Funkcja Data Progression zoptymalizowana pod kątem pamięci flash Dokument techniczny firmy Dell Howard Shoobe, technolog ds. pamięci masowych dla przedsiębiorstw John Shirley, dział zarządzania produktami Dan Bock, dział zarządzania produktami
Spis treści Streszczenie dla kierownictwa...3 Co wyróżnia funkcję Dell Compellent Data Progression?...4 Cechy wyróżniające dyski SSD...4 Cechy i zalety funkcji Data Progression zoptymalizowanej pod kątem pamięci flash...6 Automatyzacja zadań za pomocą profilów zoptymalizowanych pod kątem pamięci masowej flash... 7 Podsumowanie...9 Dodatkowe informacje...10 Tabele Tabela 1 Klasyfikacja dysków SSD SAS dla przedsiębiorstw...5 Rysunki Rysunek 1 Obsługa warstw danych dzięki funkcji Compellent Data Progression... 7 Rysunek 2 Profil pamięci masowej zoptymalizowany pod kątem technologii flash...8 Niniejsze opracowanie służy wyłącznie celom informacyjnym i może zawierać błędy typograficzne i nieścisłości techniczne. Treść niniejszego dokumentu jest udostępniana bez żadnych gwarancji wyrażonych bądź dorozumianych. 2013 Dell Inc. Wszelkie prawa zastrzeżone. Powielanie tych materiałów w jakikolwiek sposób bez wyraźnej pisemnej zgody firmy Dell Inc. jest surowo zabronione. Aby uzyskać więcej informacji, należy skontaktować się z firmą Dell. Dell, logo DELL oraz znak DELL są znakami towarowymi firmy Dell Inc. Inne znaki lub nazwy towarowe mogą być stosowane w niniejszym dokumencie w odniesieniu do podmiotów posiadających prawo do określonej marki lub nazwy ich produktów. Firma Dell nie rości sobie żadnych praw do znaków towarowych ani nazw będących własnością innych firm. 2
Streszczenie dla kierownictwa W obliczu błyskawicznego przyrostu ilości danych i coraz większych wymagań dotyczących przepustowości we/wy oraz minimalnych opóźnień pamięć masowa flash zapewnia imponujące wyniki, oferując wyższą wydajność we/wy i eliminując konieczność stosowania tradycyjnych, wolniejszych dysków twardych. Dotychczas koszty związane z pamięcią masową flash sprawiały, że technologia ta była stosowania głównie do poprawy wydajności zadań o najwyższym priorytecie. Skalowalna, ujednolicona pamięć masowa Dell Compellent na bloki danych i pliki zmienia koszty związane z technologią flash i umożliwia bardziej opłacalne stosowanie jej w większej liczbie wdrożeń, takich jak systemy OLTP, hurtownie danych, środowiska VDI, a nawet zasoby danych o mniejszym znaczeniu. Rozwiązania Compellent zoptymalizowane pod kątem pamięci flash w tym macierze z samymi dyskami flash i hybrydowe są obecnie bardziej przystępne ze względu na wprowadzenie tańszych dysków SSD MLC do intensywnego odczytu. Trwałe, wydajne dyski SSD do intensywnego zapisu w połączeniu z funkcją Data Progression umożliwiają obecnie sprawną obsługę warstw danych, co znacznie ogranicza koszty rozwiązań flash. Innowacje w tym zakresie pozwalają radykalnie obniżyć koszt gigabajta pamięci masowej, co w praktyce oznacza uzyskanie wydajności dysków flash w cenie tradycyjnych dysków twardych. 1 W macierzach Dell Compellent Storage Center od kilku lat stosowana jest wyjątkowa funkcja obsługi systemów RAID i tworzenia warstw Dell Compellent Data Progression która optymalizuje wydajność i pojemność pamięci masowej. Ze względu na pojawienie się bardziej wydajnych kontrolerów i rosnącą popularność dysków SSD firma Dell wprowadziła nową wersję funkcji Data Progression zoptymalizowaną pod kątem napędów flash. Połączenie dysków SSD do intensywnego zapisu i odczytu oraz funkcji Data Progression zoptymalizowanej pod kątem pamięci flash umożliwia uzyskanie wydajnego systemu z dyskami SSD w cenie wielokrotnie niższej niż w przypadku innych rozwiązań. Niniejszy dokument zawiera ogólne informacje na temat obecnych możliwości funkcji Data Progression, dysków SSD i wdrożenia technologii Data Progression zoptymalizowanej pod kątem pamięci flash. 