Технологии автоматического тиринга и кэша чтения на SSD в системах хранения Dell PowerVault ME5

В этой статье представлено и описано, как в системах хранения Dell PowerVault ME5 реализованы технологии трехуровневого авто-тиринга и кэша чтения на SSD. Эти решения комбинируют SSD и HDD для повышения производительности и эффективности приложений за счёт автоматического распределения данных на уровне sub-LUN и использования sub-LUN SSD Read Cache.

Серия СХД PowerVault ME5 — это «золотой стандарт» среди систем хранения начального уровня, специально разработанный и оптимизированный для сред SAN и DAS, обеспечивая простоту, производительность и доступность. Этот блочный массив переносит ключевые функции хранилищ корпоративного уровня в сегмент малого и среднего бизнеса — просто и экономично.

Благодаря гибким вариантам подключения массивы PowerVault ME5 обеспечивают серьезные преимущества для SAN/DAS-нагрузок: высокие показатели IOPS, большую пропускную способность, масштабируемость и низкие задержки. Модель поставки с полным набором ПО помогает снизить операционные расходы и повысить эффективность эксплуатации, что делает серию ME5 практически вне конкуренции. Подробнее о производительности ME5 можно прочитать в нашем блоге - в общем обзоре с тестированием гибридной конфигурации и в статье со сравнением производительности гибридной конфигурации с all-flash массивом в разрезе enge-внедрений.

Если вам нужна максимальная производительность и абсолютная простота в компактном исполнении, если вы ориентированы на стоимость и при этом требуете высокой доступности и надежности хранилища, то Dell PowerVault ME5 — в форм-факторе 2U или 5U — станет отличным выбором. Разработанные, чтобы сочетать скорость флеша и экономичность дисков, системы PowerVault ME5 идеально подходят для консолидации хранилищ небольшого масштаба, ускорения работы приложений и обеспечения непрерывности бизнеса.

Выбор оптимального соотношения HDD и SSD зависит от конкретных бизнес-задач.

Сегодня компании любого размера, практически в любой отрасли и сфере, сталкиваются с одинаковой проблемой — где и как хранить свои данные. Технологии хранения данных значительно продвинулись, и те, кто выбирает новое решение, сталкиваются с огромным количеством информации о том, какая технология лучше. Быстрый поиск по теме выдаёт множество противоречивых мнений, однако одно можно сказать точно — вокруг преимуществ твердотельных накопителей (SSD) действительно много шума.

SSD действительно обеспечивают более высокую производительность, измеряемую в IOPS (операциях ввода-вывода в секунду), и более низкие задержки (время отклика приложений), особенно по сравнению с традиционными HDD.

Несмотря на то, что NVMe-накопители за последние годы стали стандартом в высокопроизводительных серверных конфигурациях благодаря низким задержкам, высокой пропускной способности и прямому доступу к PCIe-шине, в сегменте систем хранения начального уровня они пока не получили широкого распространения. Основные причины — более высокая стоимость по сравнению с SATA/SAS SSD, отсутствие острой необходимости в максимальной скорости у большинства SMB-заказчиков, а также сложность реализации полной отдачи от NVMe в бюджетных массивах с ограниченным количеством контроллеров и каналов ввода-вывода. Для небольших компаний важнее оптимальное сочетание цены, надежности и достаточной производительности, что чаще достигается с помощью гибридных или полностью SATA/SAS SSD-конфигураций.

Авто-тиринг: сочетание гибких аппаратных опций и интеллектуального ПО

Тиринг — это автоматическое распределение данных между разными типами носителей в системе хранения в зависимости от того, как часто к этим данным обращаются.

Например:

• «Горячие» данные, которые используются постоянно (базы данных, активные проекты), система хранит на быстрых SSD.
• «Холодные» данные, к которым обращаются редко (архивы, резервные копии), перемещаются на более медленные, но емкие HDD.

Это позволяет получить высокую скорость там, где она действительно нужна, и экономить на хранении больших объемов менее востребованной информации.

