تم تقديم خوارزميات RAID للجمهور في عام 1987. حتى يومنا هذا ، تظل هذه التقنية الأكثر شعبية لحماية وتسريع الوصول إلى البيانات في مجال تخزين المعلومات. ولكن عصر تكنولوجيا المعلومات ، الذي تخطى 30 عامًا ، ليس بالأحرى مرحلة النضج ، ولكنه شيخوخة. والسبب في ذلك هو التقدم وحمل فرص جديدة بلا هوادة. في أوقات عدم وجود محركات أقراص أخرى تقريبًا إلى جانب محرك الأقراص الثابتة ، أتاحت خوارزميات RAID استخدام موارد التخزين المتاحة بكفاءة أكبر. ومع ذلك ، مع ظهور SSD ، تغير الوضع بشكل جذري. الآن RAID عند العمل مع SSDs هو بالفعل "المشنقة" على أدائها. لذلك ، لإطلاق الإمكانات الكاملة لخصائص السرعة لـ SSD ، من الضروري اتباع نهج مختلف تمامًا للعمل معهم.
بالإضافة إلى الاختلافات الواضحة بين محركات الأقراص الصلبة ومحركات أقراص الحالة الثابتة في مبادئ التشغيل ، فإن هذه الأنواع من الوسائط لها خاصية واحدة أكثر أهمية: يمكن لأي محرك أقراص ثابت أن يحل محل أية بيانات بدقة في كتلة واحدة (أصبح الآن 4K). بالنسبة لمحركات أقراص الحالة الثابتة ، تعد عملية إعادة الكتابة إجراء أكثر تعقيدًا:
- يتم نسخ البيانات التي تم تغييرها إلى موقع جديد. في نفس الوقت ، فإن التفاصيل هي نفس الكتلة ، ولكنها تتكون من عدة صفحات ويبلغ حجمها 256 كيلوبايت - 4 ميجابايت. أي عند تغيير نفس 4KB ، من الضروري نسخ بما في ذلك جميع الصفحات المجاورة ، وتشكيل كتلة واحدة.
- قم بتمييز الكتل "القديمة" على أنها غير مستخدمة ، ثم قم بمسحها باستخدام أداة تجميع مجمعي البيانات المهملة.
الكتابة التسلسلية / الكتابة فوق SSD
في حالة التسجيل / الدبلجة المتسلسلة ، لا تلعب ميزة SSD هذه دورًا كبيرًا من حيث أدائها ، لأن تقع الكتل في مكان قريب ، ويقوم جامع القمامة بعمله في الخلفية. ولكن في الحياة الواقعية ، والأكثر من ذلك في قطاع Enterprise لـ SSD ، غالبًا ما يتم استخدام الوصول العشوائي إلى البيانات. ويتم كتابة هذه البيانات إلى الأماكن التعسفية على محركات الأقراص.
كلما تمت كتابة مزيد من البيانات إلى SSD ، زاد صعوبة عمل أداة تجميع مجمعي البيانات المهملة ، نظرًا لأن التجزئة تتزايد بسرعة. نتيجة لذلك ، تأتي اللحظة التي تتوقف فيها عملية تنظيف محرك الأقراص عن "الخلفية": ينخفض أداء محرك أقراص الحالة الصلبة بشكل كبير ، لأن يتم أخذ جزء كبير منه من قبل جامع القمامة.
تخطيط البيانات الحقيقي على SSD للاستخدام اليومي
لتوضيح تأثير تأثير أداة تجميع مجمعي القمامة ، بناءً على وضع التسجيل على محرك الأقراص ، يمكن للمرء إجراء اختبارات بسيطة: تسجيل متسلسل وعشوائي في كتل من 4K إلى محرك أقراص بسعة 100 جيجابايت. (المصدر - ميكرون )
أداء متسلسل للكتابة
كتابة عشوائية الأداء
كما ترون من الاختبارات ، يمكن أن يصل انخفاض الأداء إلى أكثر من مرتين. وهذا هو مجرد محرك واحد. في حالة استخدام SSDs كجزء من مجموعة RAID ، يزيد عدد عمليات إعادة الكتابة بشكل كبير ، وذلك بفضل العمل بتكافؤ.
