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TCQ, RAID, SCSI e SATA

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Introdução

Nos últimos anos, a Western Digital manteve um bloqueio virtual nos mercados de entusiastas e desktops de alto desempenho e alta capacidade. A venerável série WD Caviar combinou velocidade e capacidade invejáveis ​​com preços razoáveis. No entanto, além de uma linha SCSI relativamente obscura e de curta duração, quando se tratava da lucrativa arena empresarial, a empresa simplesmente assistia à distância enquanto titãs como Seagate, Maxtor e Hitachi lutavam por participação de mercado.

Há pouco mais de um ano, a WD testou as águas corporativas com o lançamento da primeira unidade ATA de 10,000 RPM do mundo, a Raptor WD360GD. O Raptor combinou a mecânica da classe SCSI com a nova e relativamente barata interface Serial ATA em uma tentativa de reduzir os altos custos que os subsistemas SCSI exigiam. Os resultados de desempenho do StorageReview, no entanto, revelaram que, embora o WD360GD fornecesse resultados de classe mundial para um único usuário, seu desempenho multiusuário permaneceu inexpressivo quando comparado com as unidades SCSI de 10 RPM existentes.

O WD360GD carecia de um elemento-chave que o mundo SCSI tem desfrutado por anos de fila de comandos (TCQ), um recurso que reordena de forma inteligente as solicitações para minimizar o movimento do atuador. Em setembro de 2003, a Western Digital anunciou a continuação do Raptor WD740GD, uma unidade de segunda geração que trouxe uma série de melhorias para a linha. Embora a duplicação da capacidade do Raptor para 74 gigabytes seja a melhoria mais visível, a mais intrigante, sem dúvida, é a implementação do TCQ.

 

Resumo do TCQ

Não deve ser confundido com reordenação e otimização do sistema operacional, o enfileiramento de comandos marcados é um processo de nível de hardware projetado para agilizar a entrega de dados em acessos altamente aleatórios sob cargas pesadas. Sem TCQ, uma unidade só pode aceitar um único comando por vez. Assim, opera por ordem de chegada, atendendo os pedidos na ordem em que são recebidos. Essa nem sempre é a maneira mais eficaz de atender às solicitações de dados, especialmente em um ambiente intensivo e não localizado.

Por meio do processo de enfileiramento de comandos marcados, um adaptador de host adiciona marcas especiais a comandos individuais. A própria unidade, a par de seu próprio layout físico de setores em três dimensões, pode levar em consideração a rotação e buscar distâncias e reordenar comandos para atendê-los com mais eficiência. Os dados solicitados são assim devolvidos ao controlador de uma forma mais simplificada; ele pode usar as informações adicionais adicionadas anteriormente para retornar os dados de forma transparente ao sistema operacional.

Considere o diagrama à esquerda. Em um paradigma tradicional não enfileirado, a unidade aceitaria a solicitação da parte de dados A, moveria o atuador e a recuperaria, aceitaria a solicitação de B, recuperaria e, em seguida, moveria para a parte C. Uma unidade que pode armazenar em buffer e enfileirar solicitações , no entanto, seria capaz de recuperar A e, em seguida, optar por recuperar C primeiro, seguido por B, resultando em uma economia líquida de tempo ao concluir essas três solicitações.

O TCQ deve ser suportado pelo controlador e pelo próprio disco rígido. Ele foi introduzido no mundo SCSI já em 1990 e foi formalmente codificado no padrão SCSI-2 em 1994. O recurso rapidamente provou ser inestimável no mundo dos servidores multiusuário e hoje é implantado de forma consistente em praticamente todos os adaptadores e discos de host . Da mesma forma, o TCQ foi formalmente implementado no padrão ATA-1998 de 4. Ao contrário dos dispositivos SCSI, no entanto, as unidades ATA simplesmente não eram usadas em aplicativos corporativos em que recursos como hot-swappability e tempos de acesso reduzidos eram primordiais. Além disso, o reduto ATA tradicional, máquinas de usuário único, simplesmente não se beneficiou do TCQ; na verdade, em muitos casos, a sobrecarga imposta adicional na verdade reduziu, em vez de melhorar, o desempenho nessas áreas. Como resultado, o recurso foi amplamente ignorado pela indústria.

Hoje, no entanto, o advento do Serial ATA, seus recursos hot swap associados e sua prometida interoperabilidade com o próximo padrão Serial Attached SCSI (SAS) resultou em um futuro promissor para o ATA na empresa. O próximo padrão SATA II inclui provisões para incorporar filas de comandos marcados à la padrão ATA-4. As arquiteturas de unidades SATA nativas, como Seagate Barracuda 7200.8 e Maxtor MaXLine III, promovem a inclusão de enfileiramento de comandos marcados como “Native SATA” ou “Native Command Queuing” (NCQ) para abreviar. O paradigma fundamental do NCQ é idêntico ao da fila de comandos marcados; o apelido NCQ simplesmente diferencia o padrão SATA II do modelo ATA-4 existente.

