Әртүрлі деңгейлердегі RAID өнімділігін түсіну

RAID деңгейін таңдау құны, сенімділігі, сыйымдылығы және өнімділігі сияқты көптеген факторларды теңестіру әрекеті болып табылады. RAID өнімділігін түсіну қиын болуы мүмкін, себебі әр түрлі RAID деңгейлері әртүрлі әдістерді қолданады және іс жүзінде аздап басқаша әрекет етеді.

Бұл мақалада біз 0, 5, 6 және 10 стандартты RAID деңгейлерін олардың өнімділігі қалай ерекшеленетінін қарастырамыз. Бұл мақалада RAID 1 RAID 10 ішкі жиыны деп болжанады. Қарапайым сөзбен айтқанда, RAID 1 RAID 10 массивіне ұқсас, тек айна жұбының бір элементін ғана қамтиды. RAID 1 шын мәнінде бір жұптық RAID 10 болғандықтан және солай әрекет етеді, бұл RAID өнімділігін түсінуді жеңілдететін тамаша жұмыс жасайды. Бұл жай ғана RAID 10 өнімділік қисығымен жүреді.

RAID оқу және жазу

Кез келген жадты пайдалану кезінде ескерілетін өнімділіктің екі түрі бар: оқу және жазу.

RAID-ке келетін болсақ, оқу қарапайым, бірақ жазу өте күрделі. Оқу өнімділігі барлық түрлерде дерлік сәйкес келеді. Дегенмен, жазба жоқ.

Жұмысты талқылауды жеңілдету үшін біз бірнеше терминдерді анықтауымыз керек, өйткені біз кейбір теңдеулермен жұмыс жасаймыз.

Талқылауымызда біз жиі шпиндельдер деп аталатын жиымдағы жетектердің жалпы санына сілтеме жасау үшін «N» қолданамыз. Әрбір дискінің өнімділігін жеке белгілеу үшін «X» қолданамыз. Бұл диск өнімділігінің факторы ретінде салыстырмалы өнімділік туралы айтуға мүмкіндік береді.

Біз таза IOPS (секундына кіріс шығыс операциялары) туралы ойламай-ақ RAID массивін абстракциялай аламыз. Бұл маңызды, өйткені IOPS анықтау жиі өте қиын. Бірақ біз өнімділікті массивтегі жеке дискілерге қатысты қарау арқылы мағыналы түрде салыстыра аламыз. Сондай-ақ, біз бүкіл сақтау ішкі жүйесі емес, тек массив өнімділігі туралы айтып отырғанымызды есте сақтау маңызды. Жад кэштері және қатты күйдегі кэштер сияқты артефакттар сақтау ішкі жүйесінің жалпы өнімділігіне таңқаларлық әсер етуі мүмкін. Бірақ олар массивтің негізгі өнімділігін өзгертпейді.

Әртүрлі кэш параметрлері жалпы өнімділікке қалай әсер ететінін анықтаудың қарапайым формуласы жоқ. Айта кету керек, бұл өте әсерлі болуы мүмкін және кэш таңдауы мен жұмыс жүктемесіне өте тәуелді. Тіпті ең үлкен, ең жылдам және сенімді кэш опциялары массивтің ұзақ мерзімді, тұрақты өнімділігіне әсер ете алмайды. RAID күрделі процесс және соңғы өнімділікке көптеген факторлар әсер етеді. Солардың бірі – жүйенің өзін жүзеге асыру. Нашар іске асыру кешіктіруге әкелуі мүмкін. Немесе ол қолжетімді шпиндельдерді пайдаланбауы мүмкін (мысалы, RAID 1 массиві бір уақытта екеуінен емес, тек бір дискіден оқылады). Нақты іске асырудағы кемшіліктерді есепке алудың оңай жолы жоқ. Біз барлығы спецификация аясында жұмыс істейді деп болжауға тиіспіз. Кез келген кәсіпорынның RAID жүйесі мұны жасайды. Бұл аспектіде әуесқойлық және тұтынушы RAID жүйелері ең алдымен сәтсіздікке ұшырайды.

