Xin chào Habr! Trong bài viết này, chúng tôi sẽ cho bạn biết liệu có đáng để tổ chức các mảng RAID dựa trên giải pháp thể rắn SATA SSD và NVMe SSD hay không và liệu việc này có thu được lợi nhuận lớn không? Chúng tôi quyết định xem xét vấn đề này bằng cách xem xét các loại và loại bộ điều khiển cho phép thực hiện việc này cũng như phạm vi ứng dụng của các cấu hình đó.
Bằng cách này hay cách khác, mỗi người trong chúng ta ít nhất một lần trong đời đã nghe những định nghĩa như “RAID”, “RAID-array”, “RAID-controller”, nhưng không chắc là chúng ta coi trọng điều này, bởi vì tất cả điều này là không thể xảy ra đối với một boyar PC bình thường Thú vị. Nhưng mọi người đều muốn tốc độ cao từ các ổ đĩa bên trong và khả năng vận hành không gặp sự cố. Suy cho cùng, dù phần cứng của máy tính có mạnh đến đâu thì tốc độ của ổ đĩa vẫn trở thành điểm nghẽn khi nói đến hiệu suất kết hợp giữa PC và máy chủ.
Điều này xảy ra chính xác cho đến khi ổ cứng HDD truyền thống được thay thế bằng ổ SSD NVMe hiện đại có dung lượng tương đương từ 1 TB trở lên. Và nếu trước đây PC thường có sự kết hợp giữa SSD SATA + một vài ổ cứng HDD dung lượng lớn thì ngày nay chúng bắt đầu được thay thế bằng một giải pháp khác - SSD NVMe + một vài ổ SSD SATA dung lượng lớn. Nếu chúng ta nói về máy chủ công ty và “đám mây”, nhiều người đã chuyển thành công sang SSD SATA, đơn giản vì chúng nhanh hơn “hộp thiếc” thông thường và có khả năng xử lý đồng thời số lượng hoạt động I/O lớn hơn.
Tuy nhiên, khả năng chịu lỗi của hệ thống vẫn ở mức khá thấp: chúng ta không thể, như trong “Trận chiến tâm lý”, dự đoán với độ chính xác thậm chí lên đến một tuần khi một ổ đĩa thể rắn cụ thể sẽ chết. Và nếu HDD “chết” dần dần, cho phép bạn nắm bắt được các triệu chứng và có biện pháp xử lý thì SSD “chết” ngay lập tức và không báo trước. Và bây giờ là lúc để tìm ra lý do tại sao tất cả những điều này lại cần thiết? Có đáng để tổ chức các mảng RAID dựa trên giải pháp thể rắn SATA SSD và NVMe SSD không, và liệu việc này có thu được lợi nhuận lớn không?
Tại sao bạn cần một mảng RAID?
Chính từ “mảng” đã ngụ ý rằng một số ổ đĩa (HDD và SSD) được sử dụng để tạo ra nó, được kết hợp bằng bộ điều khiển RAID và được HĐH công nhận là một bộ lưu trữ dữ liệu duy nhất. Nhiệm vụ toàn cầu mà mảng RAID có thể giải quyết là giảm thiểu thời gian truy cập dữ liệu, tăng tốc độ đọc/ghi và độ tin cậy, điều này đạt được nhờ khả năng phục hồi nhanh chóng trong trường hợp xảy ra lỗi. Nhân tiện, không nhất thiết phải sử dụng RAID để sao lưu tại nhà. Nhưng nếu bạn có máy chủ tại nhà riêng và cần truy cập liên tục 24/7 thì đó lại là một vấn đề khác.
Có hơn chục cấp độ mảng RAID, mỗi cấp độ khác nhau về số lượng ổ đĩa được sử dụng và có những ưu và nhược điểm riêng: ví dụ: RAID 0 cho phép bạn đạt được hiệu suất cao mà không có khả năng chịu lỗi, RAID 1 cho phép bạn đạt được hiệu suất cao mà không gặp lỗi. tự động phản chiếu dữ liệu mà không cần tăng tốc độ và tổ hợp RAID 10 chứa đựng các khả năng trên. RAID 0 và 1 là đơn giản nhất (vì chúng không yêu cầu tính toán phần mềm) và do đó, phổ biến nhất. Cuối cùng, việc lựa chọn cấp độ RAID này hay cấp độ RAID khác phụ thuộc vào nhiệm vụ được giao cho mảng đĩa và khả năng của bộ điều khiển RAID.