Com seus bolsos de pesquisa e desenvolvimento profundos, a Seagate foi o único fabricante a evitar uma ponte PATA para SATA mais barata e mais rápida de mercado para seus primeiros produtos SATA. Por razões financeiras e temporais, outros fabricantes, como a Western Digital, introduziram seus primeiros produtos com operação em ponte. O Raptor WD740GD é um desses projetos. Embora as ramificações práticas sejam insignificantes (afinal, é o desempenho final que conta!), a ponte do Raptor o impede de usar o padrão SATA II NCQ. Assim, para implementar o enfileiramento de comandos marcados em sua linha voltada para empresas em desenvolvimento em tempo hábil, a Western Digital optou por incluir o TCQ estilo ATA-4 no Raptor. Felizmente para a WD, a empresa recebeu uma resposta entusiástica de muitos fabricantes de controladores. A maioria das empresas que projetam adaptadores de host SATA habilitados para NCQ também estão incorporando filas estilo Raptor. Um desses fabricantes é a Promise Technology.

 

Os testes

Neste primeiro de vários artigos examinando os efeitos do enfileiramento de comandos marcados do SATA, veremos como o próximo Promise FastTrak TX4200 se compara ao FastTrak S150 TX4 não habilitado para TCQ atualmente disponível. A relação entre esses dois controladores é especialmente interessante, pois o TX4200 é simplesmente um FastTrak S150 TX4 com código TCQ adicionado. O S150 TX4, por sua vez, é simplesmente um SATA150TX4 habilitado para RAID, o controlador SATA de referência de longa data do SR Testbed. Um contraste direto entre os dois controladores Promise RAID pode isolar os efeitos do TCQ de outras variáveis.

O Promise FastTrak TX4200 apresenta:

  • 4 portas Serial ATA para até 4 unidades
  • RAID 0/1/10 e JBOD
  • Operação PCI de 32 bits / 33-66 MHz
  • Suporte NCQ e SATA TCQ

O TCQ, é claro, já existe há algum tempo no mundo SCSI - todos os adaptadores de host atuais, controladores RAID e discos rígidos suportam uma implementação muito madura. Para descobrir quais desvantagens, se houver, o SATA TCQ sofre quando comparado com soluções SCSI mais estabelecidas, os resultados de um controlador Mylex AcceleRaid 170 RAID emparelhado com até quatro unidades Seagate Cheetah 73K.10 de 6 GB foram incluídos nesses testes.

O Mylex AcceleRaid 170 apresenta:

  • 1 porta LVD de 68 pinos para até 15 unidades
  • Níveis de RAID 0, 1, 0+1, 3, 5, 10, 30, 50, JBOD
  • Cache SDRAM ECC de 32 MB
  • Operação PCI de 32 bits / 33 MHz

Embora o TCQ confira benefícios mesmo quando uma única unidade opera sob cargas aleatórias pesadas, seu verdadeiro potencial brilha quando também há vários atuadores para trabalhar. Portanto, os testes a seguir também analisam com atenção o dimensionamento fornecido pelos arrays em cenários de usuário único e multiusuário - nossa primeira abordagem formal do RAID em mais de dois anos.

Nos testes a seguir, o hardware e os benchmarks do Testbed3 classificam as múltiplas dimensões de possíveis drivers de desempenho:

  • Como o TCQ beneficia o desempenho multiusuário e monousuário?
  • Como o TCQ afeta a capacidade de uma matriz RAID de aumentar o desempenho à medida que mais unidades são adicionadas?
  • Como o SATA TCQ se compara à implementação do SCSI?
  • Como uma matriz RAID é dimensionada sob E/S aleatória cada vez mais pesada?
  • Quais benefícios um array RAID oferece para a E/S altamente localizada que domina o uso não servidor (usuário único)?

Como esses testes tiram proveito do testbed SR padrão, vamos considerar uma possível limitação do hardware da máquina, o slot PCI de 33 MHz e 32 bits.

 

Limitações do barramento PCI

O limite de 133 MB/s do barramento PCI padrão de 32 bits e 33 MHz pode ser motivo de preocupação para alguns, especialmente aqueles que buscam, por vários motivos, maximizar as taxas de transferência sequencial. O limite prático do mundo real permanece um pouco abaixo desse limite - os testes STR associados aos resultados abaixo atingem o máximo de 126 MB/s. Um único Raptor em sua zona externa pode empurrar quase 72 MB/s enquanto um Cheetah 10K.6 pode fazer 69 MB/s - leva apenas dois de cada um para saturar o barramento PCI.