RAID өнімділігіндегі процессордың рөлі

Кейбір RAID түрлері де үлкен есептеу шығындарын талап етеді, ал басқалары жоқ. Ең алдымен, паритеттік RAID деңгейлері жазу операцияларын өңдеу үшін қарқынды өңдеуді қажет етеді, әр түрлі деңгейлер әр операция үшін әртүрлі есептеулерді қажет етеді. Бұл кешігуді енгізеді, бірақ өткізу қабілеттілігін төмендетпейді. Дегенмен, бұл кідіріс RAID деңгейін іске асыруға, сондай-ақ жүйенің есептеу мүмкіндіктеріне байланысты өзгереді. Бұл тапсырманы орындау үшін RAID аппараттық құралы жалпы мақсаттағы процессорды (көбінесе Power немесе ARM RISC процессоры) немесе реттелетін ASIC пайдаланады. ASIC өте жылдам болуы мүмкін, бірақ оларды өндіру қымбат. RAID бағдарламалық құралы бұл функцияны сервер процессорына береді. Әдетте, мұнда сервер процессоры жылдамырақ, бірақ жүйелік ресурстарды тұтынады.

Бұл кідіріс сақтау өнімділігіне әсер етеді, бірақ оны болжау өте қиын және номиналдыдан маңыздыға дейін өзгеруі мүмкін. Сондықтан мен әрбір RAID деңгейіндегі салыстырмалы кідіріс әсерін атап өтемін, бірақ оны өлшеуге әрекет жасамаймын. Көптеген RAID өнімділігін есептеулері бұл кідірісті елемейді. Дегенмен, ол әлі де бар. Жиым конфигурациясына байланысты бұл жұмыс жүктемесіне айтарлықтай әсер етуі мүмкін. Айта кету керек, оқу операциялары дискінің өзінде деректерді орналастыру тиімділігіне байланысты өнімділікке аз әсер етеді.

Дискілердегі паритет оқу әрекеті кезінде пайдалы емес, бірақ оны жылдамдату үшін пайдаланылмайтын деректерді қажет етеді. Бұл оның сәл баяу жұмыс істеуіне әкеледі. Бірақ бұл әсер минималды және әдетте өлшенбейді, сондықтан оны елемеуге болады. Әрине, жолақ өлшемі сияқты факторлар да өнімділікке әсер етеді. Бірақ бұл кез келген деңгейдегі ішкі артефакт емес, конфигурацияланатын параметр болғандықтан, біз бұл жерде оны елемейміз. Бұл RAID деңгейінің өзін таңдаудағы фактор емес, оны конфигурациялау кезінде ғана.

Сақтау оқу/жазу қатынасы

Біз атап өткіміз келетін соңғы фактор - сақтау операцияларының оқу мен жазу қатынасы. Кейбір RAID массивтері дерлік тек оқу операциялары үшін, кейбіреулері жазу үшін пайдаланылады. Көпшілігі екі құрылғының қоспасын пайдаланады, мүмкін, шамамен 80% оқу және 20% жазу. Бұл қатынас нақты массивтен алатын өнімділікті түсіну және әрбір RAID деңгейінің сізге қалай әсер ететінін түсіну үшін өте маңызды. Біз мұны оқу/жазу қоспасы деп атаймыз. Біз сақтау өнімділігін ең алдымен IOPS жүйесінде өлшейміз. IOPS секундына енгізу/шығару операцияларын білдіреді. Біз, мысалы, 80/20 қатынасы бар Read IOPS үшін RIOPS, Write IOPS үшін WIOPS және аралас IOPS үшін BIOPS терминдерін қолданамыз. Көптеген адамдар IOPS тұрғысынан сақтау өнімділігі туралы айтады. Бұл орындалғанда, бұл әдетте 50/50 аралас IOPS дегенді білдіреді.

Дегенмен, кез келген жұмыс жүктемесі 50/50 деңгейінде сирек орындалады, сондықтан бұл көрсеткіш жаңылыстыруы мүмкін. Өнімділікті түсіну үшін бізге екі сан қажет: RIOPS және WIOPS. Біз қажет IOPS комбинациясын табу үшін осы екі мәнді бірге пайдалана аламыз. Мысалы, 50/50 қоспасы қарапайым формула (RIOPS * .5) + (WIOPS * .5). Неғұрлым кең таралған 80/20 қоспасы (RIOPS * .8) + (WIOPS * .2) болады.

Енді біз кейбір критерийлер мен негізгі түсініктерді анықтадық, біз RAID деңгейлерінің өздеріне тереңірек еніп, олар бойынша өнімділіктің қалай өзгеретінін көреміз. Барлық RAID деңгейлері үшін NX көмегімен секундына оқу әрекеттерін есептейміз. Әрине, бұл жоғарыда аталған номиналды үстеме шығындарға қолданылмайды. Бұл «ең жақсы жағдай». Бірақ нақты сандар соншалықты жақын, бұл формуланы қолдану практикалық. Шпиндельдердің санын (N) алыңыз және жеке жетектің IOPS-іне (X) көбейтіңіз. Дискілердің жиі оқу және жазу өнімділігі әртүрлі екенін есте сақтаңыз. Сондықтан оқылған IOPS мәнін есептеу үшін оқылған IOPS немесе тексерілген диск жылдамдығын және жазу IOPS есептеу үшін жазу IOPS немесе тексерілген жылдамдықты пайдаланыңыз.  

