提升性能 在RAID中使用SSD性能擴(kuò)展測試

RAID陣列搭配幾十個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器使用是實(shí)現(xiàn)一定性能水平的常見方法。本文我們將展示SSD RAID陣列如何進(jìn)行完美的擴(kuò)展，以及在什么情況下幾個(gè)閃存驅(qū)動(dòng)器將能夠取代整個(gè)硬盤機(jī)房。

1. RAID擴(kuò)展分析

日益增長的SSD固態(tài)硬盤市場整整一個(gè)星期沒有新產(chǎn)品推出，而與此同時(shí)，存儲(chǔ)市場則推出了玲瑯滿目的MLC和SLC NAND型固態(tài)硬盤產(chǎn)品，這些產(chǎn)品聲稱最高級數(shù)據(jù)吞吐率超過250MB/s(在SATA 3Gb/s端口)，I/O速率達(dá)到五位數(shù)。相比之下，老牌硬盤驅(qū)動(dòng)看起來像是過去時(shí)代留下的文物一樣：價(jià)格便宜、非常慢，并且最終“難逃一死”。

事實(shí)上，SSD性能數(shù)據(jù)甚至落后于筆記本電腦硬盤是因?yàn)榛A(chǔ)技術(shù)并不適合，閃存驅(qū)動(dòng)器只有搭配正確的硬件資源、控制器、緩存和軟件功能才能充分發(fā)揮其潛能。

但是這些只是基本要求，你必須還要考慮其他因素，包括最新的Serial ATA驅(qū)動(dòng)器和SSD固件、通過BIOS的AHCI支持，以及(Windows 7、Windows Server 2008 R2和內(nèi)核版本2.6.18或更高版本的Linux系統(tǒng)中提供的)TRIM功能。這樣能夠讓SSD即使了解已經(jīng)被刪除的數(shù)據(jù)塊，從而可以更好地管理可用存儲(chǔ)空間，防止性能下降。

供企業(yè)使用的閃存驅(qū)動(dòng)器

SSD固態(tài)硬盤不僅是計(jì)算機(jī)愛好者和性能愛好者的玩物，它也可以供企業(yè)使用。無論在何種環(huán)境使用，SSD都能夠提供很多技術(shù)優(yōu)勢：少數(shù)企業(yè)部門用戶可以從強(qiáng)大的吞吐率中受益，而移動(dòng)部件的缺失則意味著更好的訪問時(shí)間以及更低的運(yùn)行溫度。最重要的是，尤其對于處理大量個(gè)人讀取和寫入操作的服務(wù)器，I/O性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)硬盤驅(qū)動(dòng)器。

SSD只有很少的缺點(diǎn)，這很容易列出來：每GB的價(jià)格仍然比傳統(tǒng)硬盤高出許多。此外，閃存的壽命在技術(shù)上被限定為一定數(shù)量的寫入周期。這通常并不是很嚴(yán)重的缺點(diǎn)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)硬盤驅(qū)動(dòng)由于機(jī)械磨損也同樣存在這個(gè)問題，并且據(jù)說最新版本的高端閃存產(chǎn)品的壽命與企業(yè)級硬盤看齊。

企業(yè)SSD如何在RAID中擴(kuò)展?

在什么情況下，使用SSD值得公司投資?我們在這篇文章中從兩個(gè)角度回答了這個(gè)問題。首先，我們將調(diào)查在什么情況下使用SSD要比使用傳統(tǒng)企業(yè)級硬盤更值得投資。其次，我們還將看看SSD RAID的可擴(kuò)展性。

事實(shí)上，我們已經(jīng)對SSD RAID陣列的性能始終占據(jù)硬盤驅(qū)動(dòng)器RAID陣列的主導(dǎo)地位進(jìn)行了廣泛的研究，本文就不再討論。本文的重點(diǎn)是RAID陣列的“在線容量擴(kuò)展”功能是否類似于在線I/O容量擴(kuò)展，因?yàn)殡S著每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的添加I/O性能都會(huì)顯著增加，并且比傳統(tǒng)硬盤要高。

2. SSD和RAID—強(qiáng)大的 I/O性能

超過200MB/s的連續(xù)讀取速率讓SSD的優(yōu)勢不言而喻，但是對于專業(yè)使用，該驅(qū)動(dòng)器的峰值能否達(dá)到230或者甚至260MB/s并不太重要。

更重要的是，尤其對于服務(wù)器，I/O操作的數(shù)量，例如系統(tǒng)每秒可以處理的數(shù)量。因?yàn)镾SD的訪問時(shí)間是在微妙范圍內(nèi)，在這方面遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硬盤驅(qū)動(dòng)器。