Vamos analisar mais detalhadamente a importância do STR na maioria das aplicações. O StorageReview File Server DriveMark gera um tamanho médio de transferência de 22 kilobytes. Em outras palavras, a operação de E/S média gerada no conjunto de testes consiste no reposicionamento do atuador para o local desejado, seguido pela leitura ou gravação de 22 KB de dados. Da mesma forma, o tamanho médio de transferência do SR Office DriveMark é de 23 KB. O SR High-End DriveMark, baseado em um conjunto de aplicações que inclui edição de vídeo e áudio, é o único teste que ultrapassa significativamente esses tamanhos, gerando uma transferência relativamente alta de 69.5 KB por E/S.

Um único Raptor WD740GD, com sua taxa de transferência máxima de 72 MB/s, pode transferir 22 KB em:

72 MB/s * 1024 KB/MB / 22 KB = 3351 vezes/segundo ou 0.298 milissegundos cada
Portanto, a solicitação média de E/S no DriveMark do servidor de arquivos SR é concluída com uma leitura ou gravação no prato que leva em média 0.3 ms para ser concluída.

Um array RAID0 acelerado por PCI pode transferir 22 KB de dados em:

126 MB/s * 1024 KB/MB / 22 KB = 5865 vezes/segundo ou 0.170 milissegundos cada
Em um padrão de acesso típico que apresenta localização significativa, como o Office DriveMark, uma unidade adequada, como o WD740GD, pode atingir cerca de 600 E/S por segundo. Inversamente, cada I/O (que, novamente, consiste em posicionamento + transferência) leva cerca de 1.7 milissegundos. Em um cenário de unidade única e altamente localizado, o Raptor tem uma média de 1.7 milissegundos por E/S. Desses 1.7 ms, 0.3 ms, ou 18%, é a transferência de dados de ou para o prato. Os outros 82% da operação consistem em mover o atuador ou esperar que o prato gire até o local desejado. A situação se polariza ainda mais à medida que as taxas de transferência aumentam. A 126 MB/s, as transferências consistem em apenas 11% do tempo total de serviço. Com efeito, as taxas de transferência sequencial variando de 50 MB/s a 130 MB/s e mais altas “estão fora da equação” ao banalizar o tempo que leva para ler e gravar dados quando comparado com o tempo que leva para posicionar as funções de leitura/gravação. escrever cabeças para o local desejado.

O diagrama à direita ilustra a relação entre posicionamento e transferências em cenários típicos de um ou vários usuários. Observe como o tempo gasto posicionando o atuador e o prato (vermelho) domina o tempo relativamente pequeno gasto lendo/gravando os próprios dados (amarelo). Mesmo um caso assintótico de uma taxa de transferência infinita desencadeada por meio de um barramento infinitamente rápido eliminaria apenas a parte amarela do tempo total necessário para atender a uma solicitação.

Portanto, enquanto o barramento PCI pode limitar as taxas de transferência sequencial, seu efeito prático em limitar a velocidade do mundo real em uso típico não é tão significativo quanto se pode acreditar à primeira vista. Como resultado, o dimensionamento demonstrado neste artigo também representa os aumentos que se obterá com os arrays operando em ônibus de alta velocidade.

 

Nossa terceira amostra do Raptor WD740GD

A amostra de avaliação fornecida pela Western Digital para nossa análise publicada em janeiro passado foi fabricada em 4 de dezembro de 2003. Para esta análise, a WD nos enviou mais quatro amostras, todas datadas de 4 de março de 2004. Embora grande parte do foco deste artigo seja em arrays com múltiplos discos, para fins de controle, foi necessário testar novamente um único disco deste novo lote em nosso controlador de referência Promise SATA150TX4. Algumas diferenças surgiram:

Pequenas reduções no desempenho são evidentes - cerca de 3% no Office DriveMark, por exemplo. O mais notável é a queda de 8% no Bootup DriveMark. Os representantes da Western Digital atribuem a diferença ao firmware revisado. Uma análise mais detalhada das duas amostras diferentes revela os seguintes modelos estendidos #s:

 

 

Observe as diferenças no dígito final da designação MDL estendida ao comparar nossas segunda e terceira amostras. A unidade de dezembro termina com zero, enquanto a unidade de março termina com 1. Por que a mudança? Primeiro, devemos apontar que todos os fabricantes silenciosamente e regularmente atualizam o firmware em todas as suas unidades após o lançamento inicial, seja para corrigir bugs ou para ajustar o desempenho à medida que acumulam experiências de configuração.

Em segundo lugar, como tem sido dolorosamente óbvio nos últimos meses, a fila de comandos SATA provou ser um alvo em constante movimento, enquanto os fabricantes de unidades e controladores continuam a ajustar seus produtos. Como os fabricantes de controladores, como Pacific Digital, Silicon Image e Promise Technology, continuam a desenvolver amostras de adaptadores de pré-lançamento, os fabricantes de unidades, como a Western Digital, são forçados a otimizar novamente o firmware para obter os melhores resultados. Da mesma forma, o mesmo tem acontecido na direção oposta. Embora a Western Digital tenha anunciado o WD740GD em setembro de 2003 e embora as unidades amplamente disponíveis através do canal desde dezembro passado apresentem a funcionalidade TCQ, a equipe do Raptor é motivada a reavaliar regularmente os possíveis adaptadores de host complementares da unidade e reajustar o firmware de acordo. O resultado é a revisão “00FLA1”, uma unidade mais adequada para o estado dos adaptadores host habilitados para TCQ de hoje, embora com uma queda muito leve em certas medidas de desempenho.