RAID 0 өнімділігі

RAID 0 түсінудің ең оңай деңгейі, өйткені оны қуаттандыру үшін іс жүзінде ешқандай үстеме шығын немесе ресурстар жоқ, оқу мен жазу әр шпиндельдің толық пайдасын алады. Сонымен, RAID 0 үшін жазу өнімділігінің формуласы қарапайым: NX.

RAID 0 әрқашан ең жоғары өнімділік деңгейі болып табылады. Мысал ретінде сегіз шпиндельді RAID 0 массивін келтіруге болады.Егер массивтегі жеке диск 125 IOPS қамтамасыз етсе, біздің есептеуіміз N = 8 және X = 125 арқылы орындалады, сондықтан 8 * 125 1000 IOPS береді. Мұнда оқу және жазу үшін IOPS бірдей. Сонымен, бәрі қарапайым: біз араластырусыз 1K RIOPS, 1K WIOPS және 1K аламыз. Жеке шпиндель үшін абсолютті IOPS-ті білмесек, аралас IOPS-тен 8 есе жоғары болатын сегіз шпиндельді RAID 0 деп атауға болады.

RAID 10 өнімділігі

RAID 10 – есептеудің екінші қарапайым деңгейі. RAID 10 RAID 0 айналарының жиынтық жолағы болғандықтан, бізге жолақ үстіңгі жағы туралы алаңдамаудың қажеті жоқ, бірақ шағылыстыруды жасау үшін әрбір айна бірдей деректерді екі рет жазуы керек. Бұл дискілердің саны бірдей RAID 0 массивімен салыстырғанда жазу өнімділігін екі есе азайтады. Бұл бізге жазу өнімділігінің қарапайым формуласын береді: NX/2 немесе .5NX. Бұл шпиндельдердің бірдей санына емес, RAID 0 сияқты бірдей сыйымдылыққа негізделгенін атап өткен жөн.

RAID 10 RAID 0 сияқты жазу өнімділігіне ие, бірақ оқу өнімділігі екі есе жоғары, себебі бірдей сыйымдылықты қамтамасыз ету үшін екі есе көп шпиндель қажет. Осылайша, сегіз шпиндельді RAID 10 массивінде N=8 және X=125 болады және біздің соңғы есептеуіміз (8*125)/2 болады, бұл 500 WIOPS немесе 4X WIOPS. 50/50 комбинациясы 750 аралас IOPS (1000 оқу IOPS*.5 және 500 жазу IOPS*.5) әкеледі. Бұл формула RAID 1, RAID 10, RAID 100 және RAID 01 үшін бірдей қолданылады. RAID 10 жүйесіндегі үш есе шағылыстыру сияқты әдеттен тыс опциялар бұл жазу жазасын өзгертеді. Мысалы, үш есе шағылыстыруы бар RAID 10 NX/3 болады. 

RAID 5 өнімділігі

RAID 5 ескірген және оны ешқашан жаңа массивтерде қолдануға болмайды. Мен оны осында қостым, себебі бұл белгілі және жиі қолданылатын RAID деңгейі және оның өнімділігін түсіну маңызды. RAID 5 қол жетімді RAID паритетінің ең негізгі деңгейі болып табылады. RAID 2, 3 және 4 енді өндіріс жүйелерінде табылмайды, сондықтан біз олардың өнімділігін мұнда қарастырмаймыз. RAID 5, ағымдағы пайдалану үшін ұсынылмаса да, басқа заманауи RAID паритет деңгейлерінің негізі болып табылады.

Паритеті бар RAID дискіге әрбір жазу кезінде паритетті тексеру және қайта жазу қажеттілігінің қосымша күрделілігін қосады. Бұл RAID 5 массивіне деректерді оқуға, паритетті оқуға, деректерді жазуға және соңында паритет жазуға тура келетінін білдіреді. Әр тиімді үшін төрт операция. Бұл бізге төрт RAID 5 жазу жазасын береді. Сонымен RAID 5 жазу өнімділігі формуласы NX/4 болып табылады. 

