Vi delar med oss av erfarenheter hur SSD:er presterar inom RAID och vilken nivå av array som är mest fördelaktig

I i tidigare material har vi redan diskuterat frågan om "Är RAID tillämpligt på SSD" med exempel från Kingston-enheter, men vi gjorde det bara på en grundläggande nivå. I denna artikel kommer vi att undersöka användningsmöjligheterna för professionella och hemmabruk NVMe-lösningar i de mest populära typerna av RAID-arrayer och berätta om kompatibiliteten hos kontrollerar. Broadcom med Kingston-enheter.

Varför behövs RAID på SSD?

Fördelarna med lagringsarrayer baserade på SSD jämfört med lagringsarrayer på hårddiskar inkluderar minskning av access-tiden till data på enheten och överlägsen prestanda i läs-/skrivoperationer. Men för optimal prestanda av RAID-baserat på SSD krävs en optimal kombination av processor, cache, mjukvara och hårdvara. När alla dessa faktorer fungerar perfekt tillsammans kan en SSD RAID-array avsevärt överträffa en jämförbar konfiguration med traditionella HDD.

En typisk SSD förbrukar mindre energi än hårddiskar, så när man förenar många solid state-enheter i en RAID-array kan energibesparingen jämfört med en RAID-array av HDD också leda till lägre kostnader för företags elkostnader.

Men SSD RAID har begränsningar och nackdelar: särskilt ett högre pris per gigabyte lagringsutrymme jämfört med hårddiskar av jämförbar kapacitet. Dessutom är livslängden för flashminnet begränsad till ett visst antal skrivcykler. Det innebär att SSD-enheter har en viss livslängd som beror på användningen: ju mer information som skrivs om på den, desto snabbare slits enheten ut. Å andra sidan har företagets solid state-enheter en anständig livslängd, jämförbar med mekaniska hårddiskar.

Hur lever SSD Kingston i RAID-läge med Broadcom-kontrollerar

I begynnelsen av bruken av SSD-lagringsenheter inneholdt RAID-strukturer mange nyanser. Blant annet på grunn av bruken av mindre pålitelige HDD-disker. Fast flash-lagringsenheter er mye mer pålitelige enn deres magnetbaserte kolleger. Som vi vet, har SSD-løsninger ingen bevegelige deler, så mekaniske skader reduseres til null. SSD-er er også lite utsatt for feil på grunn av strømstøt, gitt at både hjemme-PC-er og servere er beskyttet av UPS, overspenningsbeskyttere og til og med strømforsyninger.

I tillegg har SSD-er en annen betydelig fordel: selv om minneceller slites ut ved skriving, kan data fortsatt leses fra dem, mens hvis en magnetdisk skades – dessverre.

I dag er det helt normalt å bruke SSD-løsninger i RAID-arrays av forskjellige nivåer. Det viktigste er å velge de riktige SSD-ene, hvis latens er minimal. Ideelt sett bør man også bruke SSD-er fra samme produsent og modell, for å unngå en blanding av lagringsenheter som støtter ulike belastningstyper og som er bygget på forskjellige typer minne, kontroller og annen teknologi. Så hvis vi har bestemt oss for å kjøpe fire eller 16 NVMe SSD-er fra Kingston for å lage et RAID-array, bør de helst være fra samme serie og modellrekke.

For å nevne det, i den föregående artikeln. vi nevnte ikke tilfeldig Broadcom-kontrollerne som eksempel når vi snakket om Kingston NVMe SSD-er. Grunnen er at i manualene til disse enhetene oppgis straks kompatible lagringsenheter (inkludert løsninger fra den nevnte amerikanske SSD-produsenten), som kontrolleren vil fungere med uten problemer. Dette er informasjon man bør stole på når man velger en 'kontroller-SSD'-kombinasjon for RAID.

Vi analyserer driften til Kingston SSD-er i de mest populære RAID-typene – “1”, “5”, “10”, “50”

Så, RAID-nivå "noll" ger ingen dataradundant, utan ökar endast prestandan. RAID 0 erbjuder överhuvudtaget inget dataskydd, så vi kommer inte att betrakta det inom företagssegmentet. RAID 1, å andra sidan, erbjuder fullständig redundans men endast en blygsam prestandaökning, och därför bör det övervägas om prestanda inte är en grundläggande faktor vid skapandet av en RAID-array av SSD.

RAID 1 baserat på SSD Kingston och Broadcom-kontroller

Så, RAID-arrayen av första nivån baserad på Broadcom MegaRAID 9460-16i kontrollerar mellan två och 32 Kingston-enheter som är kopior av varandra och erbjuder fullständig redundans. När traditionella HDD-diskar användes var läshastighet och skrivhastighet begränsad till samma nivå som densamma HDD, men med NVMe SSD-lösningar får vi tiofaldig prestandaökning. Särskilt när det gäller åtkomsttider till data. Till exempel, med två Kingston DC1000M U.2 NVMe SSD-enheter i en server RAID 1 får vi 350 000 IOPS vid läsning av slumpmässiga data och 75 000 IOPS vid skrivning.