Observar as figuras acima revela que, embora existam diferenças, elas são triviais para todos os efeitos. Simplesmente não notará a diferença de velocidade no uso subjetivo. As tentativas de adquirir especificamente a revisão 00FLA0 anterior provavelmente seriam frustrantes e infrutíferas. Não nos preocuparíamos com a diferença.

 

Uma palavra sobre organização

Apresentar os seguintes resultados pode ser bastante assustador. Muitas dimensões diferentes de desempenho surgem quando se tenta formar o “quadro geral”. Como o desempenho aumenta quando todas as outras variáveis, exceto a profundidade da fila, permanecem constantes? Que tipo de benefícios resultam da adição de mais unidades a uma matriz? Como a escolha do espelhamento em vez do striping afeta o desempenho? A lista de perguntas continua. Como resultado, evitamos o uso de nossos gráficos padrão “gerados em HTML” em favor de gráficos estáticos. Esperançosamente, eles transmitem com precisão a miríade de informações a serem coletadas.

Sem mais delongas, vamos dar uma olhada em alguns resultados!

 

 

 

Desempenho multiusuário à medida que as profundidades das filas aumentam

Primeiramente, observe como o desempenho escala sob o teste altamente aleatório StorageReview File Server DriveMark à medida que a profundidade da fila (carga) aumenta. Para obter informações sobre o FS DriveMark, consulte esta explicação . Para fins de comparação, os resultados do controlador SATA Promise SATA150TX4 e do controlador SCSI Adaptec AHA-29160, padrão do Testbed3, foram incluídos no cenário de unidade única. Os resultados do RAID 0 apresentados abaixo consideram um tamanho de faixa de 64 KB.

 

O Raptor operando com o Promise SATA150TX4 e o FastTrak S150 TX4 começa com impressionantes 129 I/Os por segundo em uma profundidade de fila de 1. O Cheetah emparelhado com o AcceleRaid também se sai de maneira respeitável com 125 I/Os por segundo. Os combos Promise TX4200/Raptor e Adaptec 29160/Cheetah, no entanto, tropeçam com suas partidas de 112 I/Os por segundo e 117 I/Os por segundo, respectivamente. À medida que as profundidades aumentam, no entanto, a imagem começa a mudar.

No momento em que a carga atinge 4 I/Os pendentes, o 29160 puxa para a cabeça do pacote, ultrapassando o AcceleRaid. O FastTrak S150 TX4 e o SATA150TX4 continuam a ter um desempenho idêntico, enquanto o TX4200, ainda na retaguarda, consegue diminuir um pouco a diferença.

Uma profundidade de 16 produz mudanças consideráveis. O Adaptec salta para a frente do pacote com impressionantes 237 E/S por segundo. O Mylex continua a escalar bem, mas a implementação TCQ do par TX4200/Raptor começa a fazer sua presença ser sentida e fica um pouco atrás.

Quando finalmente alcançamos uma carga pesada de 64 solicitações pendentes, surge uma clara hierarquia. Os adaptadores de host Adaptec SCSI sempre foram escolhas populares e confiáveis. O 29160 também provou ser um ótimo desempenho, deixando os outros controladores comendo poeira sob carga pesada. Embora o TX4200 e o AcceleRaid não consigam atingir alturas tão altas, eles fornecem o dimensionamento sob carga que se esperaria de subsistemas que apresentam TCQ. Em contraste, os dois controladores ATA não TCQ aparecem na retaguarda do pacote, um contraste marcante de seu desempenho rápido quando apenas uma solicitação permanece pendente.

 

Quando configurado com duas unidades em um formato distribuído, todos os três controladores RAID iniciam de maneira semelhante - o FastTrak S150 TX4, sem a sobrecarga imposta pelo TCQ, desfruta de uma ligeira vantagem. A lacuna é virtualmente apagada quando a fila chega a 4.

Quando a profundidade atinge 16, a inclinação do S150 TX4 se nivela, indicando uma taxa de dimensionamento mais baixa do que o AcceleRaid e o TX4200. Finalmente, com 64 I/Os, o AcceleRaid e o TX4200 desfrutam de uma vantagem significativa sobre o S150 TX4 com o TX4200 alcançando um máximo de 385 I/Os por segundo.

 

Os efeitos de dimensionamento relativo permanecem semelhantes em uma configuração RAID0 de três unidades. Os resultados de todos os três controladores, no entanto, exibem declives mais acentuados, indicando que o aumento da própria contagem do atuador produz benefícios à medida que aumentam as profundidades da fila.

