www.gcs.ru
+7(495) 729-51-70 (ГКС)
Инновации хранения данных IBM
Как инновации в хранении информации помогают расти?
Статья

Какие флеш-технологии актуальны сегодня для корпоративной СХД

Систематика-IBM
мобильная версия
, Текст: Александра Кирьянова

Выбор оптимальной системы хранения на флеш-технологиях следует начинать с чёткого понимания принципа работы твердотельных накопителей, особенностей конструкции массивов хранения и СХД. Перед тем, как принять окончательное решение о внедрении системы хранения на флеш-технологиях, которая в любом случае на сегодняшний день будет более быстрой, выгодной и конкурентоспособной, есть смысл структурировать знания о разновидностях современных технологий хранения.

Системы хранения, в которых вместо дисковых накопителей с механическим вращающимся шпинделем использовались интегральные микросхемы, доступны очень давно. Сегодня мы широко используем твердотельные накопители, или SSD (SolidStateDisc), для постоянного хранения данных. Раньше них появились массивы на базе чипов динамической оперативной памяти с произвольной выборкой (DynamicRandomAccessMemory, DRAM) – так называемые «буферы», или «кэш-память», которые использовали только для временного промежуточного хранения данных.

Особенностью работы динамической памяти является потеря всех данных при отключении питания, так что для ее постоянной работы требуются бесперебойные источники питания с резервированием и дополнительное аварийное питание от батарей. До сих пор встречаются твердотельные накопители, выполненные на DRAM, однако цена у них заоблачная, и используются они только в тех случаях, когда необходима минимально возможная латентность операций хранения, невзирая на цену.

В некоторых случаях задержки потоков данных, поступающих по сетевым интерфейсам в СХД и исходящих из него, могут быть переоценены. СХД с сетевым интерфейсом FibreChannel добавляет всего лишь несколько микросекунд латентности. Многие приложения, программные и аппаратные компоненты, завязанные на трафик данных, добавляют порой гораздо большие задержки, нежели СХД. Именно этот факт, скорее всего, объясняет продолжающийся рост продаж твердотельных массивов; даже в средах с сетевым подключением они обеспечивают экстремально низкую латентность и эффективное распределение ресурсов.

Твердотельная память, выполненная на так называемой «флеш-памяти», не требует постоянного питания, может, по аналогии с жестким диском, длительное время хранить данные без подключенного питания. В последнее десятилетие такая память обрела большую популярность в разнообразных устройствах бытовой и коммерческой электроники за счёт простоты использования, надёжности хранения, и, главное, небольших размеров: флеш-карта размером с ноготь способна хранить огромный объем информации.

Ячейки флеш-памяти NAND-типа (NAND, или NotAND, означает логическую операцию «И-НЕ») с так называемым «плавающим затвором» транзистора, представленные компанией Toshiba в 1984 году, впервые были способны хранить данные длительное время без питания. Современные чипы флеш-памяти состоят из миллионов транзисторов и являются основой разнообразных устройств, хранящих информацию коммерческих, государственных, научных и медицинских учреждений по всей планете.

Подключение системы хранения через сетевой интерфейс значительно упрощает вопросы защиты данных и аварийного восстановления. Изначальное размещение пула данных в отдельном хранилище предоставляет возможность простого их копирования с последующей пересылкой копий на другие системы, в другие здания или другие города. Даже ураган, обрушившийся на город и затопивший ЦОД, не сможет уничтожить критические важные данные. Кроме того, автономный твердотельный массив сегодня – это современная корпоративная система с интеллектуальным управлением и всеми преимуществами передовых флеш-технологий.

При лобовом сравнении цен на технологии хранения на жестких дисках и флеш-памяти победа до недавнего времени оставалась за винчестерами. И в то же время, по эксплуатационным издержкам (электричество, охлаждение, занимаемое пространство), затратам на управление, серверы, программное обеспечение и тем более по уровню производительности, при расчётах удельной стоимости гибатайта хранения пальма первенства всегда оставалась за твердотельными накопителями.

Сегодня, после значительного падения цен на фоне значительного повышения выносливости флеш-технологий, цены хранения гигабайта на жестком диске и SSD максимально сблизилась. Таким образом, аналитики предвещают взрывной рост популярности флеш-технологий в корпоративном секторе на протяжении нескольких ближайших лет.