RAID gia đình và doanh nghiệp: sự khác biệt là gì?
Cơ sở của bất kỳ hoạt động kinh doanh hiện đại nào là khối lượng lớn dữ liệu phải được lưu trữ an toàn trên máy chủ của công ty. Ngoài ra, như chúng tôi đã lưu ý ở trên, họ phải được cung cấp quyền truy cập liên tục 24/7. Rõ ràng, cùng với phần cứng, phần mềm cũng rất quan trọng, nhưng trong trường hợp này chúng ta vẫn đang nói về thiết bị đảm bảo việc lưu trữ và xử lý thông tin một cách đáng tin cậy. Không có phần mềm nào có thể cứu một công ty khỏi sự phá sản nếu phần cứng không đáp ứng được nhiệm vụ được giao.
Đối với những nhiệm vụ này, bất kỳ nhà sản xuất phần cứng nào cũng cung cấp cái gọi là thiết bị doanh nghiệp. Kingston có các giải pháp thể rắn mạnh mẽ dưới dạng mô hình SATA и , cũng như các mẫu NVMe DC1000M U.2 NVMe, DCU1000 U.2 NVMe và DCP-1000 PCI-e, được thiết kế để sử dụng trong các trung tâm dữ liệu và siêu máy tính. Mảng ổ đĩa như vậy thường được sử dụng cùng với bộ điều khiển phần cứng.
Đối với thị trường tiêu dùng (nghĩa là dành cho PC gia đình và máy chủ NAS), các ổ đĩa như NVMe PCIe, nhưng trong trường hợp này không cần thiết phải mua bộ điều khiển phần cứng. Bạn có thể giới hạn bản thân ở một máy chủ PC hoặc NAS được tích hợp trong bo mạch chủ, tất nhiên trừ khi bạn có kế hoạch tự lắp ráp một máy chủ gia đình cho các nhiệm vụ không điển hình (chẳng hạn như bắt đầu một dịch vụ lưu trữ tại nhà nhỏ cho bạn bè). Ngoài ra, mảng RAID gia đình, theo quy định, không yêu cầu hàng trăm hoặc hàng nghìn ổ đĩa, bị giới hạn ở hai, bốn và tám thiết bị (thường là SATA).
Các loại và loại bộ điều khiển RAID
Có ba loại bộ điều khiển RAID dựa trên nguyên tắc triển khai mảng RAID:
1. Phần mềm trong đó việc quản lý mảng thuộc về CPU và DRAM (nghĩa là mã chương trình được thực thi trên bộ xử lý).
2. Tích hợp, tức là được tích hợp vào bo mạch chủ của PC hoặc máy chủ NAS.
3. Phần cứng (mô-đun), là các card mở rộng rời dành cho đầu nối PCI/PCIe trên bo mạch chủ.
Sự khác biệt cơ bản của họ với nhau là gì? Bộ điều khiển RAID phần mềm kém hơn bộ điều khiển RAID tích hợp và phần cứng về hiệu suất và khả năng chịu lỗi, nhưng không yêu cầu thiết bị đặc biệt để vận hành. Tuy nhiên, điều quan trọng là phải đảm bảo rằng bộ xử lý của hệ thống máy chủ đủ mạnh để chạy phần mềm RAID mà không ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của các ứng dụng cũng đang chạy trên máy chủ. Bộ điều khiển tích hợp thường được trang bị bộ nhớ đệm riêng và sử dụng một lượng tài nguyên CPU nhất định.