O TX150 não-TCQ S4 fica atrás dos outros dois adaptadores quando as filas atingem 16. Quando as profundidades atingem 64 I/Os pendentes, o TX4200 mais uma vez se coloca à frente dos outros.

 

Finalmente, em uma configuração RAID0 de quatro unidades, o modesto S150 TX4 consegue escalar, bem como as matrizes habilitadas para TCQ, até 16 solicitações pendentes. É somente quando chegamos aos 64 anos que as diferenças vêm à tona. O S150 TX4 nivela enquanto o AcceleRAID continua a escalar ao longo da mesma inclinação. Na verdade, o TX4200 escala um pouco melhor nessa etapa final, abrindo uma lacuna significativa entre ele e o array baseado em SCSI.

 

 

 

Desempenho multiusuário à medida que o número de unidades aumenta

O desempenho contrastante entre os controladores à medida que o número de unidades de uma matriz RAID0 aumenta também produz resultados notáveis. Os gráficos a seguir demonstram os efeitos de adicionar mais discos mantendo todas as outras variáveis ​​constantes. Os resultados apresentados abaixo apresentam um tamanho de faixa de 64 KB.

 

As inclinações permanecem bastante planas quando comparamos as operações de E/S fornecidas por segundo com o número de unidades em uma matriz distribuída com apenas uma E/S pendente. Sem solicitações de backup e espera, uma contagem aumentada de atuadores simplesmente não pode ser sentida. Sob essas cargas leves, o projeto mais simples, o S150 TX4 da Promise, oferece o melhor desempenho, independentemente do número de unidades no array.

 

A situação muda acentuadamente quando a carga pendente atinge até quatro solicitações. Todos os três controladores fornecem E/Ss aumentadas por segundo à medida que as unidades são adicionadas ao array. Com apenas um único disco, o AcceleRaid lidera com 154 I/Os por segundo, enquanto ambos os controladores Promise pontuam de forma semelhante em cerca de 135 I/Os por segundo.

No entanto, quando uma segunda unidade é adicionada ao array, o AcceleRaid escala um pouco menos do que os controladores ATA; todos os três lugares muito próximos um do outro.

No momento em que atingimos uma contagem de unidade de três e quatro, a inclinação suave do AcceleRaid o mantém atrás de ambos os controladores Promise. A maior contagem de atuadores permite que o S150 TX4 supere sua falta de funcionalidade TCQ e fique à frente do AcceleRaid, bem como do TX4200, embora por margens relativamente pequenas.

 

Em uma profundidade de fila de 16, a falta de TCQ do S150 TX4 o coloca em desvantagem. Embora ainda desfrute de aumentos no desempenho à medida que as unidades são adicionadas ao array, ele fica atrás do TX4200 e do AcceleRaid em quase todos os pontos. A única exceção é no nível de 4 discos - o aumento modesto do AcceleRaid quando a quarta unidade é adicionada permite que o S150 TX4 relativamente consistente feche a lacuna.

 

Embora o S150 TX4 continue a exibir dimensionamento quase linear sob uma carga consistentemente pesada de 64 solicitações pendentes, a adição de mais unidades à matriz simplesmente não é suficiente para mantê-la na briga com alternativas habilitadas para TCQ.

O SCSI AcceleRaid oferece melhor desempenho do que o SATA TX4200 com apenas um drive. À medida que mais discos são adicionados à matriz, no entanto, o TX4200 é dimensionado melhor; sua maior inclinação culmina com uma vantagem de 13% sobre o AcceleRaid em uma matriz de 4 unidades.

 

 

 

Espelhamento multiusuário

Os resultados selecionados de matrizes RAID0 à medida que as contagens de unidades aumentam são interessantes do ponto de vista acadêmico, principalmente devido à natureza linear na qual é possível adicionar atuadores independentes. Reconhecidamente, no entanto, o uso prático de RAID0 em servidores de produção é bastante limitado - os ganhos de desempenho são mais do que compensados ​​pelo aumento significativo no risco. Se um deles falhar em um array distribuído de quatro unidades, todos os dados serão perdidos.

O espelhamento (RAID1) é um cenário muito mais provável. Em tal array, todos os dados são gravados em pelo menos dois discos. Embora as gravações devam ocorrer em uníssono, as leituras não; como resultado, os controladores RAID projetados de forma inteligente oferecem aumento de desempenho por meio da implementação de leituras independentes ao usar vários atuadores. O RAID1 oferece os benefícios da redundância caso uma unidade falhe, ao mesmo tempo em que oferece desempenho aprimorado por meio de dois mecanismos de leitura separados. O RAID01 oferece redundância em dois conjuntos de arrays RAID0 - caso um array falhe, os dados permanecem preservados no outro. O RAID10 espelha os dados em duas unidades e, em seguida, divide a matriz resultante com outra matriz. Tanto o RAID01 quanto o RAID10 aprimoram o desempenho com dois mecanismos de gravação e até quatro de leitura. O controlador Mylex oferece RAID01 e RAID10, enquanto as unidades Promise incorporam RAID10.

