你好哈布爾！ 在這篇文章中，我們將告訴您是否值得基於固態解決方案SATA SSD和NVMe SSD來組織RAID陣列，並且會從中獲得可觀的利潤嗎？ 我們決定透過考慮允許完成此操作的控制器的類型和類型以及此類配置的應用範圍來研究這個問題。
無論如何，我們每個人一生中都至少聽過“RAID”、“RAID陣列”、“RAID控制器”這樣的定義，但我們不太可能認真重視這一點，因為這一切都是對於普通電腦男孩來說不太可能有趣。 但每個人都希望內部驅動器具有高速度和無故障運行。 畢竟，無論電腦的硬體多麼強大，當涉及到PC和伺服器的綜合效能時，驅動器的速度都成為瓶頸。
情況確實如此，直到傳統 HDD 被具有 1 TB 或更大容量的現代 NVMe SSD 取代。 如果早期的 PC 經常採用 SATA SSD + 幾個大容量 HDD 的組合，那麼今天它們開始被另一個解決方案所取代 - NVMe SSD + 幾個大容量 SATA SSD。 如果我們談論企業伺服器和“雲端”，許多企業已經成功遷移到 SATA SSD，只是因為它們比傳統的“錫罐”更快，並且能夠同時處理大量 I/O 作業。
然而，系統的容錯能力仍然處於相當低的水平：我們無法像「通靈之戰」那樣，以長達一周的準確度預測特定固態硬碟何時會失效。 如果 HDD 逐漸“死亡”，讓您發現症狀並採取行動，那麼 SSD 會立即“死亡”，而且不會發出任何警告。 現在是時候弄清楚為什麼需要這一切了？ 基於固態解決方案SATA SSD和NVMe SSD來組織RAID陣列是否值得，並且會從中獲得可觀的利潤嗎？
為什麼需要 RAID 陣列？
「陣列」這個詞本身就意味著使用多個驅動器（HDD 和 SSD）來創建它，這些驅動器使用 RAID 控制器組合起來，並被作業系統識別為單一資料儲存。 RAID陣列可以解決的全域任務是最大限度地減少資料存取時間，提高讀取/寫入速度和可靠性，這是由於在發生故障時能夠快速恢復的能力而實現的。 順便說一句，家庭備份根本沒有必要使用 RAID。 但如果您有自己的家庭伺服器，需要 24/7 持續訪問，那就另當別論了。
RAID 陣列有十幾個級別，每個級別的不同之處在於所使用的驅動器數量不同，並且各有優缺點：例如，RAID 0 可以讓您獲得高性能而沒有容錯能力，RAID 1 可以讓您在在不提高速度的情況下自動鏡像數據，而RAID 10結合了以上的可能性。 RAID 0 和 1 是最簡單的（因為它們不需要軟體計算），因此也是最受歡迎的。 最終，選擇一種或另一種 RAID 等級取決於指派給磁碟陣列的任務以及 RAID 控制器的功能。
家庭和企業 RAID：有什麼區別？
任何現代業務的基礎都是大量數據，這些數據必須安全地儲存在公司伺服器上。 而且，正如我們上面提到的，必須為他們提供 24/7 持續訪問。 顯然，除了硬體之外，軟體部分也很重要，但在這種情況下，我們仍然討論確保可靠地儲存和處理資訊的設備。 如果硬體無法滿足分配給它的任務，任何軟體都無法使公司免於破產。
對於這些任務，任何硬體製造商都會提供所謂的企業設備。 金士頓擁有強大的 SATA 型號固態解決方案 и ，以及 NVMe 型號 DC1000M U.2 NVMe、DCU1000 U.2 NVMe 和 DCP-1000 PCI-e，適用於資料中心和超級電腦。 此類驅動器陣列通常與硬體控制器結合使用。
對於消費市場（即家用 PC 和 NAS 伺服器），諸如 NVMe PCIe，但在這種情況下沒有必要購買硬體控制器。 您可以將自己限制在主機板內建的 PC 或 NAS 伺服器上，當然，除非您打算自行組裝家庭伺服器來執行非典型任務（例如，為朋友啟動小型家庭託管）。 此外，家庭 RAID 陣列通常不需要數百或數千個驅動器，僅限於兩個、四個和八個設備（通常是 SATA）。
RAID 控制器的類型和類型
根據 RAID 陣列的實作原理，RAID 控制器分為三種類型：
1.軟體，其中陣列管理落在CPU和DRAM上（即程式碼在處理器上執行）。
2. Интегрированные, то бишь встроенные в материнские платы ПК или NAS-сервера.
