Главная › Новости

Решения для ЦОД - Как ускорить работу облачных инфраструктур при помощи технологий хранения данных на основе flash-памяти

Опубликовано: 30.09.2018

Заметный рост производительности процессоров и распространение виртуализированных ЦОД обуславливает возросшую нагрузку на традиционные средства хранения информации: теперь они наиболее часто провоцируют «эффект бутылочного горлышка» в отношении производительности приложений и, что также важно, работы всего сервера.

Флеш-память, благодаря малому времени отклика и более низкому уровню энергопотребления, может стать оптимальным решением для ускорения работы приложений и оптимизации работы сервера. Однако, как и все новое в отрасли, эта технология поначалу считалась рискованной, так как многие осторожные ИТ-специалисты считали, что внедрение этой технологии требует серьезного переосмысления всей ИТ-архитектуры. Но примеры успешного внедрения флеш-памяти дальновидными ИТ-менеджерами способны изменить эту точку зрения.

Microsoft Azure OpenDev—June 2017

Как избавиться от «бутылочного горлышка» в СХД

Многоядерные процессоры и виртуальные серверы на основе нескольких процессоров демонстрируют существенное увеличение производительности серверов  (в IOPS), а пропускная способность и количество операций ввода-вывода в секунду, главные параметры оценки эффективности СХД, увеличились  с 200 000 до 250 000 IOPS для стандартных нагрузок. Основная проблема заключается в том, что большинство баз данных и других приложений, характеризующихся высоким уровнем IOPS,  требуют записи данных в память прежде, чем продолжить работу, из-за чего транзакции «накапливаются» на уровне интерфейса СХД, а ресурсы сервера простаивают без пользы. Данная тенденция показывает, что задержка операций ввода-вывода стала основным фактором, ограничивающим производительность серверных СХД.

Этот сдвиг заставил специалистов снова обратить внимание на огромный разрыв во времени задержки между памятью сервера и жесткими дисками: 100 наносекунд и 10 миллисекунд, соответственно, то есть, разница измеряется пятизначным числом! А производительность сетей SAN и NAS-хранилищ различается еще больше ввиду пропускной способности интерфейсов Fibre Channel или Ethernet, которые также могут блокироваться большими очередями операций ввода-вывода, ожидающих обработки.

Флеш-память упраздняет проблему «бутылочного горлышка», обусловленную высоким временем задержки, за счет сокращения разрыва между производительностью основной памяти сервера и производительностью даже самых быстрых жестких дисков. Будучи внедрена в качестве SSD-накопителя  или в адаптере, флеш-память увеличивает быстродействие приложений и скорость обработки нагрузок до 30 раз, что, в свою очередь, способствует оптимизации работы сервера.

Флеш-память сокращает разрыв в показателях времени задержки и емкости основной памяти сервера и высокоскоростных жестких дисков.

Твердотельные СХД прямого подключения

Чем ближе данные к процессору, ем выше производительность. Поэтому приложения, которым критически важна высокая производительность сервера, обычно располагаются на DAS-хранилищах. При типичном времени задержки операций чтения уровне 200 микросекунд, а операций записи – 100 микросекунд, твердотельные накопители могут успешно заменить традиционные жесткие диски, за счет чего возможно увеличить производительность приложений. Так как SSD имеют такие же интерфейсы и коннекторы, как жесткие диски, их можно легко установить в типичной серверной стойке или других интегрируемых и внешних конфигурациях. При том можно даже не менять логические номера продуктов.

Хотя в DAS-хранилищах можно использовать твердотельные накопители как с интерфейсами Serial ATA (SATA), так и Serial-Attached SCSI (SAS), SAS-решения являются оптимальным выбором для обеспечения высокой производительности. В то время как некоторые приложения довольствуются пропускной способностью SAS на уровне 6 Гбит/с, на рынке уже появились SSD с интерфейсом SAS 12 Гбит/с. Двойные активные интерфейсы предоставляют возможность масштабирования до 24 Гбит/с. А SATA-накопители, предназначенные в основном для клиентских приложений, обеспечивают пропускную способность на уровне 3 Гбит/с или 6 Гбит/с, не имя потенциала для дальнейшего роста.

Другой вариант – расположить твердотельную память прямо в шине PCIe. Существующие интерфейсные карты PCIe потребляют до 25 Вт (в сравнении с 9 Вт при использовании в стойке), обеспечивая более высокую производительность флеш-памяти при более высокой емкости накопителя, а также используя больше каналов для передачи данных (восемь в сравнении с одним-двумя в стойке).

Появился новый класс продуктов, в котором кэширование данных флеш-памяти происходит на PCIe-карты RAID-контроллеров. Этим интерфейсным картам не нужны кабели или стойки ,  у них нет номеров LUN, а также нет необходимости в монтаже. Так называемые «горячие» данные, к которым чаще всего обращается сервер, сразу распознаются и размещаются в флеш-памяти на интерфейсной карте, а «холодные», или менее важные для быстродействия, данные автоматически перемещаются на жесткие диски в RAID-массиве. Благодаря такой конфигурации производительность приложений и обработки нагрузок на сервере увеличивается в 4-5 раз. Кроме того, эти контроллеры значительно ускоряют время восстановления, то есть поддерживают заданный уровень производительности в случае отказа жесткого диска. Подключаемые устройства обеспечивают простоту апгрейда систем и являются самым прозрачным и органичным способом увеличить производительность приложений и ускорить обработку данных.