 

Ao espelhar duas unidades, todos os três controladores exibem um aumento apreciável nas E/Ss entregues por segundo até uma carga moderadamente pesada de 16 solicitações pendentes. Em uma curva estranha, no entanto, o desempenho do Promise TX4200 na verdade diminui ao passar de uma carga de 16 para 64. Tanto o S150 TX4 quanto o AcceleRaid, por outro lado, continuam a escalar conforme o esperado. O AcceleRaid apresenta facilmente o melhor desempenho geral do RAID1.

Como seria de esperar, a distribuição de um par de matrizes espelhadas (RAID10) oferece benefícios de desempenho ainda maiores. Aqui, o modesto S150 TX4 na verdade salta para uma liderança inicial significativa com uma carga relativamente leve de 4 solicitações pendentes. As coisas praticamente se igualam quando o carregamento atinge 16; aos 64 anos, as melhorias mais suaves do S150 TX4 o levaram a ficar um pouco para trás. Em uma configuração RAID10, o TX4200 não exibe a mesma queda ímpar entre 16 e 64. Em vez disso, ele escala conforme o esperado.

 

 

 

Desempenho de usuário único

Embora existam evidências em contrário , uma combinação de marketing excessivo e falta geral de conhecimento resultou na proliferação do RAID entre usuários avançados que utilizam estações de trabalho individuais. Embora se possa argumentar consideravelmente a favor da redundância proporcionada pelo RAID 1, o aumento nas taxas de transferência e o alto desempenho de acesso aleatório de E/S oferecidos pelo RAID 0 simplesmente não beneficiam a maioria dos usos que não sejam servidores.

Da mesma forma, embora o mais recente Raptor ofereça excelente desempenho para um único usuário, a Western Digital trabalhou para incorporar a funcionalidade TCQ no esforço de não ampliar sua liderança de usuário único sobre a concorrência, mas sim para garantir que o Raptor seja uma alternativa viável em o mundo dos servidores tradicionalmente baseados em SCSI.

Ainda assim, sabemos que muitos leitores em todo o mundo aguardam ansiosamente os resultados do Raptor combinado com um controlador TCQ adequado. O Desktop DriveMarks da StorageReview oferece uma oportunidade incomparável para avaliar o impacto dos arrays RAID em aplicações de usuário único que não sejam servidores. Aqui, analisaremos como RAID, TCQ, SCSI e SATA afetam o desempenho. Os resultados do RAID 0 apresentados abaixo mostram um tamanho de stripe de 64 KB.

 

As semelhanças entre o controlador Promise SATA150TX4 padrão intimamente relacionado (não RAID) e o controlador Promise S150 TX4 (não RAID TCQ) são bastante evidentes, pois ambos pontuam de maneira semelhante em todos os quatro testes. O Promise TX4200 habilitado para TCQ, no entanto, produz resultados impressionantes. Quando um controlador ATA compatível com TCQ finalmente encontra uma unidade ATA compatível com TCQ, a complexidade adicional e a sobrecarga realmente diminuem o desempenho! Lembre-se de que não importa o quão sofisticada seja a multitarefa e o multithreading em uma máquina de usuário único, os padrões de acesso (altamente localizado versus altamente aleatório) e as profundidades das filas (principalmente baixas com uma rajada ocasional versus consistentemente altas) permanecem fundamentalmente diferentes de um servidor multiusuário. Na verdade, é evidente que a própria maturidade e a implementação consistente e abrangente do TCQ no mundo SCSI são, na verdade, um dos fatores que fazem com que as unidades SCSI mecanicamente superiores tropeçam em cenários de usuário único.

No lado SCSI, Adaptec AHA-29160 e Mylex AcceleRaid 170 trocam de lugar. Enquanto o 29160 prova ser o melhor desempenho em cenários multiusuário de unidade única, o AcceleRaid oferece melhores pontuações de usuário único em toda a linha. Observe, no entanto, que mesmo quando prejudicado pela operação TCQ, o Raptor consegue manter a liderança sobre o Cheetah em três dos quatro testes de usuário único. A experiência da Western Digital em projetar excelentes estratégias de buffer de read-ahead e write-back para um único usuário continua a brilhar.

Vamos prosseguir e examinar como os controladores RAID escalam em cada padrão de acesso à medida que o número de unidades aumenta.