Сонымен, жеке шпиндель үшін жазу IOPS 125 болатын сегіз шпиндельмен мысалға сүйене отырып, біз келесі есептеуді аламыз: (8 * 125)/4 немесе 2X жазу IOPS, ол 250 WIOPS сәйкес келеді. 50/50 араластыру кезінде бұл 625 аралас IOPS береді.

RAID 6 өнімділігі

RAID 6, RAID 10-дан кейін, бүгінгі таңда қолданылатын ең кең таралған және пайдалы RAID деңгейі болуы мүмкін. Дегенмен, RAID 6 RAID 5-ке негізделген және басқа паритет деңгейіне ие. Бұл оны RAID 5-ке қарағанда әлдеқайда қауіпсіз етеді, бұл өте маңызды, бірақ сонымен бірге жазуға айтарлықтай жазалар береді. Әрбір жазу әрекеті дискілерден деректерді оқуды, бірінші паритетті оқуды, екінші паритетті оқуды, деректерді жазуды, бірінші паритетті жазуды, содан кейін екінші паритетті жазуды талап етеді. Бұл алты жазаны жазады, бұл өте драмалық. Біздің формуламыз NX/6. 

Біздің мысалды жалғастыра отырып, біз (8 * 125)/6 аламыз, бұл ~167 IOPS немесе 1,33X. Біздің 50/50 араластыру мысалында бұл 583,5 аралас IOPS өнімділігі. Көріп отырғаныңыздай, паритеттік жазулар жазу өнімділігінің өте жылдам төмендеуіне және аралас өнімділіктің айтарлықтай төмендеуіне әкеледі.

Өнімділік қуат факторы ретінде

RAID өнімділігі формулаларын құрастырған кезде, біз оны шпиндельдер саны тұрғысынан ойлаймыз, бұл керемет ақылға қонымды. Бұл ұсынылған массивтің немесе тіпті өлшеу мүмкін емес бар массивтің өнімділігін анықтауда өте пайдалы және әртүрлі ұсынылған опциялар арасындағы салыстырмалы өнімділікті салыстыруға мүмкіндік береді.

Бұл барлық жерде RAID өнімділігі туралы ойлайтын терминдер. Дегенмен, бұл әрқашан жақсы тәсіл емес, өйткені біз әдетте RAID өнімділігі немесе шпиндельдер саны емес, сыйымдылық факторы ретінде қарастырамыз. Бұл өте сирек, бірақ мүмкін, біреу сегіз жетекті RAID 10 массивінің орнына сегіз дискі бар RAID 6 массивін қарастырады. Кейде бұл шасси шектеулеріне немесе басқа ұқсас себептерге байланысты орын алады. Бірақ біз әдетте RAID массивтерін шпиндельдер санына, өнімділікке немесе кез келген басқа факторға емес, массивтің жалпы сыйымдылығы (яғни біз пайдалана алатын сыйымдылық) тұрғысынан қарастырамыз.

Сондықтан RAID өнімділігін шпиндельдер санының функциясы ретінде қарауға көшу керек екендігі таңқаларлық. Егер біз өз көзқарасымызды өзгертіп, сыйымдылықты жалпы фактор ретінде қарастырсақ, жеке жетектің (X) сыйымдылығы мен өнімділігі компараторлар арасында тұрақты болып қалады деп есептесек, онда өнімділіктің мүлде басқа бейнесіне келеміз. Осылайша, біз, мысалы, RAID 0 енді ең жоғары өнімді RAID деңгейі емес екенін және оқу өнімділігі тұрақты болып қалмай, күрт өзгеретінін көреміз.

Сыйымдылық тұрақты емес , бірақ біз оны қажетті қуатқа жету үшін қажетті шпиндельдер санына дейін құра аламыз. Бұл талқылауды әлдеқайда жеңілдетеді. Сонымен, біздің бірінші қадамымыз - шикі қуатпен қамтамасыз ету үшін қажетті шпиндельдердің санын анықтау. Егер бізге 10 ТБ сыйымдылығы қажет болса және біз 1 ТБ дискілерді пайдалансақ, мысалы, он шпиндель қажет болады. Немесе бізге 3,2 ТБ қажет болса және 600 ГБ дискілерді пайдалансақ, бізге алты шпиндель қажет болады.