1 Rozwiązanie Dell Compellent z samymi dyskami flash kosztuje mniej niż porównywalne rozwiązanie z dyskami twardymi 15 tys. obr./min. Dane oparte na wewnętrznej analizie przeprowadzonej przez firmę Dell w lipcu 2013 r. na podstawie porównania obowiązujących w USA cen rozwiązań Dell Compellent zoptymalizowanych pod kątem pamięci flash oraz produktów z dyskami wirującymi. 3
Co wyróżnia funkcję Dell Compellent Data Progression? Funkcja Dell Compellent Data Progression jest w pełni zautomatyzowana i działa w warstwie pamięci masowej. Oprogramowanie do obsługi warstw wirtualizuje dane i rozmieszcza je przy użyciu profilów opartych na zasadach z wykorzystaniem szczegółowego mechanizmu analizy systemu w czasie rzeczywistym. Funkcja Data Progression umożliwia automatyczne przenoszenie danych do optymalnej warstwy i konfiguracji RAID na podstawie rzeczywistych wymagań dotyczących pojemności i wydajności. Dzięki metadanym funkcja określa, czy i w jaki sposób blok danych jest często używany. Jeśli dane są często wykorzystywane, funkcja Data Progression może je umieścić na dysku o wyższej wydajności. Jeśli blok danych jest nieaktywny, można go przenieść na tańszy dysk o dużej pojemności. W przeciwieństwie do innych macierzy, które wymagają czasochłonnego i skomplikowanego administrowania pulą dysków, funkcja Data Progression automatycznie rozmieszcza odpowiednie dane na właściwych dyskach przy bardzo konkurencyjnej cenie. Tradycyjny proces Data Progression w macierzach Compellent jest wykonywany raz dziennie i służy do dwóch głównych celów: 1) Migracja nowo utworzonych stron danych (odtwarzanie) do konfiguracji RAID o większej oszczędności miejsca (zazwyczaj z macierzy RAID 10 do macierzy RAID 5 lub 6). Taki proces migracji umożliwia najszybsze zapisywanie danych bez obciążania macierzy RAID, a następnie przenoszenie ich do wydajniejszych macierzy RAID 5 lub 6. Podejście tego rodzaju minimalizuje konieczność stosowania pamięci podręcznej zapisu w celu maskowania opóźnień przy zapisie spowodowanych obliczaniem parzystości. 2) Przenoszenie stron danych między warstwami dysków o wysokiej wydajności i dużej pojemności w zależności od częstotliwości dostępu. Najczęściej używane dane są przechowywane w warstwie dysków o zoptymalizowanej wydajności, zaś dane rzadziej wykorzystywane znajdują się w warstwie zoptymalizowanej pod kątem pojemności. Dane przeznaczone do odtwarzania (migawki), które nie są aktywne, są automatycznie umieszczane w warstwie o zoptymalizowanej pojemności. Funkcje te są elementem zalecanego profilu, ale istnieje możliwość skonfigurowania własnych ustawień zgodnych z wymaganiami określonych aplikacji. Cechy wyróżniające dyski SSD Mimo że w centrum danych pamięć masową flash można zamiennie stosować z dyskami twardymi, są to jednak fundamentalnie różne technologie. Nośniki oparte na krzemowych lub elektronicznych bramkach NAND i napędy magnetyczne mają odmienne właściwości, ceny i parametry przechowywania danych, które mogą wpływać na wydajność obsługi aplikacji. Podstawowym elementem dysku SSD jest