Привет Хабр! В этой статье мы расскажем, стоит ли организовывать RAID-массивы на базе твердотельных решений SATA SSD и NVMe SSD и будет ли от этого серьезная прибыль? Мы решили разобраться в этом вопросе, рассмотрев виды и типы контроллеров, позволяющих это сделать, а также сферы применения таких конфигураций.
Так или иначе, каждый из нас хотя бы раз в жизни слышал такие определения, как «RAID», «RAID-массив», «RAID-контроллер», но вряд ли мы придавали этому серьёзное значение, ведь всё это вряд ли для обычного ПК боярина Интересно.
Но всем хочется высоких скоростей от внутренних накопителей и безотказной работы.
В конце концов, каким бы мощным ни было аппаратное обеспечение компьютера, скорость накопителя становится узким местом, когда речь идет о совместной производительности ПК и сервера.
Так было до тех пор, пока традиционные жесткие диски не были заменены современными твердотельными накопителями NVMe с сопоставимой емкостью 1 ТБ и более.
И если раньше в ПК часто встречались комбинации SATA SSD + пара емких HDD, то сегодня их начинает заменять другое решение — NVMe SSD + пара емких SATA SSD. Если говорить о корпоративных серверах и «облаках», то многие уже успешно перешли на SATA SSD просто потому, что они быстрее обычных «консервных банок» и способны обрабатывать большее количество операций ввода-вывода одновременно.
Однако отказоустойчивость системы пока находится на достаточно низком уровне: мы не можем, как в «Битве экстрасенсов», предсказать с точностью даже до недели, когда тот или иной твердотельный накопитель умрет. И если HDD «умирают» постепенно, позволяя уловить симптомы и принять меры, то SSD «умирают» сразу и без предупреждения.
И теперь самое время разобраться, зачем все это вообще нужно? Стоит ли организовывать RAID-массивы на базе твердотельных решений SATA SSD и NVMe SSD и будет ли от этого серьезная прибыль?
Зачем вам нужен RAID-массив?
Само слово «массив» уже подразумевает, что для его создания используется несколько накопителей (HDD и SSD), которые объединяются с помощью RAID-контроллера и распознаются ОС как единое хранилище данных.Глобальная задача, которую могут решить RAID-массивы, — минимизация времени доступа к данным, повышение скорости чтения/записи и надежности, что достигается благодаря возможности быстрого восстановления в случае сбоя.
Кстати, для домашнего резервного копирования вовсе не обязательно использовать RAID. А вот если у вас есть свой домашний сервер, к которому вам нужен постоянный доступ 24/7 – другое дело.
Существует более десятка уровней RAID-массивов, каждый из которых отличается количеством используемых в нем дисков и имеет свои плюсы и минусы: например, RAID 0 позволяет получить высокую производительность без отказоустойчивости, RAID 1 позволяет автоматическое зеркалирование данных без увеличения скорости, а RAID 10 сочетает в себе возможности вышеперечисленного.
RAID 0 и 1 — самые простые (поскольку не требуют программных вычислений) и, как следствие, самые популярные.
В конечном итоге выбор в пользу того или иного уровня RAID зависит от задач, возложенных на дисковый массив, и возможностей RAID-контроллера.
Домашний и корпоративный RAID: в чем разница?
Основа любого современного бизнеса — большие объемы данных, которые необходимо надежно хранить на серверах компании.А также, как мы отметили выше, им необходимо обеспечить постоянный доступ 24/7. Понятно, что наряду с аппаратной частью важна и программная часть, но в данном случае речь все же идет об оборудовании, обеспечивающем надежное хранение и обработку информации.
Никакое программное обеспечение не спасет компанию от разорения, если оборудование не соответствует поставленным перед ним задачам.
Для этих задач любой производитель оборудования предлагает так называемые корпоративные устройства.