Nhưng phần cứng có cả bộ nhớ đệm riêng và bộ xử lý tích hợp để thực thi các thuật toán phần mềm. Thông thường, chúng cho phép bạn triển khai tất cả các loại cấp độ RAID và hỗ trợ nhiều loại ổ đĩa cùng một lúc. Ví dụ: bộ điều khiển phần cứng hiện đại của Broadcom có thể kết nối đồng thời các thiết bị SATA, SAS và NVMe, điều này cho phép bạn không thay đổi bộ điều khiển khi nâng cấp máy chủ: đặc biệt, khi chuyển từ SSD SATA sang SSD NVMe, bộ điều khiển không cần phải thay đổi.
Trên thực tế, dựa trên lưu ý này, chúng ta đề cập đến kiểu chữ của chính bộ điều khiển. Nếu có ba chế độ thì có nên có một số chế độ khác không? Trong trường hợp này, câu trả lời cho câu hỏi này sẽ là khẳng định. Tùy thuộc vào chức năng và khả năng, bộ điều khiển RAID có thể được chia thành nhiều loại:
1. Bộ điều khiển thông thường có chức năng RAID
Trong toàn bộ hệ thống phân cấp, đây là bộ điều khiển đơn giản nhất cho phép bạn kết hợp ổ cứng HDD và SSD thành mảng RAID có cấp độ “0”, “1” hoặc “0+1”. Điều này được thực hiện theo chương trình ở cấp độ phần sụn. Tuy nhiên, những thiết bị như vậy khó có thể được khuyến khích sử dụng trong phân khúc doanh nghiệp vì chúng không có bộ đệm và không hỗ trợ mảng cấp “5”, “3”, v.v. Nhưng đối với một máy chủ gia đình cấp thấp thì chúng khá phù hợp.
2. Bộ điều khiển hoạt động song song với các bộ điều khiển RAID khác
Loại bộ điều khiển này có thể được ghép nối với bộ điều khiển bo mạch chủ tích hợp. Điều này được thực hiện theo nguyên tắc sau: bộ điều khiển RAID rời đảm nhiệm việc giải quyết các vấn đề “logic” và bộ điều khiển tích hợp đảm nhận chức năng trao đổi dữ liệu giữa các ổ đĩa. Nhưng có một sắc thái: hoạt động song song của các bộ điều khiển như vậy chỉ có thể thực hiện được trên các bo mạch chủ tương thích, điều đó có nghĩa là phạm vi ứng dụng của chúng bị hạn chế nghiêm trọng.
3. Bộ điều khiển RAID độc lập
Các giải pháp riêng biệt này chứa tất cả các chip cần thiết để hoạt động với các máy chủ cấp doanh nghiệp, có BIOS, bộ nhớ đệm và bộ xử lý riêng để sửa lỗi nhanh và tính toán tổng kiểm tra. Ngoài ra, chúng đáp ứng các tiêu chuẩn cao về độ tin cậy về mặt sản xuất và có các mô-đun bộ nhớ chất lượng cao.
4. Bộ điều khiển RAID bên ngoài
Không khó để đoán rằng tất cả các bộ điều khiển được liệt kê ở trên đều ở bên trong và nhận nguồn điện thông qua đầu nối PCIe của bo mạch chủ. Điều đó có nghĩa là gì? Và sự hỏng hóc đó của bo mạch chủ có thể dẫn đến lỗi trong hoạt động của mảng RAID và mất dữ liệu. Bộ điều khiển bên ngoài được giải phóng khỏi sự hiểu lầm này vì chúng được đặt trong một hộp riêng với nguồn điện độc lập. Về độ tin cậy, các bộ điều khiển như vậy cung cấp mức lưu trữ dữ liệu cao nhất.
, Microsemi Adaptec, Intel, IBM, Dell và Cisco chỉ là một số trong số các công ty hiện cung cấp bộ điều khiển RAID phần cứng.
Các chế độ hoạt động của bộ điều khiển RAID SAS/SATA/NVMe
Mục đích chính của bộ điều khiển HBA và RAID ba chế độ (hoặc bộ điều khiển có chức năng Ba chế độ) là tạo RAID phần cứng dựa trên NVMe. Bộ điều khiển dòng 9400 của Broadcom có thể thực hiện việc này: ví dụ: . Nó thuộc loại bộ điều khiển RAID độc lập, được trang bị bốn đầu nối SFF-8643 và nhờ hỗ trợ Tri-Mode, cho phép bạn kết nối đồng thời các ổ đĩa SATA/SAS và NVMe. Ngoài ra, nó còn là một trong những bộ điều khiển tiết kiệm năng lượng nhất trên thị trường (chỉ tiêu thụ 17 Watts năng lượng, với ít hơn 1,1 Watts cho mỗi cổng trong số 16 cổng).