pamięć flash typu NAND. Dyski takie można podzielić na dwa rodzaje: SLC i MLC. W odróżnieniu od magnetycznych dysków twardych dane zapisane na dysku flash muszą zostać usunięte przed zapisaniem ( zaprogramowaniem ) na nim nowych informacji, co jest znane jako cykl zapisu/kasowania (Program-Erase Cycle, PE/C). Maksymalna liczba cykli PE/C dysku NAND zależy od zastosowanej technologii (SLC lub MLC). Zazwyczaj jest to kilka tysięcy cykli na każdą komórkę NAND. Po przekroczeniu tej wartości nie można już zagwarantować wydajności ani niezawodności pamięci masowej flash. Omawiana cecha technologiczna ogranicza liczbę operacji zapisu, których można realnie dokonać na dysku flash. 4
Każda z komórek dysku NAND SLC może przechowywać pojedynczy bit danych. Dzięki temu napędy SLC mogą szybciej zapisywać dane i mają większą trwałość, ale jednocześnie są bardziej kosztowne niż dyski MLC. Trwałość komórek określa się na podstawie liczby operacji ponownego zapisu (skasowania i zaprogramowania danych). Natomiast dyski NAND MLC mogą przechowywać wiele porcji informacji w każdej komórce. Pozwala to znacznie zwiększyć zagęszczenie pamięci i ograniczyć koszty. Wiąże się to jednak z pewnymi wadami, takimi jak mniejsza prędkość zapisu i znacznie ograniczona trwałość. Z drugiej jednak strony napędy NAND MLC oferują wyjątkowo wysoką wydajność losowego odczytu. Napędy SSD, tak jak dyski twarde, są zwykle projektowane z myślą o dwóch różnych rynkach pamięci masowej: dla przedsiębiorstw i dla klientów indywidualnych. Napędy SSD klasy enterprise najczęściej oferują funkcje niedostępne w urządzeniach dla odbiorców prywatnych, takie jak nieulotna pamięć podręczna zapisu, większe możliwości nadmiernego przydzielania komórek NAND, więcej kanałów zapisu oraz dwuportowy interfejs SAS 6 Gb/s. Wszystkie te funkcje zapewniają integralność danych, wysoką dostępność i wydajność, jakiej oczekują przedsiębiorstwa. W pamięciach masowych Compellent stosowane są dwa rodzaje dysków SSD SAS klasy enterprise: napędy do intensywnego zapisu i intensywnego odczytu. Różnią się one przede wszystkim trwałością, pojemnością i ceną. W macierzach Compellent od ponad pięciu lat stosowane są dyski SSD do intensywnego zapisu, ponieważ są one na tyle trwałe, że ich zużycie się w okresie eksploatacji systemu jest mało prawdopodobne. W niniejszym dokumencie dyski SSD do intensywnego zapisu są nazywane napędami SSD SLC, zaś dyski SSD do intensywnego odczytu są określane jako urządzenia SSD MLC. Tabela 1 Klasyfikacja dysków SSD SAS dla przedsiębiorstw Klasyfikacja dysków SSD Koszt na gigabajt Trwałość zapisu Pojemność Wydajność zapisu Do intensywnego zapisu $$$$ ++++++++++ ++ ++++++++++++ Do intensywnego odczytu USD + ++++++ +++ Ceny dysków SSD spadają szybciej niż ceny dysków twardych, zatem napędy SSD do intensywnego odczytu mogą wkrótce zastąpić dyski twarde 15 tys. obr./min w pamięciach masowych o wysokiej wydajności. Używanie pojedynczej warstwy dysków SSD MLC do intensywnego odczytu w standardowej macierzy jest jednak obarczone takimi problemami, jak ryzyko zużycia się w krótkim okresie i spadek wydajności zapisu przy dużym obciążeniu. Zastosowane w macierzach Compellent nowatorskie podejście obejmuje dwa rodzaje napędów flash w jednej obudowie. Warstwa pamięci flash z dyskami SSD typu SLC i MLC (o większej pojemności i krótszej trwałości, ale niższej cenie) pozwala połączyć zalety obu tych technologii i uzyskać znakomity stosunek kosztu do pojemności 2. 2 Rozwiązanie z samymi dyskami flash w cenie 5 USD za gigabajt. Na podstawie cen konkurencyjnych rozwiązań w USA pochodzących z raportu CP Storage firmy Gartner, Inc. z czerwca 2013 r. Ceny rynkowe obliczono przy założeniu naliczenia rabatu w wysokości około 50% na wszystkie konkurencyjne systemy oraz urządzenia Dell Compellent. 5