بشكل عام ، بفضل هذه الميزات من SSD ، فهناك معلمة مثل معامل الكتابة (تضخيم الكتابة). هذه هي نسبة كمية البيانات المكتوبة على محرك الأقراص إلى مقدار البيانات التي أرسلها المضيف بالفعل. وبالنسبة إلى RAID5 الأكثر شعبية ، فإن هذه النسبة هي ~ 3.5.
ونتيجة لذلك ، تستخدم الأنظمة ذات RAID الكلاسيكية محركات أقراص الحالة الثابتة فقط ~ 10٪ فقط من سرعتها الحقيقية وقياسها ضعيف في الأداء مع زيادة في عدد محركات الأقراص التي تزيد عن عشرة.
نلاحظ أيضًا أن عمليات الكتابة المفرطة لا تقلل فقط من أداء محركات أقراص الحالة الثابتة ، ولكنها تقلل أيضًا من مواردها التي لا نهاية لها ، مما يقلل من عمر محرك الأقراص.
تم تطوير تقنية FlexiRemap® ، التي تعد جوهر جميع منتجات AccelStor ، كبديل لخوارزميات RAID الكلاسيكية للعمل مع محركات أقراص الحالة الصلبة. تمت ملاحظة ابتكار التكنولوجيا من خلال العديد من براءات الاختراع والجوائز (بما في ذلك في Flash Memory Summit 2016) ، بالإضافة إلى نتائج الاختبارات المستقلة (على سبيل المثال ، SPC1).
يتمثل جوهر FlexiRemap® في تحويل جميع طلبات الكتابة الواردة ، وخصوصًا الكتابة العشوائية ، إلى مجموعة من الكتل المشابهة للتسجيل المتسلسل من وجهة نظر محرك الأقراص. نتيجة لذلك ، يتم التسجيل في SSD في أكثر وضع مريح بالنسبة لهم ، ويتجاوز الأداء النهائي أي نظام باستخدام RAID كلاسيكي.
تنقسم جميع محركات أقراص الحالة الثابتة في أنظمة AccelStor إلى مجموعتين FlexiRemap® متماثلتين. يعتمد حجم المجموعة على الطراز وهو 5-11 محركات أقراص. من أجل المرونة داخل المجموعة ، يتم استخدام التكافؤ مثل RAID5. تستخدم كلا المجموعتين معًا لتشكيل مساحة تخزين مشتركة. لذلك ، سيكون التسامح الناتج عن الخطأ مشابهاً لصفيف RAID50 الذي يتكون من مجموعتين: النظام قادر على تحمل فشل ما يصل إلى مجموعتي SSD ، ولكن ليس أكثر من واحدة في كل مجموعة FlexiRemap®.
يتم تقسيم جميع طلبات الكتابة الواردة إلى كتل 4K ، والتي في وضع روبن مستديرة لكلا المجموعتين FlexiRemap®. علاوة على ذلك ، فإن النظام يتتبع باستمرار الطلب على القطع المسجلة ، في محاولة لتسجيل مثل هذه القطع أقرب ما يمكن. اتضح التماثل الظاهري للتمزق ، إذا تم التعبير عنها من حيث التخزين. في هذه الحالة ، يتم تسهيل عمل جامع البيانات المهملة إلى حد كبير: بعد كل شيء ، ستكون الكتل غير المستخدمة في مكان قريب دائمًا.
تجدر الإشارة إلى أن أنظمة AccelStor ، بخلاف منتجات المنافسين ، لا تستخدم وظيفة التخزين المؤقت للطلبات الواردة في وحدة التحكم RAM. تتم كتابة جميع كتل البيانات الواردة على الفور إلى SSD. يتلقى المضيف تأكيدًا للتسجيل الناجح فقط بعد الوضع الفعلي للبيانات على محركات الأقراص. يتم تخزين جداول تخصيص الكتلة فقط على SSD في ذاكرة الوصول العشوائي لتسريع الوصول وتحديد مكان كتابة الكتلة التالية من البيانات. بالطبع ، من أجل الموثوقية ، توجد نسخ من هذه الجداول أيضًا على الوسائط نفسها. نتيجة لذلك ، لا تتطلب أنظمة AccelStor أي حماية للذاكرة المؤقتة في شكل بطارية / مكثف (ومع ذلك ، هناك فرصة لإقامة اتصال مع UPS لإغلاق "ضعيف" في حالة حدوث مشاكل في الطاقة).