 

Ao passar de uma configuração de unidade única para uma matriz distribuída de unidade dupla, o desempenho de todos os três controladores aumenta em uma margem de 9% a 13% no SR Office DriveMark. É importante distinguir, no entanto, que algumas dessas superfícies aumentam por meio da duplicação da capacidade da unidade lógica de 74 GB (1 unidade) para 146 GB (2 unidades). Lembre-se que o ArmazenamentoReview Desktop DriveMarks são a representação final e repetível do desempenho do mundo real. Assim, endereços reais de setores do LBA são solicitados ao longo dos testes. Unidades e matrizes de maior capacidade irão, por definição, amontoar esses locais fisicamente mais próximos e, assim, desfrutar de uma vantagem (como acontece no uso real).

A atualização para três unidades revela uma diminuição significativa nos ganhos. A mudança para quatro discos, na verdade, causa regressão nas pontuações. Embora alguns possam argumentar que o barramento PCI de 32 bits e 33 MHz da plataforma de teste limita os ganhos obtidos com o striping, os leitores devem lembrar que, especialmente nesses níveis de E/S, tais limitações não são significativas . Independentemente da quantidade de unidades, a operação mais simples e otimizada do S150 TX4 lhe confere uma vantagem de desempenho considerável em relação aos outros dois controladores.

 

Devido a seus tamanhos médios de transferência mais altos, o SR High-End DriveMark se beneficia um pouco mais do que o pacote Office à medida que a contagem de unidades aumenta. Os ganhos variam de 9% a 19% aqui e, diferentemente do caso do teste do Office, nunca se nivelam totalmente com a contagem de unidades. Novamente, o S150 TX4 oferece melhor desempenho do que os controladores habilitados para TCQ.

 

O SR Bootup DriveMark captura o processo de inicialização do Windows XP da Microsoft. A sequência de inicialização do XP é incomum porque reordena os dados na unidade para imitar a sequência de solicitações (permitindo, portanto, mais transferências sequenciais) e também tenta gerar uma profundidade de fila o mais alta possível, enchendo o subsistema de armazenamento com solicitações (uma média de 2.39 I/Os pendentes, no entanto, permanece bastante modesto em comparação com a maioria dos cenários multiusuário). O resultado líquido é o único padrão Desktop DriveMark que se beneficia significativamente de um aumento na contagem de drives. O desempenho aumenta consistentemente à medida que outra unidade é adicionada ao array. Os benefícios práticos, no entanto, permanecem duvidosos. Os aumentos no processo de inicialização do XP teriam que superar o aumento da sobrecarga gerada durante o processo de inicialização do POST pela matriz RAID e suas unidades associadas. Mesmo na inicialização, a contagem de unidades DriveMark permanece muito mais importante do que TCQ - o S150 TX4 mantém uma liderança consistente e considerável sobre os outros controladores.

 

Por fim, chegamos ao SR Gaming DriveMark, uma média ponderada dos acessos ao drive gerados por cinco jogos populares para PC. As inclinações planas indicam que os usos de jogos se beneficiam menos do RAID e do enfileiramento de comandos. Na verdade, a 677 I/Os por segundo, um array Cheetah de 4 unidades operando fora do Acceleraid 170 fica atrás de um único Raptor rodando no “mais burro” dos controladores SATA por uma margem de 9%.

 

 

Espelhamento de usuário único

 

O espelhamento de dados em duas unidades (RAID1) e a distribuição de dois espelhos (RAID10) resulta em uma alteração significativa de desempenho apenas no DriveMark de inicialização. Todos os três controladores fornecem um aumento ao passar de uma única unidade para um par espelhado e novamente ao passar de um par espelhado para RAID10.

Em todos os outros padrões de acesso, os três controladores exibem mudanças muito pequenas aqui e ali, sem nenhuma tendência significativa perceptível. Observe que, mais uma vez, o modesto não TCQ S150 TX4 oferece o melhor desempenho em todas as combinações espelhadas.

 

 

 

Conclusões

Da infinidade de dados apresentados acima, podemos tirar várias conclusões:

1. O SATA TCQ e o RAID SATA têm o potencial de oferecer ao mercado de servidores benefícios tão grandes quanto os do SCSI TCQ e do RAID SCSI. O Promise FastTrak TX4200 e o Mylex AcceleRaid 170 são controladores RAID de nível básico para as interfaces SATA e SCSI, respectivamente. O primeiro, na verdade, é pouco mais do que o atual controlador FastTrak S150 TX4 da Promise com a funcionalidade SATA TCQ (e NCQ) adicionada.

Ao contrário de outros grandes fabricantes de discos rígidos, a Western Digital não possui uma linha de produtos SCSI consolidada para proteger. Como resultado, a empresa busca vantagem competitiva oferecendo mecânica e funcionalidades semelhantes ao SCSI a preços associados à interface ATA, mais econômica. Uma rápida consulta, no momento da redação deste texto, junto à HyperMicro, patrocinadora do StorageReview, indica que os discos Cheetah 10K.6 de 73 GB estão a US$ 339 cada, os Raptor WD740GD a US$ 219 cada e o AcceleRaid 170 a US$ 379. Quando lançado em agosto, o preço do Promise TX4200 será equivalente ao do S150 TX4, que ele pretende substituir. Na HyperMicro, ele custa US$ 159.