Firma Dell wprowadziła wiele ulepszeń, które poprawiają wydajność dysków flash w ramach architektury pamięci masowej Compellent: Zaprojektowane od nowa oprogramowanie wewnętrzne Storage Center, które optymalizuje wydajność i minimalizuje opóźnienia dysków SSD. Funkcja Data Progression zoptymalizowana pod kątem pamięci flash, która pozwala wykorzystać trwałe dyski SSD do intensywnego zapisu i ekonomiczne napędy do intensywnego odczytu. Funkcje zarządzania i monitorowania dotyczące pamięci flash, na przykład możliwość kontrolowania poziomu zużycia dysków SSD w macierzy. Funkcja monitorowania wydajności na poziomie poniżej 1 ms w interfejsach użytkownika programów Dell Compellent Enterprise Manager i Storage Center: lepszy wgląd w wydajność pamięci masowej flash. Cechy i zalety funkcji Data Progression zoptymalizowanej pod kątem pamięci flash Aby zapewnić maksymalne korzyści z dysków SSD do intensywnego zapisu i intensywnego odczytu, firma Dell rozszerzyła możliwości funkcji Compellent Data Progression dotyczące napędów SSD: Ulepszona funkcja Data Progression. Funkcje maksymalizujące wydajność dysków SSD różnych rodzajów. Funkcje zarządzania trwałością. Nowe domyślne profile pamięci masowej i rozmiary stron danych dostosowane do pamięci flash. Nowe funkcje monitorowania i zarządzania. O ile tradycyjne algorytmy progresji danych do optymalizacji poziomów RAID i warstw są używane tylko raz dziennie, o tyle funkcja Data Progression zoptymalizowana pod kątem pamięci flash umożliwia przenoszenie danych między warstwami przez cały dzień. Przykładowo dane, które niedawno zostały zamrożone w postaci migawki do odtworzenia, są zasobami tylko do odczytu i można je przenieść na warstwę pamięci masowej do intensywnego odczytu. Cały proces odbywa się w tle przy minimalnym wpływie na wydajność hosta. 6
Rysunek 1 Obsługa warstw danych dzięki funkcji Compellent Data Progression Automatyzacja zadań za pomocą profilów zoptymalizowanych pod kątem pamięci masowej flash Funkcja profilów pamięci masowej w macierzach Compellent automatyzuje czynności, które dotychczas były wykonywane ręcznie. Administrator pamięci masowej może utworzyć nowy wolumin i przypisać do niego określone atrybuty, aby zapewnić prawidłowe rozmieszczanie danych. Możliwe jest na przykład skonfigurowanie wysokiego priorytetu woluminu, który ma być używany jako pamięć masowa o wysokiej wydajności, i w zależności od stopnia aktywności danych przeniesienie go do pamięci masowej zoptymalizowanej pod względem kosztów. Można również wybrać profil przeznaczony do obsługi kopii zapasowych, który pozwoli umieszczać dane bezpośrednio w ekonomicznej warstwie 3. Oprogramowanie Storage Center 6.4 udostępnia dwa nowe profile zoptymalizowany pod kątem pamięci flash i zoptymalizowany pod kątem kosztów które umożliwiają rozmieszczanie danych np. w warstwie o niskim priorytecie (3). Profil pamięci masowej zoptymalizowanej pod kątem technologii flash przekazuje wszystkie operacje zapisu do macierzy RAID 10 w warstwie 1 (flash). Funkcja Data Progression działa na żądanie i automatycznie przenosi migawki oraz dane do intensywnego