Сегодня для обеспечения работы некоторых приложений уже возможно внедрение полностью твердотельных СХД уровня 0. Решение использовать флеш-память в определенном приложении в основном касается уровня хранения, притом сравнение жестких дисков и твердотельных накопителей обычно проводится с учетом капитальных затрат на внедрение. Но, если взглянуть на это со стороны уровня приложений, становится очевидным, что SSD способны значительно снизить общую стоимость владения, несмотря на высокую начальную цену решения.

Твердотельные накопители более надежны и лучше управляемы, их легче дублировать или заменять, при этом они потребляют намного меньше электроэнергии, чем жесткие диски. Учитывая эти характеристики, при использовании SSD компаниям легче удовлетворять соглашениям об уровне предоставляемых сервисов (SLA) и благодаря этому избегать штрафов в случаях, когда уровень обслуживания падает ниже оговоренного показателя. Более того, более высокая производительность SSD обеспечивает боле оптимальное использование ресурсов сервера, что, в свою очередь, снижает количество используемых серверов и сопутствующих лицензионных и сервисных соглашений,  необходимых для обеспечения постоянного ровня производительности приложения. В некоторых случаях SSD могут снизить сопутствующие системные издержки до 5-10 раз, при этом гарантируя лучшее качество решения.

Ускорение кэширования данных в флеш-памяти для сред SAN и NAS

По мере того, как емкость флеш-накопителей превышает мыслимые до этого объемы благодаря технологии динамической оперативной памяти DRAM и уже измеряется терабайтами, кэширование данных в флеш-памяти становится очень эффективным  и экономичным способом повысить производительность и повысить эффективность использования виртуальных серверов. Также флеш-память постоянна, что также важно для операций записи в кэше.

Как и DAS, твердотельная кэш-память обеспечивает наивысшие показатели производительности если она внедрена на уровне PCIe-шины в сервере. Интеллектуальное ПО для кэширования размещает «горячие» данные на флеш-памяти в кэше, так как она характеризуется самым низким временем задержки – и  этот процесс прозрачен для всех приложений. Так как при этом нет внешних подключений или промежуточной сети между сервером и SAN или NAS, обеспечивается быстрый доступ к «горячим» данным. Даже учитывая тот факт, что флеш-память отличается более высоким временем задержки, чем DRAM, твердотельная память обеспечивает более высокую производительность, так как высокая емкость флеш-накопителя знаичтльено увеличивает количество обращений к кэш-памяти. Даже хранение всех необходимых для работы приложения данных в кэш-памяти – это уже не редкость.

Также проводятся работы по виртуализации кэш-памяти, чтобы в конечном итоге превратить ее в ресурс общего пользования по подобию виртуализированных серверов и SAN. Перемещение приложения на другую виртуальную машину в настоящее время требует копирования содержимого кэш-памяти на новый хост. Благодаря виртуализации кэш-памяти, это процесс станет быстрым и прозрачным.

Развивающиеся стандарты PCIe

Адаптеры PCIe для твердотельных накопителей обеспечивают исключительную производительность приложений, но они недостаточно стандартизированы, и им не хватает таких атрибутов СХД, как возможность технического обслуживания интерфейса снаружи стойки . Но с 2013 года эти ограничения будут упразднены: в настоящее время готовится ряд новых стандартов, специально оптимизированных под флеш-память. Поддержка интерфейса PCIe, который будет вынесен на соединительную плату, будет основана на новом стандарте Express Bay и на новом форм-факторе внешнего коннектора SFF-8639. Express Bay основан на четырех отдельных подюключениях PCIe и потребляет до 25 Вт, чтобы обеспечить функционирование высокопроизводительных и емких SSD корпоративного класса в форм-факторе 2,5 или 3,5 дюйма.

Так как стандарт Express Bay является комплексом стандартных массивов накопителей и может сосуществовать с ними в рамках одной конфигурации, это революционное решение совершенно совместимо с существующими SAS- и SATA-накопителями. Поддержка новых SSD с интерфейсом SATA Express (SATAe) и SCSI Express (SCSIe) распространяется на конфигурации на основе стандартных стоек путем уплотнения протоколов PCIe поверх существующих подключений SAS/SATA.

Сможет ли флеш-память полностью заменить традиционные накопители на основе движущихся компонентов? Вряд ли это произойдет очень скоро, так как нет реальной выгоды в том, чтобы использовать SSD в обычных файловых хранилищах. Но в тех приложениях, где необходимо быстродействие, технология флеш-памяти уже продемонстрировала свои неоспоримые преимущества, освободив ресурсы серверов и приложений и направив их на выполнение большего количества операций при менее жестких требованиях к инфраструктуре. Количество приложений, использующих flash, растет, так как менеджеры ЦОД видят преимущества этой технологии и быстрый возврат инвестиций. Для большинства пользователей наилучшим решением будет использование жестких дисков ввиду их высокой емкости и дешевизны, но при этом начинать внедрять флеш-технологии там, где требуется повышение производительности и выгода от использования высокопроизводительных решений перевешивает дороговизну их внедрения.