Kingston предлагает мощные твердотельные решения в виде моделей SATA. Кингстон 450Р (DC450R) И Серия DC500 , а также модели NVMe DC1000M U.2 NVMe, DCU1000 U.2 NVMe и DCP-1000 PCI-e, предназначенные для использования в центрах обработки данных и суперкомпьютерах.
Массивы таких накопителей обычно используются совместно с аппаратными контроллерами.
Для потребительского рынка (то есть для домашних ПК и NAS-серверов) подходят такие накопители, как Кингстон КС2000 NVMe PCIe, но в этом случае покупать аппаратный контроллер не обязательно.
Можно ограничиться ПК или NAS-сервером, встроенным в материнскую плату, если конечно вы не планируете самостоятельно собирать домашний сервер для нетипичных задач (запуск небольшого домашнего хостинга для друзей, например).
Кроме того, домашние RAID-массивы, как правило, не требуют сотен и тысяч накопителей, ограничиваясь двумя, четырьмя и восемью устройствами (обычно SATA).
Виды и типы RAID-контроллеров
Существует три типа RAID-контроллеров, основанных на принципах реализации RAID-массивов: 1. Программное обеспечение, в котором управление массивом ложится на CPU и DRAM (то есть программный код выполняется на процессоре).2. Интегрированный, то есть встроенный в материнскую плату ПК или NAS-сервера.
3. Аппаратные (модульные), представляющие собой дискретные карты расширения для разъемов PCI/PCIe на материнских платах.
В чем их принципиальное отличие друг от друга? Программные RAID-контроллеры уступают встроенным и аппаратным по производительности и отказоустойчивости, но не требуют для работы специального оборудования.
Однако важно убедиться, что процессор хост-системы достаточно мощный для запуска программного обеспечения RAID без негативного влияния на производительность приложений, которые также работают на хосте.
Интегрированные контроллеры обычно оснащены собственной кэш-памятью и используют определенное количество ресурсов ЦП.
А вот аппаратные имеют как собственную кэш-память, так и встроенный процессор для выполнения программных алгоритмов.
Как правило, они позволяют реализовать все типы уровней RAID и поддерживают сразу несколько типов накопителей.
Например, современные аппаратные контроллеры от Broadcom могут одновременно подключать устройства SATA, SAS и NVMe, что позволяет не менять контроллер при обновлении серверов: в частности, при переходе с SATA SSD на NVMe SSD контроллеры менять не придется.
Собственно, на этой ноте мы подходим к типологии самих контроллеров.
Если есть трехрежимные, то должны ли быть еще какие-то? В этом случае ответ на этот вопрос будет утвердительным.
В зависимости от функций и возможностей RAID-контроллеры можно разделить на несколько типов: 1. Обычные контроллеры с функцией RAID. Во всей иерархии это самый простой контроллер, позволяющий объединять HDD и SSD в RAID-массивы уровней «0», «1» или «0+1».
Это реализовано программно на уровне прошивки.
Однако такие устройства вряд ли можно рекомендовать к использованию в корпоративном сегменте, поскольку они не имеют кэша и не поддерживают массивы уровней «5», «3» и т. д. А вот для домашнего сервера начального уровня они вполне подходят. подходящий.
2. Контроллеры, работающие в тандеме с другими RAID-контроллерами.
Этот тип контроллера можно использовать в паре со встроенными контроллерами материнской платы.
Реализовано это по следующему принципу: дискретный RAID-контроллер берет на себя решение «логических» задач, а встроенный берет на себя функции обмена данными между накопителями.
Но есть нюанс: параллельная работа таких контроллеров возможна только на совместимых материнских платах, а значит, сфера их применения серьезно ограничена.
3. Автономные RAID-контроллеры.
Эти дискретные решения содержат на борту все необходимые микросхемы для работы с серверами корпоративного класса, имеют собственный BIOS, кэш-память и процессор для быстрой коррекции ошибок и расчета контрольных сумм.
Кроме того, они соответствуют высоким стандартам надежности с точки зрения производства и имеют качественные модули памяти.
