RAID-массивы на NVMe

В данной статье мы расскажем про разные способы организации RAID-массивов, а также покажем один из первых аппаратных RAID-контроллеров с поддержкой NVMe.

Все разнообразие применений технологии RAID встречается в серверном сегменте. В клиентском сегменте чаще всего используется исключительно программный RAID0 или RAID1 на два диска.

В этой статье будет краткий обзор технологии RAID, небольшая инструкция по созданию RAID-массивов с помощью трех разных инструментов и сравнение производительности виртуальных дисков при использовании каждого из способов.

Что такое RAID?

Википедия дает исчерпывающее определение технологии RAID:

RAID (англ. Redundant Array of Independent Disks — избыточный массив независимых (самостоятельных) дисков) — технология виртуализации данных для объединения нескольких физических дисковых устройств в логический модуль для повышения отказоустойчивости и производительности.

Конфигурация дисковых массивов и используемые при этом технологии зависят от выбранного уровня RAID (RAID level). Уровни RAID стандартизированы в спецификации Common RAID Disk Data Format. Она описывает множество уровней RAID, однако самыми распространенными принято считать RAID0, RAID1, RAID5 и RAID6.

RAID0, или Stripes, — это уровень RAID, который объединяет два или более физических диска в один логический. Объем логического диска при этом равен сумме объемов физических дисков, входящих в массив. На этом уровне RAID отсутствует избыточность, а выход из строя одного диска может привести к потере всех данных в виртуальном диске.

Уровень RAID1, или Mirror, создает идентичные копии данных на двух и более дисках. Объем виртуального диска при этом не превышает объема минимального из физических дисков. Данные на виртуальном диске RAID1 будут доступны, пока хотя бы один физический диск из массива работает. Использование RAID1 добавляет избыточности, но является достаточно дорогим решением, так как в массивах из двух и более дисков доступен объем только одного.

Уровень RAID5 решает проблему дороговизны. Для создания массива с уровнем RAID5 необходимо как минимум 3 диска, при этом массив устойчив к выходу из строя одного диска. Данные в RAID5 хранятся блоками с контрольными суммами. Нет строгого деления на диски с данными и диски с контрольными суммами. Контрольные суммы в RAID5 — это результат операции XOR, примененной к N-1 блокам, каждый из которых взят со своего диска.

Хотя RAID-массивы повышают избыточность и предоставляют резервирование, они не подходят для хранения резервных копий.

После краткого экскурса по видам RAID-массивов можно переходить к устройствам и программам, которые позволяют собирать и использовать дисковые массивы.

Виды RAID-контроллеров

Существует два способа создать и использовать RAID-массивы: аппаратный и программный. Мы рассмотрим следующие решения:

• Linux Software RAID.
• Intel® Virtual RAID On CPU.
• LSI MegaRAID 9460-8i.

Отметим, что решение Intel® работает на чипсете, из-за чего возникает вопрос, аппаратное это решение или программное. Так, например, гипервизор VMWare ESXi считает VROC программным и не поддерживает официально.

Linux Software RAID

Программные RAID-массивы в семействе ОС Linux — достаточно распространенное решение как в клиентском сегменте, так и в серверном. Все, что нужно для создания массива, — утилита mdadm и несколько блочных устройств. Единственное требование, которое предъявляет Linux Software RAID к используемым накопителям, — быть блочным устройством, доступным системе.

Отсутствие затрат на оборудование и программное обеспечение — очевидное преимущество данного способа. Linux Software RAID организует дисковые массивы ценой процессорного времени. Список поддерживаемых уровней RAID и состояние текущих дисковых массивов можно посмотреть в файле mdstat, который находится в корне procfs:

root@grindelwald:~# cat /proc/mdstat 
Personalities : [linear] [multipath] [raid0] [raid1] [raid10] 
unused devices: 

Поддержка уровней RAID добавляется подключением соответствующего модуля ядра, например:

root@grindelwald:~# modprobe raid456
root@grindelwald:~# cat /proc/mdstat 
Personalities : [linear] [multipath] [raid0] [raid1] [raid10] [raid6] [raid5] [raid4] 
unused devices: 

Все операции с дисковыми массивами производятся через утилиту командной строки mdadm. Сборка дискового массива производится в одну команду:

mdadm --create --verbose /dev/md0 --level=1 --raid-devices=2 /dev/nvme1n1 /dev/nvme2n1

После выполнения этой команды в системе появится блочное устройство /dev/md0, которое представляет из тебя виртуальный диск.

Intel® Virtual RAID On CPU

^{Intel® VROC Standard Hardware Key}
Intel® Virtual RAID On CPU (VROC) — это программно-аппаратная технология для создания RAID-массивов на базе чипсетов Intel®. Данная технология доступна в основном для материнских плат с поддержкой процессоров Intel® Xeon® Scalable. По умолчанию VROC недоступен. Для его активации необходимо установить аппаратный лицензионный ключ VROC.

Стандартная лицензия VROC позволяет создавать дисковые массивы с 0, 1 и 10 уровнями RAID. Премиальная версия расширяет этот список поддержкой RAID5.

Технология Intel® VROC в современных материнских платах работает совместно с Intel® Volume Management Device (VMD), которая обеспечивает возможность горячей замены для накопителей с интерфейсов NVMe.

^{Intel® VROC со стандартной лицензией}
Настройка массивов производится через Setup Utility при загрузке сервера. На вкладке Advanced появляется пункт Intel® Virtual RAID on CPU, в котором можно настроить дисковые массивы.