När det kommer till sekventiell läshastighet kommer resultaten att matcha lagringsenhetens specifikationer — 3200 MB/s. Men eftersom båda NVMe SSD-enheterna är aktiva kan data läsas från dem samtidigt, vilket gör läsningsoperationerna ganska snabba. Men skrivhastigheten (den angivna är 2000 MB/s) kommer att vara långsammare eftersom varje skrivoperation utförs två gånger.

RAID 1-arrayen är perfekt för små databaser eller vilken annan miljö som kräver redundans men har en liten kapacitet. Spegling av lagringsenheter är särskilt användbart i katastrofåterställningsscenarier (prestandan minskar något i detta fall), eftersom det möjliggör omedelbar "återupplivning" av viktiga data om en av enheterna i arrayen går sönder. Men eftersom denna skyddsnivå kräver en fördubbling av lagringskapaciteten för att lagra en spegelversion av data (för att lagra 100 TB behövs 200 TB utrymme), används mer kostnadseffektiva lagringsalternativ i många företagsystem: RAID 5 och RAID 6.

RAID 5 baserat på SSD Kingston och kontroller från Broadcom

För att skapa en RAID 5-array behöver vi minst tre lagringsenheter där data växlar (cykliskt skrivs på alla enheter i arrayen), men inte dupliceras. Vid deras konfiguration bör man ta hänsyn till deras mer komplexa uppbyggnad, eftersom begreppet "paritet" (eller "kontrollsummor") introduceras. Detta begrepp avser en logisk algebraisk funktion XOR (undantags "ELLER"), som kräver användning av minst tre lagringsenheter i arrayen (maximalt 32). Informationen om paritet skrivs på alla "diskar" i arrayen.

För en array av fyra Kingston DC500R SATA SSD-enheter med en kapacitet på 3,84 TB vardera får vi 11,52 TB utrymme och 3,84 TB för kontrollsummor. Om vi kombinerar 16 Kingston DC1000M U.2 NVMe-enheter med en kapacitet på 7,68 TB i en RAID 5-array får vi 115,2 TB med en förlust på 7,68 TB. Ju fler lagringsenheter, desto bättre blir resultatet. Dessutom, ju fler enheter i RAID 5, desto högre blir den totala prestandan vid skrivoperationer. Linjär läsning kommer att nå nivån hos RAID 0.

RAID 5-diskgruppen erbjuder hög bandbredd (särskilt för stora filer) och redundans med minimal effektförlust. Denna typ av arraykonfiguration är bäst för nätverk som udför många små I/O-operationer samtidigt. Däremot är det inte lämpligt att använda den för uppgifter som kräver många skrivoperationer av små eller små block.
Det finns också en annan nuance: om minst en av NVMe-enheterna går ner, går RAID 5 in i ett degraderat läge, och om ytterligare en lagringsenhet går sönder kan detta bli kritiskt för all data. Vid fel på en enhet i RAID-arrayen använder RAID-styrenheten paritetsinformationen för att återskapa all förlorad data.

RAID 10 baserat på Kingston SSD:er och Broadcom-kontrollers.

RAID 0 ger oss en dubblerad hastighet och åtkomsttid, medan RAID 1 erbjuder tillförlitlighet. Idealiskt sett skulle vi kombinera dem, och här kommer RAID 10 (eller 1+0) in i bilden. "Tian" sätts samman av fyra SATA SSD- eller NVMe-enheter (maximalt – 32) och innebär en array av "speglade" diskar, där antalet enheter alltid måste vara en multipel av fyra. Data i denna array skrivs i fasta block (som i RAID 0) och växlas mellan enheterna, vilket sprider kopior mellan "diskarna" i RAID 1. Tack vare möjligheten till simultan åtkomst till flera diskgrupper visar RAID 10 hög prestanda.

Eftersom RAID 10 kan fördela data över flera speglade par innebär det att den kan tolerera ett fel på en enhet i paret. Men om båda de speglade paren (det vill säga alla fyra enheterna) skulle gå i kras, kommer data att gå förlorade. Resultatet är också god redundans och pålitlighet. Men det är värt att notera att, precis som RAID 1, använder arrayen av tio nivåer endast hälften av den totala kapaciteten, och därför är det en kostsam lösning. Dessutom är den svår att konfigurera.

RAID 10 är lämplig för datalagringslösningar som kräver 100% redundans i grupper av speglade diskar, liksom den förbättrade I/O-prestandan från RAID 0. Det är den bästa lösningen för medelstora databaser eller vilken miljö som helst som kräver högre tillförlitlighet än RAID 5.

RAID 50 baserat på Kingston SSD och Broadcom-kontroller

En kombinerad array som liknar RAID 10, vilket är en array av nollnivå skapad av femnivå-arrayer. Precis som i det föregående fallet syftar detta array till att uppnå dubbel prestanda samtidigt som data hålls säkra i RAID 5-arrayer. RAID 50 erbjuder dessutom ökad skrivprestanda och bättre dataskydd än standard RAID 5 vid en diskfel, och har också möjlighet till snabbare återställning vid ett fel på en av enheterna.

