СХД: что это

Системы хранения данных представляют собой важнейшие составляющие IT-инфраструктуры организации, сформированными аппаратными и программными средствами, позволяющими хранить информацию, обеспечивать корректное взаимодействие с ней. Какими классами представлены СХД? Какие функции они выполняют? Как выбрать решение, на 100% соответствующее потребностям конкретного предприятия? 

Аппаратная структура

СХД – сложные комплексы, сформированные множеством средств, которые должны взаимодействовать друг с другом по определенному алгоритму. Нужно продумать архитектуру, грамотно разместить накопители, определить протоколы, по которым будут передаваться данные, найти подходящее программное обеспечение, гарантирующее точность управления аппаратной частью.

Классический набор аппаратных компонентов выглядит следующим образом:

• Накопители, жесткие или твердотельные диски;

• Дисковые контроллеры;

• Общий системный контроллер;

• Сетевой адаптер.

СХД нужно укомплектовать и блоком питания с запасом по мощности, чтобы обеспечить возможность модернизации, подключения новых накопителей. Современные блоки комплектуются многочисленными модулями защиты, чтобы исключить негативные последствия, спровоцированные сбоями, скачками напряжения, короткими замыканиями, продолжительной работой при пониженном или повышенном вольтаже. 

При повышенных требованиях к надежности, отказоустойчивости системы, рекомендуется использовать источники бесперебойного питания. Они активируются при отключении основной линии питания, предотвращают потерю данных, повреждения аппаратной части.

Классификация

СХД, с точки зрения организации доступа, представлены несколькими основными типами:

• С прямым подключением. Предполагают прямую связь между накопителем и клиентским устройством, в большинстве случаев – проводную, например, посредством интерфейса USB или SATA.

• NAS. Внешние комплексы, для подключения которых используются локальные сети.

• SAN. Блочные комплексы, взаимодействующие с крупными серверами.

• Облачные. Комплексы хранения, доступ к которым осуществляется посредством Интернета, сами они – поддерживаются и модернизируются непосредственно провайдером или крупной IT-компанией.

Также стоит упомянуть современные альтернативы классическим системам хранения — программно-определяемые СХД (SDS) и гиперконвергентные системы (HCI).

SDS (Software-Defined Storage) — это подход, при котором управление хранилищем полностью отделено от аппаратного обеспечения. Программное обеспечение задаёт правила хранения, репликации, масштабирования и защиты данных, а само хранилище может быть построено на стандартных серверах с дисками. Такое решение даёт высокую гибкость и независимость от конкретного производителя оборудования, снижая стоимость владения.

HCI (гиперконвергентная инфраструктура) объединяет в одном модуле вычислительные ресурсы, хранение данных и сетевые компоненты, управляемые через единую программную платформу. Подобные системы легко масштабируются, упрощают управление ИТ-инфраструктурой и особенно востребованы в проектах виртуализации, VDI и построения частных облаков.

Обе технологии активно развиваются и находят применение в организациях, стремящихся к гибкости, ускоренному развёртыванию сервисов и централизованному управлению ресурсами.

Dell

Файловые СХД

• Dell EMC Unity XT 480 – файловое и блочное хранилище (NFS, SMB, iSCSI, FC)

• Dell PowerVault ME5084 (при использовании с файловым шлюзом или внешними файловыми сервисами)

Блочные СХД

• Dell PowerVault ME5012 – компактное блочное хранилище начального уровня

• Dell PowerVault ME5024 – блочная СХД с расширенной масштабируемостью

• Dell PowerVault ME5084 – 5U модель с высокой плотностью дисков

• Dell EMC Unity XT 680

Объектные СХД

• Dell ECS EX500

Облачные СХД

• Dell EMC Unity Cloud Edition

HPE

Файловые СХД

• HPE StoreEasy 1660 – NAS на Windows Storage Server

Блочные СХД

• HPE MSA 2062 – популярное решение для SMB (SAS, iSCSI, FC)

• HPE MSA 2072 – производительное блочное хранилище среднего уровня

• HPE MSA 1060 – модели 1000-й серии, ориентированы на малые предприятия

• HPE Alletra 6030 – enterprise-класс с NVMe

 Объектные СХД

• HPE Apollo 4200 + Scality RING

Облачные СХД

• HPE Alletra 9000

Huawei

Файловые СХД

• Huawei OceanStor 9000

Блочные СХД

• Huawei OceanStor Dorado 3000 V6 – начальный уровень all-flash

• Huawei OceanStor Dorado 5000 V6 – производительное блочное хранилище с NVMe

Объектные СХД

• Huawei OceanStor Pacific 9550

Облачные СХД

• Huawei OceanStor Dorado 8000 Hybrid Cloud

Infortrend

Файловые СХД

• Infortrend EonStor GS 3024

Блочные СХД

• Infortrend EonStor DS 4024B

Объектные СХД

• Infortrend GSe Pro 3000 (с объектной функциональностью через ПО)