4. Внешние RAID-контроллеры Нетрудно догадаться, что все перечисленные выше контроллеры являются внутренними и получают питание через разъем PCIe материнской платы.
Что это значит? И именно выход из строя материнской платы может привести к ошибкам в работе RAID-массива и потере данных.
Внешние контроллеры избавлены от этого недоразумения, поскольку размещены в отдельном корпусе с независимым источником питания.
С точки зрения надежности такие контроллеры обеспечивают высочайший уровень хранения данных.
Бродком , Microsemi Adaptec, Intel, IBM, Dell и Cisco — это лишь некоторые из компаний, которые в настоящее время предлагают аппаратные RAID-контроллеры.
Режимы работы RAID-контроллеров SAS/SATA/NVMe
Основное назначение трехрежимных контроллеров HBA и RAID (или контроллеров с функцией Tri-Mode) — создание аппаратного RAID на базе NVMe. Контроллеры Broadcom серии 9400 могут это сделать: например, МегаРАИД 9460-16i .Он относится к самостоятельному типу RAID-контроллера, оснащен четырьмя разъемами SFF-8643 и благодаря поддержке Tri-Mode позволяет одновременно подключать накопители SATA/SAS и NVMe. Кроме того, это также один из самых энергоэффективных контроллеров на рынке (потребление всего 17 Вт энергии, при этом на каждый из 16 портов приходится менее 1,1 Вт).
Интерфейс подключения — PCI Express x8 версии 3.1, обеспечивающий пропускную способность 64 Гбит/с (контроллеры для PCI Express 4.0 ожидаются в 2020 году).
16-портовый контроллер основан на 2-ядерном чипе.
САС3516 и 72-битной DDR4-2133 SDRAM (4 ГБ), а также возможность подключения до 240 накопителей SATA/SAS или до 24 устройств NVMe. С точки зрения организации RAID-массивов поддерживаются уровни «0», «1», «5» и «6», а также «10», «50» и «60».
Кстати, кэш-память МегаРАИД 9460-16i и другие контроллеры серии 9400 защищены от сбоев напряжения с помощью дополнительного модуля CacheVault CVPM05. Трехрежимная технология основана на функции преобразования данных SerDes: преобразование последовательного представления данных в интерфейсах SAS/SATA в параллельную форму в PCIe NVMe и наоборот. То есть контроллер согласовывает скорости и протоколы для бесперебойной работы с любым из трех типов устройств хранения данных.
Это обеспечивает простой способ масштабирования инфраструктуры центров обработки данных: пользователи могут использовать NVMe без внесения существенных изменений в другие конфигурации системы.
Однако при планировании конфигураций с накопителями NVMe стоит учитывать, что решения NVMe используют для подключения 4 линии PCIe, а это значит, что каждый накопитель использует все линии портов SFF-8643. Получается, что напрямую к контроллеру MegaRAID 9460-16i можно подключить только четыре накопителя NVMe. Или ограничьтесь двумя решениями NVMe, одновременно подключив восемь накопителей SAS (см.
схему подключения ниже).
На рисунке показано использование разъема «0» (C0/Connector 0) и разъема «1» для подключений NVMe, а также разъемов «2» и «3» для подключений SAS. Эту схему можно изменить, но каждый диск NVMe x4 должен быть подключен по соседним линиям.
Режимы работы контроллера задаются с помощью утилит настройки StorCLI или Human Interface Infrastructure (HII), которые работают в среде UEFI. 
Режим по умолчанию — профиль «PD64» (поддерживается только SAS/SATA).
Как мы говорили выше, всего профилей три: режим «Только SAS/SATA» (PD240/PD64/PD 16), режим «Только NVMe» (PCIe4) и смешанный режим, в котором работают все типы накопителей.
может работать: «PD64 -PCIe4» (поддержка 64 физических и виртуальных дисков с 4 NVMe-накопителями).
