlja zanesljivo shranjevanje in obdelavo informacij. Noben software ne more rešiti podjetja pred propadom, če oprema ne ustreza nalogam, ki so ji dodeljene.
Za te naloge vsak proizvajalec “opreme” ponuja tako imenovane podjetniške naprave. Pri Kingstoni – to so zmogljive trdne rešitve v obliki SATA modelov. in , in addition to NVMe models DC1000M U.2 NVMe, DCU1000 U.2 NVMe, and DCP-1000 PCI-e, designed for use in data centers and supercomputers. Arrays made from such drives are typically paired with hardware controllers.
For the consumer market (i.e., for home PCs and NAS servers), drives such as NVMe PCIe, but in this case, it's not necessary to purchase a hardware controller. You can rely on the one built into the motherboard of the PC or NAS server, unless you plan to assemble a home server for non-standard tasks (like setting up a small home host for friends, for example). Moreover, home RAID arrays typically do not involve hundreds or thousands of drives, limiting themselves to two, four, or eight devices (more often SATA).
Types and Classes of RAID Controllers
There are three types of RAID controllers, based on the principles of RAID array implementation:
1. Software, where the array management relies on the CPU and DRAM (meaning the execution of the software code occurs on the processor).
2. Integrated, that is, built into the motherboards of PCs or NAS servers.
3. Hardware (modular), which are discrete expansion cards for PCI/PCIe slots on system boards.
What are their fundamental differences? Software RAID controllers are inferior to integrated and hardware ones in terms of performance and fault tolerance, but do not require specialized hardware to operate. However, it's important to ensure that the host system's processor is powerful enough to run the RAID software without negatively impacting the performance of applications also running on the host. Integrated controllers typically come with their own cache memory and utilize some CPU resources.
Aparati imajo lastno predpomnilniško napravo in vgrajen procesor za izvajanje programskih algoritmov. Običajno omogočajo izvajanje vseh vrst RAID-masivov in hkrati podpirajo več vrst shranjevanja. Na primer, sodobni strojni krmilniki podjetja Broadcom omogočajo istočasno povezovanje SATA, SAS in NVMe naprav, kar omogoča nadgradnjo strežnikov brez menjave krmilnika: zlasti pri prehodu z SATA SSD na NVMe SSD krmilnikov ni potrebno zamenjati.
Na tej točki smo prišli do tipologizacije samih krmilnikov. Če obstajajo trojni načini, bi moralo obstajati še kaj drugega? V tem primeru je odgovor na to vprašanje pritrdilen. Glede na funkcije in možnosti je mogoče RAID-krmilnike razdeliti na več vrst:
1. Običajni krmilniki s funkcijo RAID
V vsej hierarhiji je to najprej krmilnik, ki omogoča združevanje HDD in SSD v RAID-masive stopenj '0', '1' ali '0+1'. To je programsko izvedeno na ravni programske opreme. Vendar takih naprav verjetno ne bi priporočili za uporabo v podjetniškem segmentu, saj nimajo predpomnilnika in ne podpirajo masivov stopenj '5', '3' itd. Vendar so povsem primerni za domači strežnik začetnega nivoja.
2. Krmilniki, ki delujejo v paru z drugimi RAID-krmilniki
Ta tip krmilnikov lahko deluje v paru z integriranimi krmilniki matičnih plošč. To je realizirano po naslednjem principu: diskretni RAID-krmilnik prevzame reševanje 'logičnih' nalog, medtem ko integrirani krmilnik prevzame funkcije izmenjave podatkov med shranjevanjem. Vendar je tu ena podrobnost: sočasno delovanje takšnih krmilnikov je mogoče le na združljivih sistemskih ploščah, kar pomeni, da je njihova uporaba resno omejena.
3. Samostojni RAID-krmilniki
Te diskretne rešitve vsebujejo vse potrebne čipe za delo s strežniki podjetnega razreda, opremljeni so s svojim BIOS-om, predpomnilniško napravo in procesorjem za hitro korekcijo napak in izračun kontrolnih vsot. Poleg tega izpolnjujejo visoke standarde zanesljivosti glede proizvodnje in vsebujejo visoko kakovostne module spomina.
