Autor: Kimberly Robinson, inżynier ds. wydajności, LSI Corporation
Wraz z pojawieniem się technologii dysków SSD, malejącymi kosztami szybkiej pamięci ulotnej, niskim kosztem SATA i niezawodnością SAS, optymalna organizacja i integracja nowych technologii pamięci masowej stała się trudniejsza. Istnieją możliwości przechowywania często używanych, „gorących” danych na szybszych nośnikach o niższym opóźnieniu, a jednocześnie przechowywania rzadko używanych danych na nośnikach o wyższym opóźnieniu i niższych kosztach.
Dzięki wszystkim tym opcjom dostępnym dla specjalistów IT zajmujących się pamięcią masową, istnieje ogromna szansa na innowacyjne wykorzystanie wskaźników kosztów, wydajności i pojemności do określenia idealnej lokalizacji danych użytkowników. W tym artykule omówimy, jak warstwowanie pamięci masowej może znacząco poprawić wydajność i niezawodność w mieszanych środowiskach pamięci masowej, uzupełniając i rozszerzając pamięć podręczną systemu operacyjnego hosta, jednocześnie optymalizując koszty.
Dzisiejsze serwery oferują wiele różnych funkcji i, choć można generalizować, każda aplikacja generuje własną, unikalną charakterystykę obciążenia. Ponadto, zapotrzebowanie na wydajność zależy od bieżącego obciążenia i ewentualnych wymagań dotyczących jakości usług (QoS). Środowiska pamięci masowej oferują więcej opcji niż kiedykolwiek wcześniej, umożliwiając lepszą personalizację, ale jednocześnie zwiększają złożoność i utrudniają planowanie wydajności pamięci masowej. Planowanie wydajności wymaga znajomości cech wejścia/wyjścia aplikacji, wymagań dotyczących wzrostu pojemności i wydajności, charakterystyki wydajności dysków i pamięci masowej, potrzeb w zakresie ochrony danych oraz budżetu firmy.
Więcej opcji = większa kontrola
Nowoczesne kontrolery pamięci masowej oferują mnóstwo opcji: nowe i złożone typy RAID, funkcje premium, zaawansowane opcje pamięci podręcznej oraz warianty sprzętowego odciążania, dopasowane do każdego budżetu. Dzisiejsze zaawansowane procesory wbudowane sprawiły, że inteligentne kontrolery pamięci masowej stały się jeszcze bardziej wydajne, umożliwiając im rozszerzanie swoich możliwości i transformację wraz z rozwojem nowych technologii.
Technologie dyskowe nie są wyjątkiem od boomu na nowe rozwiązania. Interfejs Serial Attached SCSI (SAS) został zaprojektowany z myślą o integracji interfejsów SATA i SAS, dzięki czemu oba interfejsy można łączyć, tworząc niestandardowe zaplecze pamięci masowej, dostosowane do indywidualnych potrzeb w zakresie kosztów i wydajności. Popularność SATA wynika przede wszystkim z doskonałego wskaźnika kosztu do pojemności, jednak z punktu widzenia wydajności zapewnia najniższą ogólną wydajność. SAS zapewnia znacznie wyższą wydajność i lepszą niezawodność, ale przy wyższych kosztach. Inną opcją są technologie dysków półprzewodnikowych (SSD), dostępne zarówno z interfejsami SATA, jak i SAS. Dyski SSD zapewniają zdumiewająco wyższą wydajność losową niż nośniki obrotowe, ale przy wyższej cenie.
Do złożoności dochodzą wyniki wydajności dla różnych typów RAID. Optymalizacja pod kątem obciążenia wymaga zrozumienia specyficznych charakterystyk wejścia/wyjścia i umiejętności mapowania ich na idealny typ RAID w oparciu o potrzeby dotyczące dostępności.
Jeśli skupimy się na RAID 10, wyraźnie widać, że niektóre typy dysków lepiej sprawdzają się w różnych zastosowaniach, a dyski SSD kosztują średnio około 6.5 raza więcej niż dyski SAS 15 tys. obr./min 6 Gb. Jednak nie wszystkie aplikacje zapewniają 6.5-krotny wzrost rzeczywistej wydajności.
Każdy specjalista IT prawdopodobnie zadał sobie kiedyś pytanie: „Ile dysków obrotowych potrzeba, aby zapewnić taką samą wydajność, jak wydajny dysk SSD?”. To świetny tok rozumowania, jednak w rzeczywistości prawdopodobnie tylko część rzeczywistej pojemności pamięci masowej będzie wykorzystywana w danym momencie. Architektury pamięci podręcznej są z powodzeniem projektowane w oparciu o to założenie od dziesięcioleci. A co, gdyby można było zbudować pamięć masową z różnych nośników o różnych kosztach i parametrach wydajności?
To staje się zbyt trudne
Dostawcy pamięci masowych zdają sobie sprawę, że w obliczu powszechności niejednolitych architektur nośników, warstwowanie zapewnia najlepsze możliwe rozwiązania. Warstwowanie pamięci masowej to prosta koncepcja: najczęściej używane dane umieszczane są na najszybszych dostępnych nośnikach, a nieużywane dane na wolniejszych. Warstwowanie różni się od buforowania tym, że pojemność wszystkich uczestniczących dysków logicznych może być wykorzystana do przechowywania danych użytkownika. Chociaż nie jest to nowa koncepcja, tradycyjnie nie jest ona częścią inteligentnej pamięci masowej, ale przełomowa technologia dysków SSD otworzyła nowe możliwości.