С аппаратной точки зрения Dell предлагает широкий выбор HDD и SSD различных объемов и моделей, а также разные варианты корпусов — для 2,5″ SSD и HDD или 3,5″ высокоемких HDD. Клиенты могут проектировать системы с разными комбинациями оборудования для RAID-массива и модулей расширения JBOD (EBOD/DAE), чтобы достичь нужных показателей по емкости и производительности. Например, можно начать с СХД Dell PowerVault ME5024 (2U24 RAID-корпус), добавить в него SSD, HDD или их комбинацию, а затем увеличить общую ёмкость, подключив модуль расширения 2U12 или 5U84 с дисками по 4 ТБ.

Чтобы эффективно и экономично использовать такие аппаратные возможности, требуется интеллектуальное программное обеспечение. Серия ME5 по умолчанию “из коробки” включает умный софт, который автоматически выполняет тиринг данных между SSD и HDD в реальном времени. ПО распознает паттерны входящих данных и размещает их на наиболее подходящем уровне, обеспечивая оптимальную производительность.

Перед тем как рассматривать ПО ME5 подробнее, важно понимать ключевой принцип гибридных систем хранения: не все данные клиента являются «горячими» и требуют производительности SSD. Например, на графике (рис. 1) показано распределение операций ввода-вывода по всему пулу доступной ёмкости. На первый взгляд может показаться, что I/O равномерно распределены по всему диапазону LBA, однако если построить график зависимости накопленных IOPS от общей ёмкости (рис. 2), видно, что 80% всех операций приходится лишь на 6,6% общего объема. В этом примере общий объём пула составил 30 ТБ, а 6,6% от него — это всего 1,98 ТБ.

Это говорит о том, что значительную часть операций ввода-вывода от хостов можно обслужить, имея всего 1,98 ТБ быстрого пространства. Поэтому логично подобрать объём SSD, соответствующий этому размеру, а остальной массив данных хранить на более доступных по цене HDD. Этот принцип лежит в основе систем хранения начального уровня Dell — и реализуется благодаря уникальному программному обеспечению.

Технология авто-тиринга PowerVault ME5

Программное обеспечение ME5 основано на концепции «paging». Пользовательские тома логически разбиваются на небольшие блоки размером по 4 МБ, называемые страницами (pages). Каждая страница получает рейтинг на основе сложного алгоритма, и этот рейтинг используется для эффективного выбора страниц, которые следует переместить между уровнями хранения.

В результате страницы могут автоматически мигрировать между уровнями так, чтобы операции ввода-вывода оптимизировались в реальном времени. Например (рис. 3), три страницы перемещены с уровня Enterprise SAS на уровень SSD, одна страница — с уровня Midline SAS на SSD, и одна страница — с SSD на SAS.

Тиринг выполняется на уровне sub-LUN, что обеспечивает эффективное перемещение данных при минимальной загрузке CPU и памяти. Перемещения происходят в реальном времени, а не пакетно в офлайн-режиме, что делает процесс более оперативным и эффективным — самые активные данные всегда находятся на максимально быстром уровне.

Во многих конкурентных решениях используется пакетная миграция, выполняемая раз в 24 часа. Однако в современных условиях сутки — это очень большой срок: данные, которые были критичными в момент анализа, к моменту миграции могут утратить свою актуальность. В итоге заказчики не могут в полной мере использовать вложения в SSD.

Рис.3 Страницы перемещаются между уровнями.

Ключевые принципы работы:

• Алгоритм тиринга запускается каждые 5 секунд: выполняется ранжирование, сканирование и миграция страниц.
• Страницы ранжируются в зависимости от паттернов доступа.
• Сканирование ищет страницы с высоким рейтингом.
• Страницы с высоким рейтингом перемещаются вверх или вниз по уровням хранения.
• Перемещение вниз выполняется только при необходимости освободить место для страницы с более высоким рейтингом.

• За один 5-секундный интервал мигрирует не более 80 МБ данных, чтобы избежать деградации производительности системы.

