В ми вже розглянули питання про те, чи застосуємо RAID на SSD на прикладі накопичувачів Kingston, але зробили це тільки в рамках нульового рівня. У поточній статті ми розберемо варіанти використання професійних та домашніх NVMe-рішень у найпопулярніших типах RAID-масивів та розповімо про сумісність контролерів із накопичувачами Kingston.
Навіщо потрібний RAID на SSD?
Переваги масивів зберігання на основі SSD у порівнянні з масивами зберігання на жорстких дисках включають скорочення часу доступу до даних на накопичувачі та чудову продуктивність в операціях читання/запису. Однак для ідеальної продуктивності RAID на базі SSD потрібне оптимальне поєднання процесора, кеша, програмного та апаратного забезпечення. Коли всі ці фактори ідеально працюють разом, RAID-масив із SSD може значно перевершити порівняну конфігурацію із застосуванням традиційних HDD.
Типовий SSD споживає менше енергії, ніж жорсткі диски, тому при об'єднанні великої кількості твердотільних накопичувачів в RAID-масив економія енергії в порівнянні з RAID-масивом з HDD може призвести до зниження витрат при оплаті корпоративних рахунків за електроенергію.
Однак SSD RAID має обмеження та недоліки: зокрема, вища ціна за гігабайт простору порівняно з жорсткими дисками порівнянної ємності. А час напрацювання флеш-пам'яті на відмову обмежений певною кількістю циклів перезапису. Тобто SSD-накопичувачі мають певний термін служби, який залежить від експлуатації: чим активніше перезаписується інформація на ньому, тим швидше накопичувач вийде з ладу. З іншого боку, корпоративні твердотільні накопичувачі мають пристойний термін служби, який можна порівняти з механічними жорсткими дисками.
Як SSD Kingston живуть у режимі RAID із контролерами Broadcom
На зорі появи SSD-накопичувачів RAID-конструкції таїли багато нюансів. У тому числі через використання менш відмовостійких HDD-дисків. Твердотільні накопичувачі набагато надійніші за своїх побратимів на основі магнітних дисків. Як ми знаємо, у SSD-рішеннях немає елементів, що рухаються, тому механічні пошкодження зведені до нуля. Вихід твердотільних накопичувачів з ладу внаслідок стрибків напруги теж малоймовірний, враховуючи, що на рівні домашнього ПК та будь-якого сервера вас оберігають ДБЖ, мережеві фільтри і навіть блок живлення.
При цьому твердотільні накопичувачі мають ще один істотний плюс: навіть якщо осередки пам'яті зносяться на запис - читання даних з них все одно можна буде зробити, а ось при пошкодженні магнітного диска - на жаль.
На сьогоднішній день використовувати SSD-рішення в RAID-масивах різних рівнів цілком нормальна практика. Головне – вибирати правильні твердотільні накопичувачі, латентність яких є мінімальною. А ще в ідеалі використовувати SSD одного і того ж виробника і однієї і тієї ж моделі, щоб не вийшла суміш із накопичувачів, що підтримують різні типи навантажень і побудованих на базі різних типів пам'яті, контролерів та інших технологій. Тобто, якщо ми вирішили купити для створення RAID-масиву чотири або 16 NVMe SSD компанії Kingston – нехай краще всі вони будуть з однієї серії та модельного ряду.
До речі, в ми неспроста наводили приклад контролери Broadcom, коли говорили про NVMe SSD від Kingston. Справа в тому, що в мануалах до цих пристроїв відразу прописуються сумісні накопичувачі (включаючи рішення від вищезгаданого американського виробника SSD), з якими контролер працюватиме без нарікань. На цю інформацію потрібно спиратися при виборі зв'язки «контролер-SSD» для RAID.
Розбираємо роботу SSD Kingston у найпопулярніших типах RAID - "1", "5", "10", "50"
Отже, “нульовий” рівень RAID не забезпечує надмірності даних, лише збільшує продуктивність. Жодного захисту даних RAID 0 не надає взагалі, тому в рамках корпоративного сегменту ми його розглядати не будемо. RAID 1, з іншого боку, забезпечує повну надмірність, але лише скромний приріст продуктивності, і тому його слід розглядати в тому випадку, якщо підвищення продуктивності не є основним фактором при створенні RAID-масиву SSD.
RAID 1 на базі SSD Kingston та контролерів Broadcom
Отже, RAID-масив першого рівня на базі контролера Broadcom MegaRAID 9460-16i поєднує від двох до 32 накопичувачів Kingston, які є копіями один одного, та забезпечує повну надмірність. Якщо при використанні традиційних HDD швидкість запису та читання даних залишалася на рівні цього самого HDD, то з використанням NVMe SSD-рішень ми отримуємо десятикратний приріст продуктивності. Особливо в часі доступу до даних. Наприклад, із двома SSD Kingston DC1000M U.2 NVMe у серверному RAID 1 ми отримаємо 350 000 IOPS при читанні випадкових даних та 75 000 IOPS при записі.