Алдыңғыдан айырмашылығы, біз шпиндельдердің санын «R» деп атаймыз. (Мұнда біз «R» әрпін бұл шпиндельдердің жалпы саны емес, шикі сыйымдылық мәні екенін белгілеу үшін қолданамыз.) Бұрынғыдай жеке жетектің сыйымдылығы «X» деп белгіленеді. RAID 0 қарапайым болып қалады. Қосымша дискілер болмағандықтан өнімділік әлі де RX. IOPS оқу және жазу - бұл жай ғана NX.

RAID 10 жүйесінде RX жазу IOPS бар, бірақ 2RX IOPS оқиды. Бұл драмалық. Бір таңқаларлығы, өнімділікті тұрақты сыйымдылық факторы ретінде қарастырғанда, RAID 10 RAID 0 оқу өнімділігінен екі есе жоғары екенін көреміз!

RAID 5 сәл күрделірек болады. Жазу IOPS саны (R + 1) * X)/4 түрінде көрсетіледі. Секундына оқу енгізу/шығару операцияларының саны (R +1) * X) түрінде көрсетіледі. RAID 6, біз күткендей, RAID 5 үлгісімен жүреді. RAID 6 үшін IOPS жазбасы (R+2)*X)/6. Ал оқу IOPS операциялары (R + 2) * X) түрінде өрнектеледі.

Бұл перспектива өнімділік туралы ойымызды өзгертеді және тек оқу өнімділігін қарастырғанда, RAID 0 ең жылдам емес, ең баяу RAID деңгейіне айналады, ал RAID 10 R мәндеріне қарамастан оқу және жазу үшін ең жылдам болады. 

Әрбір дискіде 100 IOPS өнімділігі бар және 50/50 қатынасын қабылдайтын 20 ТБ пайдалы сыйымдылыққа қол жеткізу үшін 10 2 ТБ дискінің нақты әлемдік мысалын алайық. Алынған IOPS келесідей болады: 1000 аралас IOPS бар RAID 0, RAID 10 1500 аралас IOPS (2000 RIOPS / 1000 WIOPS), RAID 5 687,5 аралас IOPS - секундына 1100 RIOPS / 2750 аралас IOPS шығыстары (1100 RIOPS / 2750 аралас) IOPS (1200 RIOPS / 200 WIOPS). Мұнда RAID 10 айқын жеңімпаз болып табылады.

RAID бағдарламалық құралын пайдалану кезіндегі кідіріс және жүйенің әсері

Жоғарыда атап өткеніміздей, RAID 0 және RAID 10 жүйелерінде іс жүзінде ешқандай жүйе шығындары жоқ. Негізінде, айна операциясы есептеу күш-жігерін қажет етпейді және барлық ниеттер мен мақсаттар үшін өлшеусіз аз.

Паритеті бар RAID есептеу үшін қымбат, бұл сақтау деңгейіндегі кідіріс пен жүйелік ресурстарды тұтынуға әкеледі. Әрине, бұл ресурстар RAID массивіне бөлінеді, егер біз аппараттық RAID пайдалансақ. Олардың осы рөлде тұтынудан басқа қызметі жоқ. Дегенмен, RAID бағдарламалық құралын пайдаланатын болсақ, бұл RAID массивін өңдеу үшін пайдаланылатын жалпы мақсаттағы жүйелік ресурстар (негізінен CPU). Үлкен RAID сыйымдылығы бар өте кішкентай жүйеге әсер әлі де аз, бірақ оны өлшеуге болады және шамалы болса да ескеру керек. Кідіріс пен жүйенің әсері бір-бірімен тікелей байланысты. Әртүрлі деңгейлерде кідіріс пен жүйе әсерін анықтаудың оңай жолы жоқ. Оны қалай білдіру керек:

• RAID 0 және RAID 10 амалдық жүйеге іс жүзінде ешқандай кідіріс немесе әсер етпейді.
• RAID 5 операциялық жүйеге белгілі бір кідіріс пен әсер етеді
• RAID 6 есептеу кідірісі мен операциялық жүйенің RAID 5 әсеріне қарағанда шамамен екі есе көп.

Көптеген жағдайларда бұл кешігу және жүйеге әсер ету соншалықты аз болады, оны стандартты жүйе құралдарымен өлшеу мүмкін емес. Заманауи процессорлар қуаттырақ болған сайын, кідіріс пен жүйенің әсері төмендей береді. Шамамен 2001 жылдан бері RAID 5 және RAID 6 жүйелері үшін, тіпті арзан жабдықта да әсер шамалы деп саналды. RAID паритеттік белсенділігі көп ауыр жүктелген жүйелерде RAID ішкі жүйесі мен басқа процестер арасында қайшылық болуы мүмкін. жүйелік ресурстарды қажет етеді.