PowerVault ME5: кэш чтения на SSD

Помимо авто-тиринга, ME5 предлагает второй способ использования SSD — SSD Read Cache. Это специальная группа дисков, предназначенная для хранения временных копий данных на одном или нескольких SSD.

Преимущества кэша чтения:

• Повышение производительности в сценариях с преобладанием операций чтения, где критична максимальная производительность IOPS.

•  Не ускоряет операции записи — ориентирован на задачи с высокой долей чтения.

• Требует меньше SSD по сравнению с выделенным SSD-уровнем.

• Для кэша чтения достаточно одного SSD-диска в пуле хранения (в отличие от SSD-тиера, который для отказоустойчивости требует несколько дисков).

• Использует алгоритмы, аналогичные тирингу, чтобы копировать в кэш только активные страницы.

• Активные страницы могут поступать из любого тома внутри пула.

Кэш чтения активируется, когда контроллерный кэш насыщен. Программное обеспечение контроллера передаёт «подсказки» ПО ME5 о страницах, которые желательно сохранить, но на которые уже не хватает места в кэше контроллера. Эти страницы копируются в SSD Read Cache. Чтение обслуживается с SSD, а запись идет одновременно на SSD и HDD.

Ключевой принцип: кэш чтения хранит копии данных, уже имеющихся на уровне HDD, поэтому для отказоустойчивости не требуется дополнительных SSD. SSD обеспечивают производительность, а HDD — надёжность хранения. Это делает технологию экономичным способом повышения быстродействия.

Результаты тестирования

Dell совместно с независимым поставщиком провели несколько серий тестов, чтобы сравнить производительность гибридного массива с системой, полностью построенной на HDD. В рамках испытаний использовались различные сценарии нагрузки: Microsoft SQL Server, Microsoft Exchange и среда VMware с набором смешанных приложений.

Тестирование начиналось с конфигурации только на HDD (базовый уровень), затем проводился тест с кэшем чтения на SSD, а после — тест с полноценным SSD-тирингом.

На графике (рис. 4) синим цветом показаны результаты базовой конфигурации на HDD, красным — с кэшем чтения, зелёным — с полным SSD-тирингом. Добавление SSD и использование ПО авто-тиринга привели к росту количества транзакций в секунду при работе с базами данных, а также к снижению времени отклика системы.

Рис. 4. Результаты тестирования Microsoft SQL OLTP

Стоит отметить, что помимо первоначального выделения SSD под кэш чтения или SSD-тиер, от пользователя не требуется дополнительных действий. Программное обеспечение серии ME5 автоматически анализирует входящие рабочие нагрузки и принимает оптимальные решения о размещении данных для достижения максимальной производительности.

Например, большинство баз данных работают с небольшими случайными транзакциями. Такие нагрузки, как правило, IOPS-интенсивны и лучше обслуживаются на SSD, чем на HDD. Поэтому при обнаружении подобного типа активности массив ME5 автоматически начинает миграцию данных с HDD на SSD-тиер. Как видно на рисунке 4, эта миграция начинается немедленно и выходит на стабильный уровень менее чем за 14 часов. Для сравнения, конкурентные решения с пакетной миграцией потребовали бы значительно больше времени, прежде чем начали давать прирост производительности.

Заключение

Использование SSD в корпоративных системах хранения заметно выросло и привело к появлению множества инновационных решений на рынке. При этом гибридные массивы по-прежнему остаются востребованным и доступным вариантом для многих корпоративных заказчиков, чьи рабочие нагрузки не требуют минимальных задержек и производительности уровня NVMe.

Применение SSD позволяет повысить производительность гибридной системы. Автоматический тиринг обеспечивает рост скорости чтения и записи, повышая эффективность массива при меньших затратах на оборудование. Альтернативно, кэш чтения на SSD ускоряет выполнение задач за счёт хранения часто запрашиваемых данных в более быстром носителе.

Функции, доступные в ПО PowerVault ME5 — такие как авто-тиринг и SSD Read Cache, в сочетании с гибкими аппаратными опциями, позволяют заказчикам эффективно внедрять недорогие, но высокопроизводительные массивы хранения.