RAID 50-diskgruppen delar upp data i mindre block och distribuerar dem över varje RAID 5-array. RAID 5-diskgruppen delar också upp data i mindre block, beräknar paritet, utför en logisk OR-operation för blocken och skriver data och paritetskontroller till varje disk i diskgruppen.

Och även om prestandan oundvikligen minskar vid fel på en av enheterna, är det inte lika avgörande som i RAID 5-arrayen, eftersom ett fel bara påverkar en av matriserna, medan den andra förblir helt fungerande. Faktum är att RAID 50 kan klara upp till åtta fel på HDD/SSD/NVMe-enheter om varje felaktig 'disk' finns i en separat RAID 5-array.

RAID 50 är bäst för applikationer som kräver hög tillförlitlighet och som behöver hantera många förfrågningar samtidigt som de behåller hög dataöverföringshastighet och lägre kostnad för lagringsenheterna jämfört med RAID 10-arrayen. Men eftersom RAID 50-konfigurationen kräver minst sex enheter, kan kostnaden inte helt ignoreras som en faktor. En av nackdelarna med RAID 50 är att den, precis som RAID 5, kräver en komplex kontroller: en sådan som vi nämnde tidigare i den föregående artikeln MegaRAID 9460-16i från Broadcom.

Det är också värt att notera att RAID 50 har mindre användbart diskområde jämfört med RAID 5, på grund av utrymmesallokering för paritetskontroller. Trots det har det ändå mer användbart utrymme än andra RAID-nivåer, särskilt de som använder spegling. Med ett minimumskrav på sex diskar kan RAID 50 vara en kostsam lösning, men det extra diskområdet motiverar kostnaden genom att skydda företagsdata. Denna typ av array rekommenderas för data som kräver hög lagringstillförlitlighet, hög frekvens av förfrågningar, hög överföringshastighet och stor kapacitet för lagring.

RAID 6 och RAID 60: de har vi inte glömt bort heller

Eftersom vi har pratat om femte och femtiotredje nivåns matriser, är det en skam att inte nämna typerna RAID 6 och RAID 60.

Prestandan för RAID 6 är liknande RAID 5, men här används minst två enheter för paritet, vilket gör att matrisen kan överleva fel på två enheter utan datarförlust (i RAID 5 är en sådan situation extremt oönskad). Detta säkerställer högre tillförlitlighet. Annars fungerar allt på samma sätt som i matrisen i femte nivån: vid fel på en eller två diskar använder RAID-controllern paritetsblock för att återskapa all saknad information. Vid fel på två enheter sker återställning inte samtidigt: först återställs den första enheten, sedan den andra. Således utförs två återställningsoperationer.

Det är inte svårt att förstå att om RAID 50 utgör en nollnivåmatris av femte nivåmatriser, så är RAID 60 en nollnivåmatris av sjätte nivåmatriser, som vi just har diskuterat. Detta innebär att en sådan organisation av RAID-lagringen kan överleva förlusten av två SSD-enheter i varje grupp av RAID 6-lagringsenheter. Arbetsprincipen liknar den som vi beskrev i avsnittet om RAID 50, men antalet fel som matrisen i sjätte nivån kan hantera ökar från 8 till 16 enheter. Vanligtvis används sådana matriser för online-tjänster som kräver hög redundans.

Sammanfattningsvis:

Trots att spegling erbjuder högre redundans än RAID 50/60, kräver det också mycket mer utrymme. Eftersom datamängden dubblas får du faktiskt bara 50% av den totala kapaciteten hos de installerade enheterna i servern för skrivning och lagring av information. Valet mellan RAID 50/60 och RAID 10 kommer sannolikt att bero på de tillgängliga budgetarna, serverns kapacitet och dina dataskyddsbehov. Kostnaden blir mer framträdande när vi talar om SSD-lösningar (både företags- och konsumentklass).

Det är också viktigt att vi nu vet att RAID baserat på SSD är en fullt säker lösning och en normal praxis för moderna företag. Inom hemmabruk finns det också skäl att övergå till NVMe om budgeten tillåter det. Och om du fortfarande undrar varför allt detta är nödvändigt, återvänd till början av artikeln – vi har redan gett ett utförligt svar på det.

Denna artikel har tagits fram med stöd från våra kollegor på Broadcom, som tillhandahåller sina kontrollerkort till Kingston-ingenjörer för testning med företagsklassens SATA/SAS/NVMe-lagringsenheter. Tack vare denna vänliga symbios behöver kunderna inte tveka om pålitligheten och stabiliteten hos Kingston-lagringsenheter med HBA- och RAID-kontroller från tillverkaren. Broadcom.

Ytterligare information om Kingston-produkter finns på den officiella webbplatsen för företaget.

Källa: habr.com