Облачные СХД

• Infortrend EonStor GS 4024

Lenovo

Файловые СХД

• Lenovo ThinkSystem DM3000H

Блочные СХД

• Lenovo ThinkSystem DE4000H

• Lenovo ThinkSystem DE4000F

Объектные СХД

• Lenovo DM5000F (с поддержкой объектных протоколов через ONTAP)

Облачные СХД

• Lenovo DM7100F (интеграция в гибридные среды)

При классификации СХД можно опираться и на другую характеристику, ее специфику взаимодействия с информацией. Категории в данном случае следующие:

1. Файловые. Применяются для того, чтобы наладить корректное взаимодействие с файлами и папками. Для отправки и приема данных используются протоколы, соответствующие типу операционной среды. Это наиболее простые и недорогие СХД, подходящие для бытового или ограниченного коммерческого применения.

2. Блочные. Такие комплексы хранения характеризуются более низким уровнем, осуществляют взаимодействие с информацией, объединенной в блоки определенного объема. СХД производительны, просты и универсальны в настройке, обеспечивают простоту редактирования файлов, дают возможность четко разграничить права доступа. Оптимальный вариант для размещения баз данных.

3. Объектные. Организация данных проведена в формате объектов, в которых расположена как основная информация, так и вспомогательная, идентификационная. Подобное решение на 100% подходит для крупных объемов данных, при этом комплекс остается удобным в управлении, функциональным, обеспечивающим возможность дальнейшего развития, наращивания доступных мощностей. Единственным минусом такой СХД можно назвать достаточно высокую цену, однако, она компенсируется производительностью, по сути, неограниченными возможностями масштабирования.

Основные задачи

Функции систем хранения данных выглядят следующим образом:

• Хранение информации, вне зависимости от объема и специфики. Это могут быть как обычные файлы, текстовые, звуковые, так и крупномасштабные базы данных.

• Контроль доступа. Права пользователей, имеющих доступ к информации, можно ограничивать и разграничивать, например, запрещать некоторые действия, исключать возможность удаления, изменения файлов.

• Анализ и обработка. СХД могут выполнять определенные вычислительные манипуляции, в автоматическом режиме обновлять файлы, готовить отчеты.

• Распределение. Системы сформированы множеством аппаратных средств, возможности которых должны использоваться максимально рационально. Недопустима концентрация нагрузки на определенном модуле, оставление незадействованными другие элементы. Благодаря равномерному распределению нагрузки, увеличивается скорость выполнения вычислительных операций, упрощается доступ к данным, многократно снижается риск сбоя, поломки.

• Резервирование. При помощи СХД можно сформировать резервные копии хранящихся файлов, оперативно провести восстановление в случае критического сбоя, их потери или случайного удаления.

• Общий доступ. Одновременно взаимодействовать с файлами могут специалисты, представляющие различные отделы и структуры предприятия. Это повышает эффективность труда, позволяет совместно работать над выполнением общей задачи.

• Масштабирование. При необходимости, изначальную мощность СХД можно увеличить, обновить программное обеспечение, добавить или заменить аппаратные средства, нарастить максимальную емкость, поставить диски с максимальной скоростью обработки информации.

• Удаленный контроль. Системный администратор всегда видит статус СХД, может дистанционно перенастраивать ее, устранять ошибки.

Общие правила выбора

При подборе СХД необходимо опираться на несколько базовых показателей:

1. Категория данных. Это оказывает прямое влияние на оптимальную скорость доступа, алгоритмы сжатия, обработки.

2. Объем данных. От этого зависит количество используемых дисков, а также индивидуальный объем каждого из них. Иногда будет достаточно нескольких сотен гигабайт, но крупным предприятиям нужны системы в десятки терабайт и больше.

3. Отказоустойчивость. Чем выше ценность хранящихся данных, тем более надежным должен быть комплекс. Программные защитные алгоритмы, регулярное резервирование, формирование бэкапов – все это крайне важно.

4. Производительность. Скорость чтения, записи данных должна соответствовать фактическим потребностям пользователя, а лучше – несколько превышать их, для максимально комфортной эксплуатации.

5. Разработчик. Как аппаратные, так и программные средства, должны быть изготовлены проверенными компаниями, бережно относящимися к репутации, чтобы исключить несоответствие заявленным характеристикам, исключить проблемы с функциональностью и надежностью.