4. Zunanjost RAID-krmilniki
Ni je težko uganiti, da so vsi zgoraj navedeni krmilniki notranji in pridobivajo napajanje preko reže PCIe glavne plošče. Kaj to pomeni? To pomeni, da lahko okvara matične plošče privede do napak pri delovanju RAID niza in izgube podatkov. Zunanjih krmilnikov pa to nerazumevanje ne prizadene, saj so nameščeni v ločeni ohišju z neodvisnim napajalnikom. Na področju zanesljivosti takšni krmilniki zagotavljajo najvišjo raven shranjevanja podatkov.
, Microsemi Adaptec, Intel, IBM, Dell in Cisco so le nekatere od podjetij, ki trenutno ponujajo strojne RAID krmilnike.
Načini delovanja RAID krmilnikov SAS/SATA/NVMe
Osnovna naloga trojnih HBA in RAID krmilnikov (ali krmilnikov s funkcijo Tri-Mode) je ustvarjanje strojnega RAID na osnovi NVMe. Podjetje Broadcom to omogoča s krmilniki serije 9400: na primer, . To je neodvisni tip RAID krmilnika, ki je opremljen s štirimi SFF-8643 priključki in zaradi podpore Tri-Mode omogoča hkratno povezovanje naprav SATA/SAS in NVMe. Poleg tega je to tudi eden najbolj energetsko učinkovitih krmilnikov na trgu (porabi le 17 vatov energije, pri čemer manj kot 1,1 vata na vsak od 16 priključkov).
Vmesnik za povezovanje je PCI Express x8 različice 3.1, kar omogoča propustnost do 64 Gbit/s (v letu 2020 se pričakuje pojav krmilnikov za PCI Express 4.0). Osnova 16-portnega krmilnika je dvocore čip in 72-bitna DDR4-2133 SDRAM (4 GB), prav tako pa omogoča povezavo do 240 SATA/SAS naprav ali do 24 NVMe naprav. Kar zadeva organizacijo RAID nizov, podpira ravni “0”, “1”, “5” in “6”, pa tudi “10”, “50” in “60”. Mimogrede, predpomnilnik in drugih krmilnikov v seriji 9400 je zaščiten pred napetostnimi sunkami z dodatnim modulom CacheVault CVPM05.
Osnova trojmódne tehnologije je funkcija pretvorbe podataka SerDes: pretvorba serijskog prikaza podataka u SAS/SATA sučeljima u paralelni oblik u PCIe NVMe i obrnuto. Drugim rečima, kontroler usklađuje brzine i protokole kako bi besprekorno radio sa bilo kojim od tri tipa uređaja za skladištenje. Ovo osigurava neprekidnu mogućnost skaliranja infrastrukture data centara: korisnici mogu koristiti NVMe bez značajnih promena u drugim konfiguracijama sistema.
Međutim, prilikom planiranja konfiguracija sa NVMe uređajima, treba uzeti u obzir da NVMe rešenja koriste 4 PCIe linije za povezivanje, što znači da svaki uređaj angažuje sve linije portova SFF-8643. Dakle, direktno na kontroler MegaRAID 9460-16i mogu se povezati samo četiri NVMe uređaja. Ili se može ograničiti na dva NVMe rešenja prilikom istovremenog povezivanja sa osam SAS uređaja (vidi shemu povezivanja u nastavku).
Na slici se prikazuje korišćenje priključka „0” (C0 / Connector 0) i priključka „1” za povezivanja NVMe, kao i priključaka „2” i „3” za povezivanja SAS. Ovo raspored može biti promenjeno na obrnuto, ali svaki x4 NVMe uređaj mora biti povezan koristeći susedne linije. Načini rada kontrolera se postavljaju putem konfiguracionih alata StorCLI ili Human Interface Infrastructure (HII), koji funkcioniše u UEFI okruženju.