Assim, surgem os seguintes preços (excluindo cabos e acessórios):

$ 1356 ($ 339 x 4 Cheetahs) + $ 379 (AcceleRaid 170) = $ 1735 (matriz RAID SCSI de 4 unidades)
$ 876 ($ 219 x 4 Raptors) + $ 159 (FastTrak TX4200) = $ 1035 (matriz SATA RAID de 4 unidades)
A diferença de custo entre os dois arrays chega a 40%, o que é realmente significativo. O que se sacrifica ao optar pela solução SATA menos dispendiosa? Afinal, foi demonstrado que o desempenho do SATA é competitivo e, em alguns casos, superior ao de uma solução SCSI comparável.

Embora a WD tenha fornecido uma solução que pode corresponder à velocidade e escalabilidade de uma solução baseada em SCSI, também é preciso ter em mente os principais fatores de infraestrutura e confiabilidade. Assim como o próprio TCQ, o hardware de suporte do SATA, como backplanes, soluções multifuncionais e similares, permanece em sua infância quando comparado à maturidade e longevidade do hardware SCSI. Lembre-se também de que, embora a Western Digital reivindique uma especificação MTTF de 1.2 milhão de horas de classe empresarial e apoie os Raptors com uma garantia de 5 anos, a linha ainda é nova e permanece relativamente não comprovada em comparação com soluções estabelecidas, como a série Cheetah da Seagate. Por fim, lembre-se de que os preços listados acima representam o custo do subsistema de armazenamento sozinho - fatorar o custo total do hardware do servidor quando as placas-mãe, CPU e RAM são consideradas pode diluir significativamente a diferença.

No final, existe o potencial para a SATA invadir o mercado de servidores de nível básico e médio. O desempenho está definitivamente lá. Se a confiabilidade do Raptor for comparável à da concorrência e se a infraestrutura/hardware de suporte surgir, a WD terá um concorrente viável.

2. O enfileiramento de comandos foi projetado para auxiliar situações com múltiplos usuários, não configurações com um único usuário. Com o recente lançamento dos chipsets Intel 9xx, especialistas e entusiastas do mundo todo têm proclamado que o enfileiramento de comandos é a próxima grande novidade para desktops. Errado. Como evidenciado pelas disparidades entre o FastTrak S150 TX4 e o TX4200 (idênticos em todos os outros aspectos, exceto pela funcionalidade TCQ adicional do último), o enfileiramento de comandos introduz uma sobrecarga significativa que não se compensa em termos de desempenho nas instâncias altamente localizadas e de baixa profundidade que até mesmo a multitarefa mais intensa com um único usuário gera. Está ficando claro, na verdade, que a maturidade e a implementação generalizada do TCQ no mundo SCSI são um dos principais motivos pelos quais unidades SCSI, mecanicamente superiores, apresentam desempenho inferior quando comparadas a unidades ATA. Considerando que, das 24 combinações obtidas a partir dos quatro padrões de acesso de usuário único, arrays RAID0 de um a quatro discos e arrays espelhados RAID1/10 apresentados acima, o S150 TX4 sem TCQ se destaca em todos os casos por uma grande margem . O TCQ é destinado apenas a servidores, assim como a tecnologia mencionada a seguir.

3. O RAID beneficia muito mais as aplicações multiusuário do que os cenários de usuário único. O entusiasmo da comunidade de usuários avançados, aliado ao aparato de marketing das empresas que atendem a esse público, levou à crença extremamente equivocada de que distribuir dados entre dois ou mais discos proporciona benefícios significativos de desempenho para a maioria dos usos fora de servidores. Isso não poderia estar mais longe da verdade! O uso fora de servidores, mesmo em situações de multitarefa intensa, gera padrões de acesso de baixa profundidade e altamente localizados, onde as estratégias de leitura antecipada e gravação em segundo plano predominam. A teoria dizia, para aqueles dispostos a ouvir, que a distribuição de dados não proporciona benefícios significativos de desempenho. Há algum tempo, um teste empírico controlado comprovou o que a teoria sugeria. Ainda assim, persistiam dúvidas – irracionalmente, muitos acreditavam que os resultados seriam diferentes se o array fosse baseado em uma interface SATA ou SCSI. Como mostrado acima, os resultados são os mesmos. Poupe seu tempo, dinheiro e dados – deixe o RAID para os servidores!

Estamos longe de terminar aqui! Os produtos concorrentes SATA TCQ da Pacific Digital Corp. e da Highpoint Technologies estão atualmente disponíveis, enquanto a Silicon Image ainda tem um chipset a ser incorporado a um produto de remessa. Continuaremos a trabalhar com outros fabricantes de controladores para trazer aos leitores os resultados do Raptor TCQ combinados com uma variedade de produtos. SATA NCQ também está entrando no horário nobre. Como sempre, StorageReview estará lá.


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