Giao diện kết nối là PCI Express x8 phiên bản 3.1, cho phép thông lượng 64 Gbit/s (bộ điều khiển dành cho PCI Express 2020 dự kiến sẽ xuất hiện vào năm 4.0). Bộ điều khiển 16 cổng dựa trên chip 2 nhân và 72-bit DDR4-2133 SDRAM (4 GB), cũng như khả năng kết nối tới 240 ổ đĩa SATA/SAS hoặc tối đa 24 thiết bị NVMe. Về mặt tổ chức mảng RAID, các cấp độ “0”, “1”, “5” và “6”, cũng như “10”, “50” và “60” được hỗ trợ. Nhân tiện, bộ nhớ đệm và các bộ điều khiển khác trong dòng 9400 được bảo vệ khỏi sự cố điện áp bằng mô-đun CacheVault CVPM05 tùy chọn.
Công nghệ ba chế độ dựa trên chức năng chuyển đổi dữ liệu SerDes: chuyển đổi biểu diễn dữ liệu nối tiếp trong giao diện SAS/SATA thành dạng song song trong PCIe NVMe và ngược lại. Nghĩa là, bộ điều khiển thương lượng tốc độ và giao thức để hoạt động trơn tru với bất kỳ loại thiết bị lưu trữ nào trong ba loại thiết bị lưu trữ. Điều này mang lại một cách liền mạch để mở rộng quy mô cơ sở hạ tầng trung tâm dữ liệu: người dùng có thể sử dụng NVMe mà không cần thực hiện những thay đổi đáng kể đối với các cấu hình hệ thống khác.
Tuy nhiên, khi lập kế hoạch cấu hình với ổ NVMe, cần lưu ý rằng giải pháp NVMe sử dụng 4 làn PCIe để kết nối, nghĩa là mỗi ổ đều sử dụng tất cả các dòng cổng SFF-8643. Hóa ra chỉ có bốn ổ NVMe có thể được kết nối trực tiếp với bộ điều khiển MegaRAID 9460-16i. Hoặc giới hạn bản thân ở hai giải pháp NVMe đồng thời kết nối tám ổ SAS (xem sơ đồ kết nối bên dưới).
Hình minh họa cách sử dụng đầu nối “0” (C0 / Đầu nối 0) và đầu nối “1” cho kết nối NVMe, cũng như đầu nối “2” và “3” cho kết nối SAS. Sự sắp xếp này có thể được đảo ngược, nhưng mỗi ổ x4 NVMe phải được kết nối bằng các làn liền kề. Các chế độ vận hành của bộ điều khiển được thiết lập thông qua tiện ích cấu hình StorCLI hoặc Cơ sở hạ tầng giao diện con người (HII), hoạt động trong môi trường UEFI.
Chế độ mặc định là cấu hình “PD64” (chỉ hỗ trợ SAS/SATA). Như chúng tôi đã nói ở trên, có tổng cộng ba cấu hình: chế độ “Chế độ chỉ SAS/SATA” (PD240 / PD64 / PD 16), chế độ “Chế độ chỉ NVMe” (PCIe4) và chế độ hỗn hợp trong đó tất cả các loại ổ đĩa có thể hoạt động: “PD64 -PCIe4” (hỗ trợ 64 đĩa vật lý và ảo với 4 ổ NVMe). Ở chế độ hỗn hợp, giá trị của cấu hình được chỉ định phải là “ProfileID=13”. Nhân tiện, cấu hình đã chọn sẽ được lưu làm cấu hình chính và không được đặt lại ngay cả khi quay lại cài đặt gốc thông qua lệnh Đặt mặc định gốc. Nó chỉ có thể được thay đổi bằng tay.
