Implementar armazenamento em cache SSD no armazenamento QSAN XCubeSAN

As tecnologias de aprimoramento de desempenho baseadas em SSD que são amplamente usadas em sistemas de armazenamento são inventadas há muito tempo. Primeiro de tudo, esse é o uso de SSDs como espaço de armazenamento, que é 100% eficiente, mas caro. Portanto, são usadas tecnologias de emparelhamento e cache, onde os SSDs são usados ​​apenas para os dados mais populares ("quentes"). O rasgo é bom para cenários de uso a longo prazo (dias-semanas) de dados "quentes". E o armazenamento em cache, pelo contrário, é para uso a curto prazo (minutos-horas). Ambas as opções são implementadas no armazenamento QSAN XCubeSAN . Neste artigo, consideraremos a implementação do segundo algoritmo - cache SSD .

A essência da tecnologia de cache de SSD é o uso de SSDs como um cache intermediário entre discos rígidos e memória do controlador. O desempenho dos SSDs, é claro, é menor que o desempenho do cache do próprio controlador, mas o volume é muito maior. Portanto, temos um compromisso entre velocidade e volume.

Indicações para usar o cache de leitura SSD:

• A predominância de operações de leitura sobre operações de gravação (geralmente característica de bancos de dados e aplicativos da web);
• A presença de um gargalo na forma de desempenho de uma matriz de discos rígidos;
• A quantidade de dados solicitados é menor que o tamanho do cache do SSD.

As indicações para o uso do cache SSD de leitura / gravação são os mesmos motivos, com exceção da natureza das operações - um tipo misto (por exemplo, servidor de arquivos).

A maioria dos fornecedores de armazenamento usa cache SSD somente leitura em seus produtos. A diferença fundamental entre o QSAN e eles é a capacidade de usar o cache também para gravação. Para ativar a funcionalidade do armazenamento em cache do SSD no armazenamento QSAN, é necessária uma licença separada (entregue em formato eletrônico).

O cache SSD no XCubeSAN é fisicamente implementado como conjuntos de cache SSD separados. Pode haver até quatro deles no sistema. Cada pool, é claro, usa seu próprio conjunto de SSDs. E já nas propriedades de um disco virtual, determinamos se ele usará o pool de cache e qual. A ativação e desativação do uso de cache para volumes podem ser feitas online sem interromper a E / S. Também no "hot", você pode adicionar SSDs ao pool e removê-los de lá. Ao criar um cache do conjunto SSD, você deve escolher em qual modo ele funcionará: somente leitura ou leitura + gravação. Sua organização física depende disso. Como o cache de conjuntos pode ser vários, a funcionalidade pode ser diferente (ou seja, o sistema pode ter conjuntos de cache para leitura e leitura + gravação ao mesmo tempo).

Se você usar um cache de pool somente leitura, ele poderá consistir em 1 a 8 SSDs. Os discos não precisam ter o mesmo volume e um fornecedor, pois são combinados em uma estrutura NRAID +. Todos os SSDs no pool são compartilhados. O sistema tenta, de forma independente, paralelizar solicitações recebidas entre todos os SSDs para alcançar o desempenho máximo. No caso de falha de um dos SSDs, nada de terrível acontecerá: afinal, o cache contém apenas uma cópia dos dados armazenados em uma matriz de discos rígidos. Apenas a quantidade de cache SSD disponível diminuirá (ou zero, se você usar o cache SSD original de uma unidade).

Se o cache for usado para operações de leitura + gravação, o número de SSDs no pool deve ser um múltiplo de dois, pois o conteúdo é espelhado nos pares de unidades (usando a estrutura NRAID 1+). A duplicação do cache é necessária devido ao fato de que ele pode conter dados que ainda não foram gravados nos discos rígidos. E, nesse caso, a falha do SSD no pool de cache levaria à perda de informações. No caso do NRAID 1+, uma falha no SSD simplesmente levará a uma transição de cache para um estado somente leitura com o despejo de dados não registrados em uma matriz a partir de discos rígidos. Depois de substituir o SSD com falha, o cache retornará ao seu modo original de operação. A propósito, para maior segurança, um cache trabalhando para leitura + gravação pode ser designado como hot spare dedicado.