Твердотельные накопители

Появление твердотельных накопителей SSD в формате традиционных винчестеров связано с тем, что в момент их возникновения отсеки любых систем хранения корпоративного класса в серверных стойках были ориентированы под размер жестких дисков. На протяжении более чем 20-летней истории развития флеш-технологий термин «твердотельный накопитель» применялся вне зависимости от их форм-фактора, используемых чипов или области применения.

В наши дни под SSD обычно подразумевают твердотельный накопитель в форм-факторе жесткого диска, оснащённый стандартным для систем хранения интерфейсом и использующий совместимые протоколы передачи данных и ПО.

Пример SSD

Благодаря полной совместимости, твердотельные накопители часто используют вместо обычных винчестеров, добавляя таким образом определенную производительность системам с преимущественным использованием жестких дисков. По мере роста производительности процессоров и несущественного увеличения производительности традиционных систем хранения, понадобилась технология, которая смогла бы сократить этот разрыв, обеспечить большее число операций ввода/вывода в секунду (inputs/outputspersecond, IOPS) и снизить латентность традиционных дисковых массивов. Твердотельные накопители подошли на эту роль.

Помимо этого, дополнительным преимуществом SSD также является стоимость каждого устройства, которая значительно ниже, чем любого другого твердотельного накопителя. Большинство операционных систем предприятий, виртуализационного ПО и контроллеров для систем хранения обновлялись в последнее десятилетие с учетом поддержки SSD, с различной степенью эффективности. Благодаря удобствам использования и цене, SSD по-прежнему оставляют за собой лидерство в качестве наиболее востребованной и продаваемой разновидности твердотельных накопителей.

СХД и массивы хранения данных

Известным преимуществом SSD является простота их использования в традиционных средах хранения данных предприятия, как в серверах, так и в больших скоплениях дисков, известных как массивы хранения данных корпоративного класса в сетях хранения данных (СХД, или StorageAreaNetworks, SAN). Решение класса SAN представлено на изображении ниже.

Типичная топология сети хранения данных (СХД)

СХД является стандартным для современных ЦОДов способом распределения ресурсов хранения, таких как массивы хранения, между несколькими серверами. СХД создаются путем связывания в сеть нескольких серверов с помощью FibreChannel или другой разновидности сетевого интерфейса и подключения их к системам хранения на базе сотен и даже тысяч SSD посредством коммутаторов.

Массивом хранения данных корпоративного класса обычно называют группу интегрированных жестких дисков или других накопителей, управляемых специальным компьютером – контроллером, который управляет общей активностью. На фото ниже изображена подобная система, объединяющая накопители, контроллеры, сетевые коммутаторы и другое соответствующее аппаратное обеспечение системы хранения корпоративного класса в едином корпусе.

Система хранения данных корпоративного класса со всеми необходимыми компонентами в единой стойке

СХД предприятия может быть скомпонована из нескольких массивов или других систем хранения, таких как ленточные накопители или даже библиотеки на оптических дисках, зачастую используемые для архивации данных. Все эти системы хранения объединены общей сетевой структурой на базе технологии FibreChannel или Ethernet, и подключены к серверным системам посредством сетевых коммутаторов.

Карты расширения PCIe

В начале нулевых годов многие приложения стали весьма чувствительны к латентности систем хранения, из-за чего пришлось изобретать альтернативные способы для сохранения высокой оперативности бизнеса. В поисках возможностей, нивелирующих сетевые задержки традиционных СХД, инженерами были разработаны накопители в виде карты расширения под шину PeripheralComponentInterconnectExpress (PCIe) (seeFigure 2-4).

Карта расширения под шину PCI Express

Менее чем за десятилетие эта технология превратилась в один из наиболее успешных способов для создания скоростных твердотельных накопителей. Большинство современных серверов по умолчанию оснащены внутренними разъемами PCIe, благодаря которым дополнительные платы или карты с различными физическими размерами могут подключаться непосредственно к системной плате сервера или через специальные разъемы с определенным числом контактов. Такие PCIe-карты могут содержать большое количество флеш-памяти и вставляться непосредственно в серверную стойку, сводя на нет сетевые задержки СХД.