Przyjrzyjmy się przykładowi, jak warstwowanie pamięci masowej może pomóc w środowisku baz danych. Firma ACME projektuje nowy serwer SQL Server i na podstawie swoich dotychczasowych doświadczeń dysponuje następującymi informacjami.
- 4 terabajty pamięci masowej
- 3% to pliki gorące (~125 GB), z których korzysta się w 65% przypadków.
- 6% jest używane sporadycznie (~250 GB) przez 25% czasu
- Reszta to zimne dane, do których dostęp uzyskuje się w 10% przypadków.
- Dostęp do bazy danych odbywa się w rozmiarach 8 KB, a stosunek odczytu do zapisu wynosi około 2:1.
- Osiem gniazd jest dostępnych na dyski.
Idealnym, ekonomicznym rozwiązaniem, które pozwoliłoby nam osiągnąć 4 TB, byłoby stworzenie logicznego urządzenia zapewniającego wymaganą wydajność dla każdej warstwy danych, zarówno pod względem liczby operacji wejścia/wyjścia na sekundę, jak i czasu reakcji.
Rozważmy alternatywne rozwiązania w postaci dysków homogenicznych.
Poniżej znajduje się podsumowanie porównania trzech opcji infrastruktury pamięci masowej. Opcja wielowarstwowa nie tylko zapewnia niższy koszt transakcji w bazie danych, ale także zapewnia ponad sześciokrotnie większą wydajność IOPS niż rozwiązanie oparte wyłącznie na SATA i ponad trzykrotnie większą niż rozwiązanie oparte wyłącznie na SAS, przy większej pojemności niż pozostałe propozycje.
Wiele rozwiązań można zbudować w oparciu o ograniczenia wydajności, kosztów, pojemności lub przestrzeni dyskowej. To tylko jeden przykład, który wyraźnie pokazuje korzyści finansowe płynące z rozwiązania wielowarstwowego. Oczywiście można to zrobić ręcznie, zakładając: że wiesz dokładnie, które pliki będą intensywnie wykorzystywane; masz możliwość fizycznego rozdzielenia ich na różne nośniki; a dane „gorące” nie są przejściowe ani dynamiczne.
Zalety i wady warstwowania pamięci masowej
Warstwowanie pamięci masowej oferuje najlepsze z możliwych rozwiązań. Dzięki wykorzystaniu wielu rodzajów nośników można zoptymalizować koszty i wydajność, a także zaoszczędzić dotychczasową przestrzeń dyskową. Warto zwrócić uwagę na to, że osiągnięcie takiej samej liczby operacji wejścia/wyjścia na sekundę (IOP) dla bazy danych, jak w przykładzie z warstwowaniem, wymagałoby ponad pięćdziesięciu dysków SATA, co znacznie zwiększyłoby zapotrzebowanie na energię i przestrzeń w szafie. Inteligentne warstwowanie pozwala na stworzenie dynamicznego środowiska, w którym często używane dane są stale i automatycznie umieszczane na najszybszych nośnikach. Możliwe jest nawet umieszczenie najbardziej krytycznych danych na woluminach o wysokiej dostępności lub skopiowanie danych, do których dostęp mają odległe geograficznie lokalizacje, do lokalnych magazynów.
Pomimo zalet warstwowania, istnieje kilka wad, które należy wziąć pod uwagę. Chociaż identyfikacja i prawidłowe przechowywanie danych o wysokiej dostępności odbywa się automatycznie, zbudowanie odpowiedniego podsystemu pamięci masowej, który spełnia obecne i rosnące wymagania, nadal powinno zostać zaprojektowane przez specjalistę ds. pamięci masowej. Inną potencjalną wadą jest to, że w modelu warstwowania pamięci masowej, mimo że wolumin logiczny wyglądałby jak pojedynczy dysk, może on zostać podzielony na wiele grup dysków fizycznych. Dzięki zastosowaniu sprzętowej ochrony RAID można zmniejszyć ryzyko utraty danych.
Żyjemy w erze idealnego rozwoju technologii: gwałtownie rosnące zapotrzebowanie na pojemność pamięci masowej, więcej niż kiedykolwiek wcześniej dostępnych opcji dyskowych, wyższe wymagania wydajnościowe wynikające z rosnącej popularności cyfrowych transakcji biznesowych, rosnąca gęstość przetwarzania oraz potrzeba lepszej ochrony naszego najcenniejszego zasobu, czyli danych. Tiering pozwala wykorzystać niskie koszty pamięci masowej SATA, bezpieczeństwo i niezawodność korporacyjnych dysków SAS oraz wysoką wydajność dysków SSD – wszystko w jednym pakiecie.
Kimberly Robinson pracuje jako inżynier ds. wydajności w dziale pamięci masowej Engenio w LSI Corporation . Od ponad dziesięciu lat zajmuje się optymalizacją rozwiązań pamięci masowej dla przedsiębiorstw dla dużych producentów OEM.
Amazon