بفضل هذا الأسلوب في تنظيم التسجيلات ، يستطيع جامع البيانات المهملة حقًا العمل في الخلفية دون التأثير بشكل كبير على سرعة محركات الأقراص ، مما يسمح في النهاية باستخدام ما يصل إلى 90٪ من أداء SSD داخل النظام. هذا هو بالضبط ما IOPS في أنظمة AccelStor ضد All Flash ، استنادا إلى خوارزميات RAID.
ميزة أخرى مهمة في تقنية FlexiRemap® تتمثل في التقليل الكبير في عمليات الكتابة الزائدة على محركات أقراص الحالة الصلبة. وبالتالي فإن معامل تضخيم الكتابة لأنظمة AccelStor هو 1.3 فقط ، مما يعني ترجمته إلى اللغة العامة ، مما يعني زيادة في عمر محركات الأقراص بأكثر من 2.5 مرة مقارنة بـ RAID5!
بفضل المراقبة المستمرة من قبل نظام سياسة وضع البيانات على SSD ، تبلى جميع محركات الأقراص بنفس الطريقة. يسمح لنا هذا النهج بالتنبؤ بعمر الخدمة والإشارة إلى المسؤول مسبقًا حول استنفاد مورد التسجيل.
من الواضح أن محركات أقراص الحالة الصلبة قد تفشل. في هذه الحالة ، سيبدأ النظام على الفور في إعادة الإنشاء إلى أحد محركات الأقراص الاحتياطية الساخنة. في هذه الحالة ، تنتقل مجموعة FlexiRemap® ، وهي في حالة تدهور ، إلى وضع القراءة فقط ، ويتم إرسال جميع طلبات الكتابة إلى المجموعة الثانية. يتم توفير آلية الحماية هذه لتسريع عملية إعادة البناء وتقليل احتمال فشل محرك أقراص آخر داخل نفس المجموعة. ليس سراً أنه أثناء عملية إعادة الإنشاء ، واجهت جميع محركات الأقراص في المجموعة زيادة في الحمل نظرًا للتداخل من عمليات القراءة والكتابة والاستعادة في حالة التشغيل السريع. هذا يزيد من احتمال فشل محرك أقراص آخر. وكلما زادت عمليات التسجيل ، كلما استغرقت عملية إعادة البناء أطول.
بعد اكتمال عملية الاسترداد وعودة مجموعة FlexiRemap® إلى حالتها الطبيعية ، سيكون هناك تحيز بسيط في مورد التسجيل بين المجموعتين. لذلك ، لمواءمتها ، غالبًا ما تقع عمليات التسجيل اللاحقة على المجموعة المستعادة (بطبيعة الحال ، بحيث لا يعاني أداء النظام النهائي كثيرًا).
من المستحيل زيادة أداء جميع أنظمة Flash بناءً على خوارزميات RAID فوق بعض القيم (~ 280 كيلو بايت IOPS @ 4K كتابة عشوائية) حتى مع أنظمة التخزين المؤقت المعقدة. تقنية FlexiRemap® ، وذلك بفضل اتباع نهج مختلف تمامًا في تنظيم مساحة التخزين ، ليس فقط التغلب على هذا الحاجز بسهولة ، ولكن أيضًا في وقت واحد يزيد من عمر خدمة محركات أقراص الحالة الثابتة بعدة مرات. لذلك تتمتع أنظمة AccelStor بمزايا جادة بين صفيفات All Flash على العديد من الجبهات (IOPS / $ ، GB / $ ، TCO ، ROI) ، مما يجعلها مرشحة مثالية لشغل وظائف رئيسية في مراكز بيانات العملاء لحل المهام كثيفة الاستخدام للموارد.