Системным администраторам достаточно загрузить соответствующее программное обеспечение, которое взаимодействует с операционной системой для управления PCIe-картами и создания больших массивов флеш-накопителей для ускорения производительности чувствительных к задержкам приложений.

Несмотря на практичность и большую популярность, СХД привносят дополнительные задержки при взаимодействии по сети. Каждый запрос из приложения проходить путь от процессора и серверного шкафа через FibreChannel или другой сетевой интерфейс, и далее через один или несколько сетевых коммутаторов попадает в обработку программным и аппаратным обеспечением массива хранения, и лишь после этого достигает конкретного SSD с необходимыми данными, а затем совершает этот путь в обратном порядке.

В зависимости от конструкции сервера, каждый из них может поддерживать различное число накопителей с интерфейсом PCIe, поэтому на сегодняшний день существует великое множество разновидностей альтернативных конфигураций аппаратных платформ и программного обеспечения для работы с различными ИТ-инфраструктурами предприятий. Все они обеспечивают значительно меньшую латентность, нежели традиционные SSD, и уж тем более чем SSD в СХД, одновременно с этим удерживая цены на сравнительно низком уровне.

Иногда накопители в виде карт PCIe, обладающие практически всеми преимуществами твердотельных накопителей, также используют в качестве внутри-серверных массивов для кэширования данных. Производительность таких кэш-массивов уступает DRAM, но в то же время значительно превышает возможности дисковых систем, вне зависимости от физического расположения этих дисков. Такой кэш управляется специальными программами, отслеживающими активность пакетов для различных приложений, размещенных на данном сервере. Наиболее активно используемые данные, обычно наиболее чувствительные к задержкам, копируются в PCIe-накопители и затем с максимальной скоростью считываются приложением.

Модель хранения данных с применением PCIe-накопителей иногда описывают как способ сервер-ориентированного ускорения приложений, обладающего рядом существенных плюсов, например, меньшей по сравнению с DRAM ценой кэширования, благодаря чему продажи PCIe-накопителей стремительным образом выросли в последние семь лет. Однако ни PCIe-накопители, ни SSD до сих пор не в состоянии состязаться на равных с оригинальным типом твердотельных устройств — автономными системами.

Твердотельные массивы хранения

Автономные твердотельные системы хранения данных появились ещё до изобретения SSD и задолго до появления первых карт PCIe. Вопреки пессимистическим прогнозам скептиков, продажи твердотельных массивов хранения данных только растут, несмотря на значительный прессинг со стороны PCIe-накопителей и SSD.

Внешний вид современного твердотельного массива хранения данных

На заре своего развития твердотельные массивы изготовлялись из чипов оперативной памяти, но сегодня такое исполнение – большая редкость, применяемая для специальных нужд, а широко распространенные массивы отныне изготавливаются на чипах флеш-памяти.

По своему прямому назначению, все твердотельные массивы делятся на две основные группы — продукты для тесного взаимодействия с операционными системами, программными и аппаратными архитектурами традиционных серверов и дисковых массивов, и разработанные для специальных нужд отдельные системы.

Вне зависимости от принадлежности к той или иной группе, все твердотельные массивы не предназначены для размещения в серверных отсеках или для подключения к шине PCIe. Все они представляют собой отдельно стоящие, в чем, собственно, заключается их главное преимущество: это быстрая система хранения, предназначенная для совместного использования.

Такая система хранения с совместным доступом, несмотря на более сложное управление производительностью и процессом распределения емкости, обладает рядом значительных преимуществ и в любом случае обеспечивает более низкие задержки доступа для одного или нескольких серверов, нежели SSD или PCIe-накопители – особенно если у предприятия уже имеется СХД. Для предприятий, планирующих подключение нескольких серверов или кластеров с десятками приложений к большим объемам хранимых данных, гораздо проще обзавестись отдельным твердотельным массивом, нежели подключать к каждому серверу свои PCIe-накопители или SSD.

Отдельно стоящие твердотельные массивы также не ограничены физическими рамками стоечных габаритов или лимитами интерфейсных протоколов жестких дисков, поэтому могут комплектоваться очень быстрыми накопителями.

Владимир Бахур