Кеширование, флеш-технологии и репликация: что важно знать об устройстве СХД

Помимо планирования оптимального использования дисковой подсистемы, некоторые СХД позволяют выбрать и размер кеша. О том, как используется кеш в системе хранения данных и сколько его должно быть, существует много мнений. Одно из важнейших назначений кеша — хранение метаданных СХД.

Для реализации любой функциональности СХД, будь то дисковые группы, логические тома, многоуровневое хранение или репликация, необходимы служебные данные — это и есть метаданные. Они постоянно используются микрокодом СХД, и для их хранения нужен самый быстродействующий носитель информации в системе. Им и является кеш, для реализации которого используется оперативная память уровня DDR3 или DDR4, чья производительность на порядок выше, чем у самого скоростного флеш-диска.

Вторая важная функция кеша — непосредственное кеширование данных. Обрабатываемые хостами данные размещаются в кеше и могут использоваться повторно без обращения к более медленным дискам. Кроме того, кеширование позволяет оптимизировать запись данных на диски.

Однако использование кеша эффективно не для всех профилей нагрузки. Данные, которые последовательно считываются с системы хранения, кешируются хорошо — это так называемое линейное чтение. Даже если приложение считывает данные, например, мелкими блоками по 8 Кбайт вместо рекомендуемых 256 Кбайт и более, система хранения распознает линейное чтение и, зная, какие данные будут запрошены следующими операциями ввода-вывода, считывает их заранее. Таким образом, следующая операция ввода-вывода не вызывает обращения к более медленной дисковой подсистеме — данные поступают из кеша, что существенно ускоряет ввод-вывод.

В то же время кеш почти бесполезен, когда речь идет о случайном чтении (random read) данных с СХД. В этом случае вероятность нахождения нужных данных в кеше стремится к нулю, поскольку объем кеша в системе хранения на порядок меньше, чем максимальный полезный объем данных современных СХД. Именно поэтому несколько лет назад появилась идея использовать флеш-диски для ускорения случайного чтения.

Флеш-технологии позволяют оптимизировать и остальные типы нагрузок. Однако прирост производительности, по сравнению с использованием механических дисков, получается не столь значительным, тогда как разница в стоимости хранения 1 Тбайт данных на флеш-диске и механическом диске пока остается довольно ощутимой.

При любых операциях записи данные сначала помещаются в кеш и лишь после этого записываются на диски. Кроме повторного использования для последующих операций ввода-вывода, новые данные могут группироваться специальным образом, но только в том случае, если в дальнейшем они будут записаны на группы RAID с четностью (RAID5 и RAID6).

Почему важна оптимизация записи при использовании RAID-групп с четностью? Все дело в том, что в них применяется особая защита данных от сбоя диска в группе. Если, допустим, производить запись на массив RAID5 случайным образом, без оптимизации, то одна операция записи, произведенная хостом, будет генерировать четыре операции ввода-вывода на системе хранения (два чтения и две записи). Для RAID6 этот показатель равен уже шести. В результате производительность СХД серьезно снизится.

Что в этом случае может предпринять система хранения данных? В первую очередь она попытается сформировать в кеш-памяти набор данных (full stripe), чтобы сделать расчет четности без дополнительного обращения к дискам и записать сразу все данные на диски. При последовательной записи собрать full stripe в кеш-памяти довольно легко, но при случайной — система либо будет ждать, пока в кеше не соберется необходимый набор данных, либо начнет считывать недостающие блоки данных с дисков. Поэтому кеширование записи данных практически во всех случаях ускоряет ввод-вывод.

Архитектура флеш-модуля

Различные типы жёстких дисков?

Было изобретено четыре различных типа накопителей: Serial ATA, PATA, SCSI и SSD. Самые ранние диски использовали PATA, который относится к типу интерфейса, используемого для соединения вашего компьютера с жёстким диском.

Около 40 или 80 ленточных кабелей использовались для параллельной передачи данных в 16-битные карманы. Эта система дисков PATA может быть научно обоснована для современных дисков.

Последовательный ATA или SATA

Жёсткие диски SATA теперь заменили PATA из-за его улучшенной производительности. Они могут передавать данные намного быстрее (более 150 из 600 мегабайт), в отличие от PATA (133 мегабайта), который потребляет очень мало энергии (250 мВ, чем 5 В), а кабели SATA более гибкие и тонкие.

Интерфейс малой компьютерной системы или SCSI

SCSI позволяет подключать различные периферийные устройства, такие как принтеры, жёсткие диски, компакт-диски, сканеры и многое другое. Приводы интерфейса малых компьютерных систем могут быть легко подключены как внутри, так и снаружи.

Твердотельные накопители или SSD

Твердотельные накопители — это новейшие типы накопителей, которые не состоят из движущихся частей. Это делает их менее восприимчивыми к какому-либо повреждению. Они используют микросхемы флэш-памяти вместо хранения данных и предлагают более быстрый доступ к данным. В наши дни они довольно распространены в ноутбуках. SSD-накопители также используются для мобильных переводов. Имеет общую совместимость как флешка. Используется дополнительный провод, обеспечивающий высокую совместимость с другими устройствами.

Теперь давайте продолжим и проверим типы технологий, используемых в жёстких дисках:

Заключение

Технология SSD-кэширования позволяет повысить производительность СХД при работе со смешанным типом нагрузки. Это доступный и простой способ получить эффективно работающую систему в случаях, когда HDD накопители не имеют физической возможности обеспечить желаемый результат.

При существующем разнообразии серверных задач и приложений, применение SSD-кэша в гибридных СХД становится все более привлекательным. Но следует помнить, что эта технология требовательна к условиям использования, и она не является универсальным решением всех проблем с производительностью.

SSD-кэш, реализованный в СХД RAIDIX, обладает особым набором свойств, который позволяет ему не только ускорять работу системы, но и продлевать срок используемых SSD-накопителей.