Щодо послідовної швидкості читання результати відповідатимуть характеристикам накопичувача – 3200 Мбайт/с. Але оскільки обидва NVMe SSD знаходяться в робочому стані, дані можуть зчитуватися з них одночасно, що робить операції читання досить швидкими. А ось швидкість запису (заявлена становить 2000 Мбайт/с) буде повільнішою, тому що кожна операція запису виконується двічі.
Масив RAID 1 ідеально підходить для невеликих баз даних або будь-якого іншого середовища, яке вимагає стійкості до відмов, але невеликої ємності. Дзеркальне копіювання накопичувачів особливо рятує в сценаріях аварійного відновлення (продуктивність при цьому трохи погіршується), оскільки забезпечує миттєву "реанімацію" важливих даних, якщо один із накопичувачів у масиві виходить з ладу. Але, оскільки цей рівень захисту вимагає подвоєння ємності для зберігання дзеркальної копії даних (для зберігання 100 Тбайт потрібно 200 Тбайт місця), у багатьох корпоративних системах використовуються економічніші варіанти зберігання: RAID 5 і RAID 6.
RAID 5 на базі SSD Kingston та контролерів Broadcom
Для організації RAID-масиву п'ятого рівня нам знадобиться як мінімум три накопичувачі, дані на яких чергуються (циклічно записуються на всі накопичувачі в масиві), але не дублюються. При їх організації слід враховувати їх складніший пристрій, тому що тут з'являється таке поняття, як "контрольна сума" (або "парність"). Під цим поняттям мається на увазі логічна функція алгебри XOR (вона ж виключає "АБО"), яка і диктує використання мінімум трьох накопичувачів в масиві (максимум - 32). При цьому інформація про парність записується на всі диски в масиві.
Для масиву з чотирьох SATA SSD-накопичувачів Kingston DC500R з ємністю по 3,84 Тбайт кожен, ми отримаємо 11,52 Тбайт простору та 3,84 для контрольних сум. А якщо об'єднати в RAID п'ятого рівня 16 NVMe-накопичувачів Kingston DC1000M U.2 з ємністю 7,68 Тбайт - повчимо 115,2 Тбайт із втратою 7,68 Тбайт. Як бачите, чим більше накопичувачів, тим краще. Краще ще й тому, що чим більше накопичувачів RAID 5, тим вище сумарна продуктивність при операціях запису. А лінійне читання досягатиме рівня RAID 0.
Група дисків RAID 5 забезпечує високу пропускну здатність (особливо для великих файлів) та надмірність із мінімальною втратою потужності. Найкраще такий тип організації масиву підходить для мереж, які виконують багато невеликих операцій вводу-виводу (I/O) одночасно. А ось використовувати його для завдань, що потребують великої кількості операцій запису невеликих чи невеликих блоків, не варто.
Є ще один нюанс: при відмові хоча б одного з NVMe-накопичувачів, RAID 5 переходить в режим деградації і вихід з ладу ще одного пристрою зберігання може стати критичним для всіх даних. У разі збою одного накопичувача в масиві RAID-контролер використовує інформацію про парність для відтворення всіх даних, що відсутні.
RAID 10 на базі SSD Kingston та контролерів Broadcom
Отже, RAID 0 надає нам дворазовий приріст швидкості та часу доступу, а RAID 1 забезпечує надійність. В ідеалі б їх поєднати, і тут на допомогу приходить RAID 10 (або 1+0). "Десятка" збирається з чотирьох SATA SSD- або NVMe-накопичувачів (максимум - 32) і має на увазі масив із "дзеркал", кількість накопичувачів в якому завжди має бути кратно чотирьом. Дані в цьому масиві записуються за допомогою розбиття на фіксовані блоки (як у випадку з RAID 0) і чергування між накопичувачами, розподіляючи копії між дисками в масиві RAID 1. А завдяки можливості одночасного доступу до кількох груп дисків, RAID 10 показує високу продуктивність.
Оскільки RAID 10 здатний розподіляти дані з кількох дзеркальним парам, це, що може допускати збій одного накопичувача в парі. Однак у разі збою обох дзеркальних пар (тобто всіх чотирьох накопичувачів) станеться неминуча втрата даних. У результаті ми також отримуємо хорошу стійкість до відмов і надійність. Але варто мати на увазі, що, як і RAID 1, масив десятого рівня використовує лише половину сумарної ємності, тому є дорогим рішенням. Та ще й складним у налаштуванні.
RAID 10 підходить для використання зі сховищами даних, яким потрібна 100-відсоткова надмірність груп дзеркальних дисків, а також підвищена продуктивність вводу-виводу RAID 0. Це найкраще рішення для баз даних середнього розміру або будь-якого середовища, яке вимагає вищої відмовостійкості, ніж у RAID 5.
RAID 50 на базі SSD Kingston та контролерів Broadcom
Комбінований масив, аналогічний RAID'у десятого рівня, який є масивом нульового рівня, створений з масивів п'ятого рівня. Як і в попередньому випадку, основна мета даного масиву полягає в отриманні подвоєної продуктивності при збереженні надійності даних в масивах RAID 5. При цьому RAID 50 забезпечує підвищену продуктивність запису і кращий захист даних, ніж стандартний RAID 5 у разі збою диска, а також здатний більш швидкого відновлення у разі відмови одного з накопичувачів.