3. 硬體（模組化），是主機板上 PCI/PCIe 連接器的分立擴充卡。
它們之間的根本差異是什麼？ 軟體RAID控制器在性能和容錯方面不如整合控制器和硬體控制器，但不需要特殊設備來操作。 然而，重要的是要確保主機系統的處理器足夠強大，可以運行 RAID 軟體，而不會對主機上運行的應用程式的效能產生負面影響。 整合控制器通常配備自己的高速緩存並使用一定量的CPU資源。
А вот аппаратные обладают и собственной кэш-памятью, и встроенным процессором для выполнения программных алгоритмов. Обычно они позволяют реализовать все виды уровней RAID-массивов и поддерживают сразу несколько видов накопителей. Например, к современным аппаратным контроллерам компании Broadcom можно одновременно подключать SATA-, SAS- и NVMe-устройства, что позволяет не менять контроллер при апгрейде серверов: в частности, при переезде с SATA SSD на NVMe SSD контроллеры менять не придется.
實際上，在這一點上我們討論了控制器本身的類型。 如果有三模的話，是不是應該還有其他的？ 在這種情況下，這個問題的答案將是肯定的。 根據功能和能力，RAID控制器可以分為以下幾種類型：
1、有RAID功能的普通控制器
在整個層次結構中，這是最簡單的控制器，可讓您將 HDD 和 SSD 組合成等級「0」、「1」或「0+1」的 RAID 陣列。 這是在韌體層級以程式設計方式實現的。 然而，此類設備很難推薦在企業領域使用，因為它們沒有緩存，也不支援「5」、「3」等級別的陣列。 但對於入門級家庭伺服器來說它們非常合適。
2. 與其他 RAID 控制器協同工作的控制器
這種類型的控制器可以與整合主機板控制器配對。 這是根據以下原則實現的：一個獨立的 RAID 控制器負責解決「邏輯」問題，而內建控制器則接管驅動器之間的資料交換功能。 但有一個細微差別：此類控制器只能在相容的主機板上並行操作，這意味著它們的應用範圍受到嚴重限制。
3. 獨立 RAID 控制器
這些分立解決方案板載了與企業級伺服器配合使用所需的所有晶片，擁有自己的 BIOS、高速緩存和處理器，用於快速糾錯和校驗和運算。 此外，它們在製造方面滿足高可靠性標準，並擁有高品質的記憶體模組。
4. 外部 RAID 控制器
不難猜測，上面列出的所有控制器都是內建的，並透過主機板的 PCIe 連接器接收電源。 這是什麼意思？ 而主機板的故障會導致RAID陣列運作錯誤和資料遺失。 外部控制器不受這種誤解，因為它們安裝在具有獨立電源的單獨外殼中。 在可靠性方面，此類控制器提供最高等級的資料儲存。
、Microsemi Adaptec、英特爾、IBM、戴爾和思科只是目前提供硬體 RAID 控制器的幾家公司。
RAID控制器工作模式 SAS/SATA/NVMe
三模式 HBA 和 RAID 控制器（或具有三模式功能的控制器）的主要用途是建立基於 NVMe 的硬體 RAID。 Broadcom 的 9400 系列控制器可以做到這一點：例如， 。 它屬於獨立類型的 RAID 控制器，配備四個 SFF-8643 連接器，並且由於 Tri-Mode 支持，允許您同時連接 SATA/SAS 和 NVMe 驅動器。 此外，它也是市場上最節能的控制器之一（僅消耗 17 瓦能源，1,1 個連接埠每個連接埠的能源消耗不到 16 瓦）。
Интерфейсом подключения служит PCI Express x8 версии 3.1, что позволяет реализовать пропускную способность на уровне 64 Гбит/с (в 2020 году ожидается появление контроллеров для PCI Express 4.0). В основе 16-портового контроллера лежит 2-ядерный чип 和 72 位元 DDR4-2133 SDRAM (4 GB)，以及連接最多 240 個 SATA/SAS 硬碟或最多 24 個 NVMe 裝置的能力。 在組織RAID陣列方面，支援等級“0”、“1”、“5”和“6”，以及“10”、“50”和“60”。 順便說一句，緩存 選購的 CacheVault CVPM9400 模組可防止 05 系列中的控制器和其他控制器電壓故障。