Обеспечение отказоустойчивости

Надежность, безопасность данных – важнейшие требования, которым должна соответствовать современная СХД. Для достижения такого соответствия нужно руководствоваться несколькими принципами:

• Дублирование компонентов. При отказе одного из модулей другой – берет на себя его функции.

• Репликация данных. Алгоритм предполагает формирование копий на других информационных носителях.

• Регулярное резервирование.

• Четкий мониторинг, управление программными и аппаратными средствами.

Для точной оценки отказоустойчивости нужно вычислить два базовых показателя:

1. RPO. Он обозначает предельно допустимую потерю информации при сбое. Чем ниже значение RPO, тем более надежной можно назвать СХД.

2. RTO. Время, в течение которого можно провести восстановление данных после отказа. Как и в предыдущем случае, вместе со снижением данного показателя, растет общий уровень надежности.

Пропускная способность

Чтобы определить пропускную способность, нужно учесть нагрузку, которая будет приходиться на СХД. Она должна легко справляться с передачей требуемого объема данных, в противном случае, эксплуатация окажется неэффективной, затрудненной, а то и невозможной. Максимальное быстродействие накопителей и пропускная способность интерфейсов особенно важны для серверов, на которых хранятся крупные файлы, баз данных и комплексов виртуализации.

Также при расчете пропускной способности нужно учесть количество пользователей, подключенных к СХД. Чем их больше, тем выше должен быть указанный параметр. Третий фактор – системные требования используемых приложений, программного обеспечения. Некоторые из программ нуждаются в минимальном времени отклика, увеличенной пропускной способности, плохо работают на медленных HDD со старыми SATA-интерфейсами.

Надежность архитектуры

Базой для архитектуры большинства современных СХД является избыточность, дублирование наиболее значимых компонентов. Сравнить данный принцип можно с колесной схемой грузового автомобиля, когда на оси расположены не отдельные колеса, а их пары, повреждение одного из элементов не приведет к потере управления и другим опасным ситуациям.

Чтобы архитектура соответствовала всем строгим представлениям о надежности, нужно использовать следующее:

• Дисковые контроллеры с поддержкой кеширования. В СХД входит множество контроллеров. Достаточный объем кэш-памяти увеличивает скорость обработки данных, многочисленность контроллеров – исключает полный отказ даже при выходе из строя одного из компонентов.

• Дисковые RAID-массивы. Действует тот же принцип, что и в предыдущем случае.

• Устройства с поддержкой функции горячей замены. Таковыми могут быть почти все технические средства, входящие в СХД, от блоков питания до накопителей. Проведение замены оказывается возможным без полной остановки работы.

Накопители

Теперь нужно более подробно разобрать аппаратные средства, входящие в состав СХД. Непосредственно для хранения данных используются накопители, диски форматов HDD, SSD. Именно они в значительной степени определяют общее системное быстродействие, от скорости зависит пропускная способность, время ожидания во время основных процессов, записи, чтения, выполнения вычислительных операций. 

Выбирая диск, нужно обращать внимание не только на его тип, конструктивное исполнение, габариты, но и на интерфейс подключения. Именно от интерфейса зависят следующие показатели:

• Скорость передачи данных.

• Возможность масштабирования, добавления и подключения новых аппаратных средств без сложной перенастройки, изменения общей системной архитектуры.

• Возможность горячей замены, без отключения системы, что упрощает манипуляцию.

Для магнитных дисков используются, как правило, интерфейсы SAS и SATA. Их пропускная способность вполне соответствует скорости работы, удается в полной мере раскрыть потенциал оборудования. Твердотельные накопители – другое дело. Они в десятки раз быстрее HDD, им нужен более современный интерфейс, который не будет ограничивать скорость. Отличный пример – NVMe.

Форм-фактор

Форм-фактор магнитных накопителей обозначается в дюймах, указывающих на диаметр пластинки, обеспечивающей сохранность данных. Для крупных моделей, использующихся в стандартных системных блоках, характерно значение в 3.5 дюйма, для компактных, ориентированных на ноутбуки и моноблоки – 2.5. 

Твердотельные накопители также могут иметь 2.5-дюймовый размер, однако, в последнее время становятся популярными аналоги типа “M.2”. Они идеальны с точки зрения компактности, по сути, выглядят как небольшие платы, на которых размещены все необходимые микросхемы. Несмотря на миниатюрность, такие устройства могут обладать огромной емкостью, измеряющейся сотнями гигабайт и даже терабайтами.