^{Создание массива RAID1 на двух накопителях}
Технология Intel® VROC имеет свои «козыри в рукаве». Дисковые массивы, собранные с помощью VROC, совместимы с Linux Software RAID. Это означает, что состояние массивов можно отслеживать в /proc/mdstat, а администрировать — через mdadm. Эта «особенность» официально поддерживается Intel. После сборки RAID1 в Setup Utility можно наблюдать синхронизацию накопителей в ОС:

root@grindelwald:~# cat /proc/mdstat 
Personalities : [raid1] [linear] [multipath] [raid0] [raid6] [raid5] [raid4] [raid10] 
md126 : active raid1 nvme2n1[1] nvme1n1[0]
      1855832064 blocks super external:/md127/0 [2/2] [UU]
      [>....................]  resync =  1.3% (24207232/1855832064) finish=148.2min speed=205933K/sec
      
md127 : inactive nvme1n1[1](S) nvme2n1[0](S)
      10402 blocks super external:imsm
       
unused devices: 

Отметим, что через mdadm нельзя собирать массивы на VROC (собранные массивы будут Linux SW RAID), но можно менять в них диски и разбирать массивы.

LSI MegaRAID 9460-8i

^{Внешний вид контроллера LSI MegaRAID 9460-8i}
RAID-контроллер является самостоятельным аппаратным решением. Контроллер работает только с накопителями, подключенными непосредственно к нему. Данный RAID-контроллер поддерживает до 24 накопителей с интерфейсом NVMe. Именно поддержка NVMe выделяет этот контроллер из множества других.

^{Главное меню аппаратного контроллера}
При использовании режима UEFI настройки контроллера интегрируются в Setup Utility. В сравнении с VROC меню аппаратного контроллера выглядит значительно сложнее.

^{Создание RAID1 на двух дисках}
Объяснение настройки дисковых массивов на аппаратном контроллере является достаточно тонкой темой и может стать поводом для полноценной статьи. Здесь же мы просто ограничимся созданием RAID0 и RAID1 с настройками по умолчанию.

Диски, подключенные в аппаратный контроллер, не видны операционной системе. Вместо этого контроллер «маскирует» все RAID-массивы под SAS-накопители. Накопители, подключенные в контроллер, но не входящие в состав дискового массива, не будут доступны ОС.

root@grindelwald:~# smartctl -i /dev/sda
smartctl 7.1 2019-12-30 r5022 [x86_64-linux-5.4.0-48-generic] (local build)
Copyright (C) 2002-19, Bruce Allen, Christian Franke, www.smartmontools.org

=== START OF INFORMATION SECTION ===
Vendor:               AVAGO
Product:              MR9460-8i
Revision:             5.14
Compliance:           SPC-3
User Capacity:        1,999,844,147,200 bytes [1.99 TB]
Logical block size:   512 bytes
Rotation Rate:        Solid State Device
Logical Unit id:      0x000000000000000000000000000000
Serial number:        00000000000000000000000000000000
Device type:          disk
Local Time is:        Sun Oct 11 16:27:59 2020 MSK
SMART support is:     Unavailable - device lacks SMART capability.

Несмотря на маскировку под SAS-накопители, массивы с NVMe будут работать на скорости PCIe. Однако такая особенность позволяет загружаться с NVMe в Legacy.

Тестовый стенд

Каждый из способов организации дисковых массивов имеет свои физические плюсы и минусы. Но есть ли разница в производительности при работе с дисковыми массивами?

Для достижения максимальной справедливости все тесты будут проведены на одном и том же. Его конфигурация:

• 2x Intel® Xeon® 6240;
• 12x DDR4-2666 16 GB;
• LSI MegaRAID 9460-8i;
• Intel® VROC Standard Hardware Key;
• 4x Intel® SSD DC P4510 U.2 2TB;
• 1x Samsung 970 EVO Plus M.2 500GB.

Тестируемыми выступают P4510, из которых одна половина подключена к материнской плате, а вторая — к RAID-контроллеру. На M.2 установлена операционная система Ubuntu 20.04, а тесты будут выполняться при помощи fio версии 3.16.

Тестирование

В первую очередь проверим задержки при работе с диском. Тест выполняется в один поток, размер блока 4 КБ. Каждый тест длится 5 минут. Перед началом для соответствующего блочного устройства выставляется none в качестве планировщика I/O. Команда fio выглядит следующим образом:

fio --name=test --blocksize=4k --direct=1 --buffered=0 --ioengine=libaio  --iodepth=1 --loops=1000 --runtime=300  --rw= --filename=

Из результатов fio мы берем clat 99.00%. Результаты приведены в таблице ниже.

Помимо задержек при обращении к данным, хочется увидеть производительность виртуальных накопителей и сравнить с производительностью физического диска. Команда для запуска fio:

fio --name=test --blocksize=4k --direct=1 --buffered=0 --ioengine=libaio  --loops=1000 --runtime=300  --iodepth= --rw= --filename=

Производительность измеряется в количестве операций ввода-вывода. Результаты представлены в таблице ниже.

Легко заметить, что использование аппаратного контроллера дает увеличение задержек и просадку по производительности в сравнении с программными решениями.

Заключение

Использование аппаратных решений для создания дисковых массивов из двух дисков выглядит нерационально. Тем не менее, существуют задачи, где использование RAID-контроллеров оправдано. С появлением контроллеров с поддержкой интерфейса NVMe у пользователей появляется возможность использовать более быстрые SSD в своих проектах.