odczytu na poziom RAID 5, umieszczając je w warstwie 2, która oferuje znakomite parametry odczytu. Profil pamięci masowej zoptymalizowany pod kątem kosztów umożliwia administratorom tworzenie ekonomicznych woluminów na potrzeby takich zastosowań, jak kopie zapasowe, archiwizacja i zadania o niskim priorytecie. Profil pamięci masowej zoptymalizowany pod kątem technologii flash zapewnia najwyższą wydajność pamięci masowej w obudowie z dyskami SSD do intensywnego odczytu i intensywnego zapisu. W przypadku korzystania z tego profilu wszystkie operacje zapisu odbywają się na dyskach do intensywnego zapisu w warstwie 1, zaś operacje odczytu są kierowane na dyski do intensywnego odczytu w warstwie 2. Jeśli dane zajmują 95% pojemności warstwy 1, oprogramowanie Storage Center tworzy replikę danych na potrzeby zarządzania przestrzenią i natychmiast przenosi ją do warstwy 2, aby zwolnić miejsce w warstwie 1. 7
Domyślny rozmiar folderu i strony danych w pamięci masowej jest automatycznie ustawiony na 512 KB, co pozwala zoptymalizować wydajność systemu zoptymalizowanego pod kątem pamięci flash. Domyślny rozmiar strony w przypadku folderów w standardowej pamięci masowej nadal wynosi 2 MB. Rysunek 2 Profil pamięci masowej zoptymalizowany pod kątem technologii flash Funkcja Data Progression zoptymalizowana pod kątem pamięci flash doskonale sprawdza się w następujących środowiskach: Macierze z samymi dyskami flash SSD do intensywnego zapisu i intensywnego odczytu. Macierze hybrydowe z dyskami SSD (do intensywnego odczytu i intensywnego zapisu) i tradycyjnymi dyskami twardymi. Macierze tylko ze zwykłymi dyskami SSD do intensywnego zapisu (z dyskami twardymi lub bez nich). W każdym z tych przypadków dane do zapisania są kierowane na warstwę SSD do intensywnego zapisu w konfiguracji RAID 10. Jest to zgodne z tradycyjnym sposobem zapewniania minimalnych opóźnień zapisu przez funkcję Data Progression. Za każdym razem, gdy tworzona jest migawka do odtworzenia, funkcja Data Progression zoptymalizowana pod kątem pamięci flash przenosi zamrożone strony danych z konfiguracji RAID 10 do RAID 5, a następnie przemieszcza je z warstwy SSD do intensywnego zapisu na warstwę do intensywnego odczytu. Aby zapewnić odpowiednie możliwości zapisu w konfiguracji RAID 10 w warstwie do intensywnego zapisu, macierz Compellent wykonuje migawkę zarządzania przestrzenią, gdy tylko ilość dostępnego miejsca w danej warstwie spadnie poniżej 5%. Rozwiązanie zoptymalizowane pod kątem pamięci flash jest przeznaczone do obsługi zadań o wysokiej wydajności. W przypadku systemu zoptymalizowanego pod kątem pamięci flash, który zawiera same napędy flash (połączenie dysków SSD do intensywnego zapisu i intensywnego odczytu), zamrożone strony danych tylko do odczytu są przenoszone z dysków do intensywnego zapisu na napędy do intensywnego odczytu. Dzięki temu oprogramowanie Storage Center może zapewnić optymalną wydajność przy odczycie danych i niski koszt ze względu na wykorzystanie dysków SSD do intensywnego odczytu bez problemów związanych ze zużyciem urządzeń. W przypadku rozwiązania zoptymalizowanego pod kątem pamięci flash domyślny rozmiar strony automatycznie zmienia się z 2 MB na 512 KB. Mniejsze strony danych pozwalają ograniczyć wymagania dotyczące przepustowości przy obsłudze warstw do intensywnego zapisu i intensywnego odczytu. 8