Podrazumevani režim je profil „PD64” (podrška samo za SAS / SATA). Kao što smo već pomenuli, ukupno su tri profila: režim „SAS/SATA only mode” (PD240 / PD64 / PD 16), režim „NVMe only mode” (PCIe4) i mešoviti režim, u kojem mogu raditi svi tipovi uređaja: „PD64-PCIe4” (podrška za 64 fizička i virtuelna diska sa 4 NVMe uređaja). U mešanom režimu postavljena vrednost profila treba da bude takva – „ProfileID=13”. Usput, odabrani profil se čuva kao vodeći i ne briše se čak ni prilikom vraćanja na fabričke postavke putem komande Set Factory Defaults. Može se promeniti samo ručno.
Da li bi trebalo kreirati RAID niz na SSD-u?
Torej, že smo že razumeli, da so RAID-masivi ključen dejavnik visoke zmogljivosti. Vendar pa se postavlja vprašanje, ali naj zgradimo RAID iz trdih diskov za domačo in podjetniško uporabo? Mnogi skeptiki trdijo, da povečanje hitrosti ni tako pomembno, da bi bili pripravljeni porabiti denar za NVMe diske. A je to res? Malo verjetno. Največja ovira za uporabo SSD-jev v RAID-u (tako doma kot na podjetniški ravni) je lahko le cena. Kako koli, cena za gigabajt prostora pri HDD-jih je znatno cenejša.
Povezava več trdnih ''diskov'' na RAID krmilnik za ustvarjanje masiva SSD v določenih konfiguracijah lahko izredno vpliva na zmogljivost. Vendar ne smemo pozabiti, da je največja zmogljivost omejena s propustnostjo samega RAID krmilnika. Najboljši nivo RAID-a, ki ponuja najboljšo hitrost delovanja, je RAID 0.
Ustvarjanje običajnega RAID 0 z dvema SSD-jevoma, pri čemer se uporablja metoda deljenja podatkov na fiksne bloke in njihovo izmenjavanje med trdimi diski, bo pripeljalo do podvojitve zmogljivosti (v primerjavi s hitrostmi, ki jih doseže en SSD). Pri tem bo RAID 0 z štirimi SSD-ji štirikrat hitrejši od najpočasnejšega SSD v masivu (odvisno od omejitev propustnosti na ravni RAID krmilnika SSD).
Če upoštevamo preprosto aritmetiko, so SATA SSD-ji približno 3-krat hitrejši od tradicionalnih SATA HDD-jev. NVMe rešitve so še učinkovitejše – do 10-krat in več. Pod pogojem, da dva trda diska v RAID-u ničelnega nivoja pokažeta podvojeno zmogljivost, povišano za 50 %, bosta dva SATA SSD-čka 6-krat hitrejša, dva NVMe SSD-čka pa 20-krat hitrejša. Zlasti en Kingston KC2000 NVMe PCIe disk lahko doseže hitrosti zaporednega branja in pisanja do 3200 MB/s, kar v formatu RAID 0 doseže impresivnih 6 GB/s. Hitrost branja/pisanja naključnih blokov velikosti 4 KB se lahko poveča s 350 000 IOPS na 700 000 IOPS. Vendar... hkrati ''ničelni'' RAID ne zagotavlja redundance.
Lahko rečemo, da redundanca shranjevanja v domačih razmerah običajno ni potrebna, zato je za SSD res najbolj primerna konfiguracija RAID 0. To je zanesljiv način, kako doseči znatno povečanje zmogljivosti kot alternativa uporabi tehnologij, kot so trdni diski na osnovi Intel Optane. O tem, kako se SSD-rešitve obnašajo v najbolj priljubljenih vrstah RAID ("1", "5", "10", "50"), bomo govorili v našem naslednjem gradivu.
Ta članek je pripravljen s podporo naših kolegov iz Broadcom, ki inženirjem Kingston zagotavljajo svoje krmilnike za testiranje z zadrževalniki SATA/SAS/NVMe podjetniškega razreda. Zahvaljujoč temu prijateljskemu simbiozi, stranke ne dvomijo o zanesljivosti in stabilnosti delovanja zadrževalnikov Kingston s HBA- in RAID-krmilniki. .
Dodatne informacije o izdelkih Kingston lahko najdete podjetja.
Izvor: habr.com