Ao usar a função de armazenamento em cache SSD no XCubeSAN, existem vários requisitos para a capacidade de armazenamento dos controladores de armazenamento: quanto mais memória do sistema, maior o pool de cache estará disponível.

Diferentemente da maioria dos fornecedores de armazenamento que oferecem apenas a opção liga / desliga como as configurações de cache do SSD, o QSAN fornece mais opções. Em particular, você pode selecionar o modo de operação do cache, dependendo da natureza da carga. Existem três modelos predefinidos que estão mais próximos em seus trabalhos aos serviços correspondentes: banco de dados, sistema de arquivos, serviço da web. Além disso, o administrador pode criar seu próprio perfil, definindo os valores de parâmetro necessários:

Os perfis podem ser alterados rapidamente, mas, é claro, zerando o conteúdo do cache e seu novo "aquecimento".

Considerando o princípio de operação do cache SSD, podemos distinguir as principais operações ao trabalhar com ele:

• Lendo dados quando não estão no cache;
• Lendo dados quando estão presentes no cache;
• Gravando dados ao usar o cache de leitura;
• Gravando dados ao usar o cache de leitura + gravação.

Lendo dados quando não estão no cache

1. A solicitação do host vai para o controlador;
2. Como os solicitados não estão no cache do SSD, eles são lidos nos discos rígidos;
3. Os dados lidos são enviados ao host. Ao mesmo tempo, há uma verificação para ver se esses blocos estão "quentes";
4. Nesse caso, eles são copiados para o cache do SSD para referência futura.

Lendo dados quando estão presentes no cache

1. A solicitação do host vai para o controlador;
2. Como os dados solicitados estão no cache do SSD, eles são lidos a partir daí;
3. Os dados lidos são enviados ao host.

Gravar dados ao usar o cache de leitura

1. Uma solicitação de gravação do host vai para o controlador;
2. Os dados são gravados em discos rígidos;
3. O host retorna uma resposta sobre a gravação bem-sucedida;
4. Ao mesmo tempo, é verificado se o bloco está "quente" (o parâmetro Populate-on-Write Threshold é comparado). Nesse caso, ele é copiado para o cache do SSD para uso futuro.

Gravando dados ao usar cache de leitura / gravação

1. Uma solicitação de gravação do host vai para o controlador;
2. Os dados são gravados no cache do SSD;
3. O host retorna uma resposta sobre a gravação bem-sucedida;
4. Os dados do cache SSD em segundo plano são gravados em discos rígidos;

Verificação nos negócios

Teste 1. Cache somente leitura do SSD com 1-8 SSD

Em teoria, quanto mais SSDs no pool de cache, maior o desempenho. Na prática, isso foi confirmado. O único aumento significativo no número de SSDs com um pequeno número de volumes não leva a um efeito explosivo.

Teste 2. Cache SSD no modo de leitura + gravação com 2-8 SSD

O mesmo resultado: crescimento explosivo do desempenho e dimensionamento com um aumento no número de SSDs.

Nos dois testes, a quantidade de dados operacionais foi menor que o tamanho total do cache. Portanto, com o tempo, todos os blocos foram copiados para o cache. E o trabalho foi, de fato, realizado com um SSD, praticamente sem afetar os discos rígidos. O objetivo desses testes era demonstrar claramente a eficácia do aquecimento do cache e da escalabilidade de seu desempenho, dependendo do número de SSDs.

Agora, vamos voltar do céu à terra e verificar uma situação mais vital quando a quantidade de dados for maior que o tamanho do cache. Para que o teste seja aprovado em um tempo normal (o termo "aquecendo" o cache aumenta significativamente com o aumento do tamanho do volume), nos restringimos ao tamanho de 120 GB.

Teste 3. Emulação do banco de dados

O veredicto

Como uma conclusão óbvia, é claro, uma boa eficiência do uso do cache SSD sugere aumentar o desempenho de qualquer sistema de armazenamento. Com relação ao QSAN XCubeSAN, esta declaração é totalmente aplicável: a função de armazenamento em cache do SSD é implementada perfeitamente. Isso se aplica ao suporte para leitura e leitura + gravação, configurações flexíveis de trabalho para qualquer caso de uso, bem como ao desempenho final do sistema como um todo. Portanto, por um custo muito razoável (o preço de uma licença é comparável ao custo de 1 a 2 SSDs), você pode aumentar significativamente o desempenho geral.