W bardziej typowych zastosowaniach hybrydowe rozwiązanie flash z napędami SSD obu rodzajów i tradycyjnymi dyskami twardymi oferuje znacznie wyższą wydajność przy mniejszym koszcie. Tak jak w przypadku systemu z samą pamięcią flash, funkcja Data Progression zoptymalizowana pod kątem technologii flash przy każdej migawce do odtworzenia przeprowadza migrację danych między dyskami SSD do intensywnego zapisu i do intensywnego odczytu. Tradycyjna wersja funkcji Data Progression uruchamia się raz dziennie, aby przenieść dane między warstwą SSD i dyskami twardymi. Ze względu na bardziej tradycyjne zastosowania macierzy hybrydowych domyślny rozmiar strony również zmienia się na 512 KB. Umożliwia to maksymalne zoptymalizowanie wydajności zarówno pamięci SSD, jak i dysków twardych. W przypadku klientów, którzy już korzystają z macierzy obejmujących dyski SSD do intensywnego zapisu i tradycyjne dyski twarde, zoptymalizowana funkcja Data Progression zapewnia najlepszą wydajność i możliwość wykorzystania przestrzeni napędów SSD do intensywnego zapisu. Podobnie jak w pozostałych scenariuszach, po każdym odtworzeniu strony danych są zapisywane w macierzy RAID 10 i przenoszone do środowiska RAID 5 w warstwie 1. Funkcja Data Progression zoptymalizowana pod kątem pamięci flash ułatwia ograniczenie liczby nowych operacji zapisu w macierzy RAID 10 w warstwie 1, zapewniając bardziej jednolitą wysoką wydajność systemów z mniejszą liczbą dysków SSD. Tak jak w przypadku macierzy hybrydowych, funkcja Data Progression jest uruchamiana raz dziennie w celu przeniesienia danych między warstwą dysków SSD i tradycyjnymi dyskami twardymi. Podsumowanie Producenci konkurencyjnych macierzy maskują wąskie gardła wydajności, stosując coraz większe pule pamięci podręcznej, ale firma Dell z zaangażowaniem rozwija czołową w branży technologię Data Progression. Nowe algorytmy funkcji Data Progression zoptymalizowanej pod kątem pamięci flash oferują najlepsze funkcje oparte zarówno na pojemnej pamięci podręcznej, jak i na inteligentnym tworzeniu warstw. Pula pamięci flash ze zoptymalizowaną funkcją Data Progression umożliwia ograniczenie kosztów i uzyskanie dużej pojemności dzięki wykorzystaniu wydajnych dysków SSD do intensywnego odczytu i technologii inteligentnej obsługi warstw danych. Większa przepustowość we/wy i mniejsze opóźnienia ułatwiają poprawę wydajności aplikacji klasy enterprise. Rozwiązania Dell Compellent zoptymalizowane pod kątem pamięci flash zapewniają wyjątkową technologię obsługi warstw, umożliwiając uzyskanie wysokiej wydajności pamięci masowej SSD na potrzeby wielu aplikacji i znaczne ograniczenie kosztów w porównaniu z konkurencyjnymi produktami. 9
Dodatkowe informacje Dellstorage.com/Compellent Dell.com/Compellent Test laboratoryjny firmy Storage Switzerland: hybrydowe macierze flash oferują solidną wydajność Większa opłacalność pamięci masowej dzięki rozwiązaniom Dell Compellent zoptymalizowanym pod kątem pamięci flash opis rozwiązania Nowy poziom opłacalności pamięci masowej dzięki rozwiązaniom Dell Compellent zoptymalizowanym pod kątem pamięci flash opracowanie techniczne Rozwiązania Dell Compellent zoptymalizowane pod kątem pamięci flash dane techniczne Obudowy Dell Compellent SC200 i SC220 dane techniczne Obudowa zagęszczona Dell Compellent SC280 dane techniczne Rodzina produktów Dell Compellent Wydajna konsolidacja pamięci masowej dzięki produktom Dell Compellent krótki opis rozwiązania Wdrażanie pamięci masowej flash prezentacja dla kierownictwa Dostęp do danych w dowolnym miejscu i czasie za odpowiednią cenę. 10