Група дисків RAID 50 розбиває дані на дрібніші блоки, а потім розподіляє їх на кожен масив RAID 5. Група дисків RAID 5, у свою чергу, також розбиває дані на дрібніші блоки, обчислює парність, здійснює логічну операцію OR для блоків, а потім виконує операції запису в блоки даних та контролю парності для кожного диска групи дисків.
І хоча продуктивність неминуче знижується у разі збою одного з накопичувачів, це не настільки суттєво, як у масиві RAID 5, оскільки один збій впливає лише на один із масивів, залишаючи інший повністю працездатним. Насправді RAID 50 може витримати до восьми відмов HDD/SSD/NVMe-накопичувача, якщо кожен "диск", що відмовив, знаходиться в окремому масиві RAID 5.
RAID 50 найкраще використовувати для додатків, яким потрібна висока надійність і які повинні обробляти велику кількість запитів при збереженні високої швидкості передачі даних та нижчої вартості накопичувачів, ніж у масиві RAID 10. Однак, оскільки для налаштування масиву RAID 50 потрібно щонайменше шість накопичувачів, Ціна не повністю виключається як чинник. Одним із недоліків RAID 50 є те, що, як і RAID 5, йому потрібний складний контролер: такий як у минулій статті від Broadcom.
Варто також відзначити, що RAID 50 має менше дискового простору, що використовується, ніж RAID 5, через виділення ємності для змісту записів контролю парності. Тим не менш, він все ще має більше корисного простору, ніж інші рівні RAID, особливо ті, які використовують дзеркало. При мінімальній вимогі до шести дисків RAID 50 може бути дорогим варіантом, але додатковий дисковий простір виправдовує витрати, захищаючи корпоративні дані. Цей тип масиву рекомендується для роботи з даними, що вимагають високої надійності зберігання, високої частоти запитів, високої швидкості передачі та великої ємності для розміщення.
RAID 6 та RAID 60: про них ми теж не забули
Раз ми поговорили про масивах п'ятого і п'ятдесятого рівнів, гріх не згадати і про такі типи організації масивів як RAID 6 і RAID 60.
Продуктивність RAID 6 аналогічна RAID 5, але тут вже мінімум два накопичувачі віддаються під контроль парності, що дозволяє масиву пережити вихід з ладу двох накопичувачів без втрати даних (у RAID 5 така ситуація вкрай небажана). Завдяки цьому забезпечується вища надійність. В іншому все так само, як і в масиві п'ятого рівня: у разі збою одного або двох дисків контролер RAID використовує блоки парності для відтворення всієї інформації, що бракує. При збої двох накопичувачів відновлення відбуваються одночасно: спочатку реанімується перший накопичувач, потім – другий. Таким чином, виконуються дві операції з відновлення даних.
Неважко здогадатися, що, якщо RAID 50 є масивом нульового рівня з масивів п'ятого рівня, то RAID 60 – це масив нульового рівня з масивів шостого рівня, про які ми щойно розповіли. Тобто така організація RAID-сховища дозволяє пережити втрату двох SSD у кожній групі накопичувачів RAID 6. Принцип роботи схожий на те, про який ми розповідали в розділі про RAID 50, але кількість збоїв, які може витримати масив шістдесятого рівня, зростає з 8 до 16 накопичувачів. Зазвичай такі масиви використовуються для онлайн-обслуговування клієнтів, яке потребує високої стійкості до відмов.
Підбиваємо підсумки:
Незважаючи на те, що віддзеркалення забезпечує більшу відмовостійкість, ніж RAID 50/60, воно також вимагає набагато більше місця. Оскільки кількість даних подвоюється, ви фактично отримуєте лише 50% загальної ємності встановлених у сервері накопичувачів для запису та зберігання інформації. Вибір між RAID 50/60 і RAID 10, швидше за все, буде залежати від бюджетів, ємності сервера і ваших потреб у захисті даних. Причому вартість виходить на перший план, коли ми говоримо про SSD-рішення (як корпоративного, так і споживчого класу).
Не менш важливо, що тепер точно знаємо – RAID на базі SSD цілком безпечне рішення і нормальна практика для сучасного бізнесу. В рамках домашнього застосування теж є сенс переходити на NVMe, якщо дозволяють бюджети. А якщо у вас ще залишилося питання, навіщо все це потрібно, поверніться до початку статті - ми вже докладно відповіли на нього.
Ця стаття підготовлена за підтримки наших колег із Broadcom, які надають свої контролери інженерам Kingston для тестування з накопичувачами SATA/SAS/NVMe корпоративного класу. Завдяки цьому дружньому симбіозу, клієнтам не доводиться сумніватися в надійності та стабільності роботи накопичувачів Kingston з HBA- та RAID-контролерами виробництва. .
Додаткову інформацію про продукти Kingston можна знайти на компанії.
Джерело: habr.com