Có đáng để tạo một mảng RAID trên SSD không?
Vì vậy, chúng tôi đã hiểu rằng mảng RAID là chìa khóa mang lại hiệu suất cao. Nhưng liệu việc xây dựng RAID từ SSD để sử dụng cho gia đình và công ty có đáng không? Nhiều người hoài nghi nói rằng tốc độ tăng lên không đáng kể đến mức tiêu tốn nhiều tiền vào ổ NVMe. Nhưng điều này có thực sự như vậy? Khắc nghiệt. Hạn chế lớn nhất khi sử dụng SSD trong RAID (cả ở cấp độ gia đình và cấp doanh nghiệp) có thể chỉ là giá cả. Dù người ta có thể nói gì, chi phí cho một gigabyte dung lượng trên ổ cứng HDD rẻ hơn nhiều.
Việc kết nối nhiều “ổ đĩa” trạng thái rắn với bộ điều khiển RAID để tạo mảng SSD có thể có tác động rất lớn đến hiệu suất trong một số cấu hình nhất định. Tuy nhiên, đừng quên rằng hiệu suất tối đa bị giới hạn bởi thông lượng của chính bộ điều khiển RAID. Cấp độ RAID mang lại hiệu suất tốt nhất là RAID 0.
RAID 0 thông thường với hai ổ SSD, sử dụng phương pháp chia dữ liệu thành các khối cố định và phân chia chúng trên bộ lưu trữ thể rắn, sẽ mang lại hiệu suất gấp đôi so với một ổ SSD đơn lẻ. Tuy nhiên, mảng RAID 0 có bốn ổ SSD sẽ nhanh hơn bốn lần so với ổ SSD chậm nhất trong mảng (tùy thuộc vào giới hạn băng thông ở cấp bộ điều khiển SSD RAID).
Dựa trên số học đơn giản, SSD SATA nhanh hơn khoảng 3 lần so với HDD SATA truyền thống. Các giải pháp NVMe thậm chí còn hiệu quả hơn – gấp 10 lần hoặc hơn. Với điều kiện là hai ổ cứng trong RAID cấp 50 có hiệu suất gấp đôi, tăng 6%, hai ổ SSD SATA sẽ nhanh hơn 20 lần và hai ổ SSD NVMe sẽ nhanh hơn 2000 lần. Đặc biệt, một ổ PCIe Kingston KC3200 NVMe có thể đạt tốc độ đọc ghi tuần tự lên tới 0 MB/s, trong đó ở định dạng RAID 6 sẽ đạt tốc độ ấn tượng 4 GB/s. Và tốc độ đọc/ghi của các khối ngẫu nhiên có kích thước 350 KB sẽ chuyển từ 000 IOPS xuống 700 IOPS. Nhưng... đồng thời, RAID "không" không cung cấp cho chúng ta khả năng dự phòng.
Có thể nói, trong môi trường gia đình, dự phòng lưu trữ thường không cần thiết nên cấu hình RAID phù hợp nhất cho SSD thực sự là RAID 0. Đó là một cách đáng tin cậy để có được những cải thiện hiệu suất đáng kể thay thế cho việc sử dụng các công nghệ như Intel Optane SSD. Tuy nhiên, chúng tôi sẽ nói về cách hoạt động của các giải pháp SSD trong các loại RAID phổ biến nhất (“1”, “5”, “10”, “50”) trong bài viết tiếp theo của chúng tôi.
Bài viết này được chuẩn bị với sự hỗ trợ của các đồng nghiệp của chúng tôi tại Broadcom, những người cung cấp bộ điều khiển của họ cho các kỹ sư của Kingston để thử nghiệm với các ổ đĩa SATA/SAS/NVMe cấp doanh nghiệp. Nhờ sự cộng sinh thân thiện này, khách hàng không phải nghi ngờ về độ tin cậy và ổn định của ổ đĩa Kingston với bộ điều khiển HBA và RAID từ quá trình sản xuất. .
Để biết thêm thông tin về các sản phẩm của Kingston, vui lòng truy cập công ty
Nguồn: www.habr.com