三模式技術基於SerDes資料轉換功能：將SAS/SATA介面中資料的串列表示形式轉換為PCIe NVMe中的平行形式，反之亦然。 也就是說，控制器協商速度和協議，以便與三種類型的儲存設備中的任何一種無縫協作。 這提供了一種無縫的方式來擴展資料中心基礎架構：使用者可以使用 NVMe，而無需對其他系統配置進行重大變更。
然而，在規劃 NVMe 驅動器配置時，值得考慮的是 NVMe 解決方案使用 4 個 PCIe 通道進行連接，這意味著每個驅動器使用 SFF-8643 連接埠的所有線路。 事實證明，只有四個 NVMe 驅動器可以直接連接到 MegaRAID 9460-16i 控制器。 或限制自己使用兩個 NVMe 解決方案，同時連接八個 SAS 磁碟機（請參閱下面的連接圖）。
此圖顯示了用於 NVMe 連接的連接器「0」（C0/連接器 0）和連接器「1」以及用於 SAS 連接的連接器「2」和「3」。 這種安排可以顛倒過來，但每個 x4 NVMe 驅動器必須使用相鄰通道進行連接。 控制器操作模式透過 StorCLI 或人機介面基礎設施 (HII) 配置公用程式進行設置，該實用程式在 UEFI 環境中運作。
預設模式為“PD64”設定檔（僅支援 SAS/SATA）。 正如我們上面所說，共有三種設定檔：「僅 SAS/SATA 模式」模式（PD240 / PD64 / PD 16）、「僅 NVMe 模式」（PCIe4）模式以及所有類型磁碟機的混合模式。可以操作：「 PD64 -PCIe4」（支援64 個實體和虛擬磁碟，附4 個NVMe 磁碟機）。 在混合模式下，指定的設定檔的值應為「ProfileID=13」。 順便說一句，所選設定檔將保存為主配置文件，即使透過「設定出廠預設值」命令返回出廠設定也不會重置。 只能手動更改。
值得在 SSD 上建立 RAID 陣列嗎？
所以，我們已經明白RAID陣列是高效能的關鍵。 但是，是否值得使用 SSD 為家庭和企業使用建置 RAID？ 許多懷疑論者表示，速度的提升並沒有那麼顯著，以至於需要在 NVMe 驅動器上大肆揮霍。 但事實真的是這樣嗎？ 幾乎不。 在 RAID 中使用 SSD（家庭級和企業級）的最大限制可能是價格。 不管人們怎麼說，硬碟上一千兆位元組空間的成本要便宜得多。
將多個固態「磁碟機」連接到 RAID 控制器以建立 SSD 陣列可能會對某些配置的效能產生巨大影響。 但是，請不要忘記最大效能受到 RAID 控制器本身吞吐量的限制。 提供最佳效能的 RAID 等級是 RAID 0。
具有兩個 SSD 的傳統 RAID 0 採用將資料拆分為固定區塊並將其跨固態儲存條帶化的方法，與單一 SSD 相比，效能將提高一倍。 然而，具有四個 SSD 的 RAID 0 陣列已經比陣列中最慢的 SSD 快四倍（取決於 RAID SSD 控制器等級的頻寬限制）。
根據簡單的算術，SATA SSD 的速度大約是傳統 SATA HDD 的 3 倍。 NVMe 解決方案的效率甚至更高—10 倍或更多。 假設零級 RAID 中的兩個硬碟表現出雙倍的效能，即提高 50%，則兩個 SATA SSD 將快 6 倍，兩個 NVMe SSD 將快 20 倍。 特別是，單一金士頓 KC2000 NVMe PCIe 硬碟可實現高達 3200 MB/s 的順序讀寫速度，在 RAID 0 格式下將達到令人印象深刻的 6 GB/s。 4KB大小的隨機區塊的讀寫速度將從350 IOPS變為000 IOPS。 但是……同時，「零」RAID 並沒有為我們提供冗餘。
可以說，在家庭環境中，通常不需要儲存冗餘，因此最適合 SSD 的 RAID 配置真正成為 RAID 0。作為使用基於 Intel Optane 等技術的替代方案，這是獲得顯著性能提升的可靠方法固態硬碟。 但我們將在下一篇文章中討論 SSD 解決方案在最受歡迎的 RAID 類型（「1」、「5」、「10」、「50」）中的表現。
本文是在我們 Broadcom 同事的支持下編寫的，他們向金士頓工程師提供他們的控制器，用於使用企業級 SATA/SAS/NVMe 驅動器進行測試。 由於這種友好的共生關係，客戶在生產時不必懷疑帶有 HBA 和 RAID 控制器的金士頓硬盤的可靠性和穩定性。 .
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來源： www.habr.com