HDD и SSD

При обустройстве СХД используются магнитные и твердотельные накопители, у каждого типа – собственные уникальные особенности, преимущества и спецификации:

• HDD. Оптимальны для больших информационных массивов, где нет значительных требований к скорости и производительности. Такие устройства максимально надежны, при этом их стоимость ощутимо ниже, в сравнении с твердотельными решениями.

• SSD. Чтение и запись данных выполняются с огромной скоростью, так как в конструкции дисков нет механических, подвижных частей, следовательно, нет и ограничений. Минусы – высокая, в сравнении с HDD, стоимость, а также вероятность внезапного отказа. Электроника, в теории, может дать сбой в любой момент, даже при отсутствии предшествующих тревожных сигналов. Механика, как правило, изнашивается постепенно, поломку HDD проще спрогнозировать – он начинает работать медленнее, издает характерный шум, треск при перемещениях считывающей головки и вращении пластин.

В процессе конфигурирования систем хранения данных можно использовать как диски одного типа, так и сразу двух. Второй вариант позволяет получить СХД гибридного класса. Такое решение выглядит очень удачно с точки зрения баланса между стоимостью, эффективностью и функциональности. Для данных, доступ к которым нужен нерегулярно, лучше подойдут недорогие HDD-накопители, тогда как для часто требующихся – скоростные SSD.

Интерфейсы

Накопители оснащаются интерфейсами различных типов, наиболее распространенные выглядят следующим образом:

• SATA. Популярный протокол, часто использующийся на HDD-дисках. Сбалансирован по скорости и надежности, почти все домашние накопители укомплектованы именно SATA-портами. Близкая разработка – SAS, она несколько увеличивает стоимость устройства, однако, добавляет ему быстродействия, увеличивает скорость передачи и приема данных.

• NVMe. Для быстрых твердотельных накопителей SATA не подходит, не позволяет реализовать их скорость. Специально для них был разработан интерфейс NVMe, он дорог, однако, цена в полной мере компенсируется выдающейся пропускной способность.

• FC. Это сетевой протокол, встречающийся в корпоративных массивах. Используются FC-накопители крайне редко.

Существуют и другие интерфейсы, например, IDE и SCSI, однако, они сильно устарели, не соответствуют актуальным требованиям по скорости, передача данных оказывается слишком медленной. Встречаются они нечасто, вытесняются более современными SATA и SAS-аналогами.

Контроллеры и бэкплейны

Это технические средства, обеспечивающие корректную работу систем хранения данных, отвечающие за четкость взаимодействия между накопителями, позволяющие реализовать различные защитные алгоритмы, исключающие риск потери, повреждения информации, файловых систем и структур. 

Дисковые HBA-контроллеры

Благодаря технологичности, такие модели получили очень широкое распространение. По сути, это “тройники”, укомплектованные множеством разъемов, позволяющие системным администраторам подключать накопители, твердотельные и магнитные, формировать RAID-массивы.

Экспандеры и бэкплейны

Основная задача данных компонентов – объединение в системе множества накопителей. В том случае, если свободные разъемы на контроллере закончились, вполне можно воспользоваться бэкплейном, нарастить максимальную емкость.

Контроллеры

Контроллеры – важнейшие компоненты СХД, позволяющие сформировать дисковые массивы, обеспечить необходимую пропускную способность и поддерживать ее на стабильно высокой отметке. В зависимости от технических характеристик, контроллер позволяет создавать RAID-массивы, в которые входит различное количество дисков, сохранение данных ведется параллельно на все накопители, что обеспечивает им высокий уровень защиты и сводит к минимуму риск потери.

С целью повышения отказоустойчивости системы хранения данных могут комплектоваться двумя и более контроллерами. В этой ситуации функции перераспределяются между ними, отказ одного из модулей не приведет к критическому сбою.

Подведение итогов

Одна из главных особенностей современных СХД – многослойность структуры, благодаря которой достигается скорость и стабильность передачи данных. При проведении расчетов, подборе технических средств, нужно грамотно определить оптимальную мощность, исключить формирование участков, ограничивающих пропускную способность.

Специалисты при проектировании СХД рекомендуют учитывать не только актуальные, но и будущие потребности предприятия, заложить достаточный запас по производительности, сформировать базу, которая потребуется при дальнейшем расширении.

Чрезмерная экономия при наладке систем хранения данных недопустима, однако, нерациональным решением являются и чрезмерные траты. Нужно стремиться к балансу между стоимостью, производительностью, функциональной оснащенностью. Для максимально четкого, грамотного, правильного проектирования, рекомендуется доверить данную задачу профессионалам.