В смешанном режиме значение указанного профиля должно быть «ProfileID=13».
Кстати, выбранный профиль сохраняется как главный и не сбрасывается даже при возврате к заводским настройкам через команду Set Factory Defaults. Изменить его можно только вручную.
Стоит ли создавать RAID-массив на SSD?
Итак, мы уже поняли, что RAID-массивы – это залог высокой производительности.Но стоит ли строить RAID из SSD для домашнего и корпоративного использования? Многие скептики говорят, что прирост скорости не настолько значителен, чтобы тратиться на NVMe-накопители.
Но так ли это на самом деле? Едва ли.
Самым большим ограничением использования твердотельных накопителей в RAID (как дома, так и на уровне предприятия) может быть только цена.
Как ни крути, стоимость гигабайта места на HDD гораздо дешевле.
Подключение нескольких твердотельных «накопителей» к RAID-контроллеру для создания SSD-массива может оказать огромное влияние на производительность в определенных конфигурациях.
Однако не стоит забывать, что максимальная производительность ограничена пропускной способностью самого RAID-контроллера.
Уровень RAID, обеспечивающий наилучшую производительность, — это RAID 0. 
Обычный RAID 0 с двумя твердотельными накопителями, в котором используется метод разделения данных на фиксированные блоки и их распределения по твердотельному накопителю, приведет к удвоению производительности по сравнению с одним твердотельным накопителем.
Однако массив RAID 0 с четырьмя SSD уже будет в четыре раза быстрее, чем самый медленный SSD в массиве (в зависимости от ограничения пропускной способности на уровне RAID-контроллера SSD).
Если исходить из простой арифметики, твердотельный накопитель SATA примерно в 3 раза быстрее традиционного жесткого диска SATA. Решения NVMe еще эффективнее — в 10 и более раз.
При условии, что два жёстких диска в RAID нулевого уровня покажут удвоенную производительность, увеличив её на 50%, два SATA SSD будут в 6 раз быстрее, а два NVMe SSD — в 20 раз быстрее.
В частности, один диск Kingston KC2000 NVMe PCIe может достигать скорости последовательного чтения и записи до 3200 МБ/с, что в формате RAID 0 достигнет впечатляющих 6 ГБ/с.
А скорость чтения/записи случайных блоков размером 4 КБ превратится с 350 000 IOPS до 700 000 IOPS. Но… в то же время «нулевой» RAID не обеспечивает нам избыточности.
Можно сказать, что в домашних условиях резервирование хранилища обычно не требуется, поэтому наиболее подходящей конфигурацией RAID для твердотельных накопителей действительно становится RAID 0. Это надежный способ получить значительный прирост производительности в качестве альтернативы использованию таких технологий, как Intel Optane- на базе SSD. Но о том, как ведут себя SSD-решения в самых популярных типах RAID («1», «5», «10», «50»), мы поговорим в нашей следующей статье.
Эта статья подготовлена при поддержке наших коллег из Broadcom, которые предоставляют свои контроллеры инженерам Kingston для тестирования с дисками SATA/SAS/NVMe корпоративного класса.
Благодаря этому дружественному симбиозу клиентам не придется сомневаться в надежности и стабильности накопителей Kingston с выпускаемыми HBA и RAID-контроллерами.
Бродком .
Для получения дополнительной информации о продукции Kingston посетите сайт на официальном сайте компании.
Теги: #центр обработки данных #ИТ-инфраструктура #Хранилище данных #Высокая производительность #Накопители #Kingston #raid #controller #server Solution #raid Controller #drive #ssd disk
-
Убить Посланника (Сервис))
19 Oct, 24 -
Как Насчет Головоломки?!
19 Oct, 24 -
Проектирование Планеты, Удобной Для Землян
19 Oct, 24 -
Требуется Веб-Евангелист
19 Oct, 24 -
Мир Ищет Забывчивую Блондинку
19 Oct, 24