根據(jù)韓國制造商三星公司表示，使用正確的閃存驅(qū)動(dòng)器可以提高I/O性能，性能增加可高達(dá)三位數(shù)。上圖展示了三星目前的SSD產(chǎn)品與15000 RPM SAS硬盤驅(qū)動(dòng)器的I/O性能對比，實(shí)現(xiàn)令人瞠目結(jié)舌的106倍的性能增加。在我們自己的測試中，我們發(fā)現(xiàn)很多閃存驅(qū)動(dòng)器都存在類似這種性能優(yōu)勢。在我們對最佳SSD的對比測試中，我們注意到各個(gè)產(chǎn)品的主要區(qū)別出現(xiàn)在I/O性能中，但是，除了一些不適合的產(chǎn)品，即使是較低水平到中級水平的SSD與目前企業(yè)級硬盤相比，都至少平均勝出了10倍。

使用SSD省電

在企業(yè)環(huán)境使用SSD的另一個(gè)重要原因是較低的電源消耗。好的閃存驅(qū)動(dòng)器從未超過它們最大負(fù)荷，即2瓦，甚至在閑置時(shí)，使用率都沒有達(dá)到10%，而企業(yè)級硬盤驅(qū)動(dòng)器經(jīng)常使用10瓦甚至更多。

在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器硬盤驅(qū)動(dòng)器安裝需要消耗很多電能，成本也相應(yīng)增加。Fraunhofer研究所和市場分析公司IDC估計(jì)，空調(diào)占據(jù)數(shù)據(jù)中心總耗電量的50%。很顯然，這是非常大的數(shù)據(jù)。而使用SSD，低電源消耗和高I/O性能無疑是很大的優(yōu)勢，并且每瓦I/O率很可靠，能夠確保能源效率與性能保持相對水平。

SSD RAID的可擴(kuò)展性

對于企業(yè)而言，使用基于閃存系統(tǒng)取代硬盤驅(qū)動(dòng)器服務(wù)器是很值得的投資。從更高的I/O值、較低的能源消耗和熱量來看，SSD都是最佳選擇，盡管個(gè)別閃存驅(qū)動(dòng)器很昂貴，而存儲(chǔ)容量很小。當(dāng)然，你必須考慮加強(qiáng)現(xiàn)有多硬盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能需要多少個(gè)SSD。
              

然而，到目前位置，最有趣的問題是SSD服務(wù)器的擴(kuò)展能力。我們設(shè)置了一個(gè)測試系統(tǒng)來運(yùn)行檢查SSD RAID陣列的可擴(kuò)展性。

SATA瓶頸：3 Gb/s并不夠

我們決定使用LSI 9280-24i4e RAID控制器來調(diào)查SSD RAID在不受任何限制時(shí)的可擴(kuò)展性。LSI控制器的24個(gè)SATA和四個(gè)SAS端口，以及8通道PCI Express 2.0端口，理論數(shù)據(jù)率高達(dá)4000MB/s，對于本文側(cè)重的專業(yè)重點(diǎn)已經(jīng)夠用了。每個(gè)端口的帶寬是6GB/s，提高了老版SATA 3Gb/s的速度限制。
               

除了這個(gè)控制器，我們還安裝了LSI的FastPath軟件，該軟件聲稱能夠顯著提高連接的SSD的I/O訪問速度。LSI并沒有直言不諱地透露這個(gè)工作原理，只是提到對SSD的特殊低級別訪問。這個(gè)軟件適用于所有基于閃存的系統(tǒng)，并且能夠最大限度提高寫入和讀取性能。LSI希望與未加速的系統(tǒng)相比，在寫入性能方面實(shí)現(xiàn)2.5倍的增加，2倍讀取性能。

3. SSD和RAID –測試和結(jié)論

在RAID 0的SSD測試中，添加更多的驅(qū)動(dòng)器在同等程度上提高了性能和容量，數(shù)據(jù)吞吐量和每秒I/O操作同樣是如此。

測試設(shè)置

我們的測試中使用來自三星公司的五個(gè)SSD，他們并沒有使用強(qiáng)大的產(chǎn)品名稱，只是簡單的“三星SLC SSD”和產(chǎn)品標(biāo)簽MZ3S9100-XAB4。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的容量為100GB，基于SLC NAND閃存，配有3GB/s SATA端口，并且支持TRIM和NCQ(Native Command Queuing全速命令排隊(duì))，三星公司生成讀取速率為260 MB/s，而寫入速率為245 MB/s。

閑置時(shí)能源消耗為1.7瓦，消費(fèi)模式需要更多能源，負(fù)載時(shí)達(dá)到3.7瓦，這與企業(yè)級硬盤相比仍然是可以接受的，企業(yè)級硬盤達(dá)到10000和15000RPM。常規(guī)磁盤可以達(dá)到這個(gè)數(shù)據(jù)的四倍。額定工作溫度為-10°C和 60°C之間，這在SSD領(lǐng)域是相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的。三星還提供了一個(gè)200GB模式，如果你需要更多的服務(wù)器存儲(chǔ)容量。

為了盡可能清楚地展示可擴(kuò)展性，我們首先以其中一個(gè)SSD作為基準(zhǔn)，然后創(chuàng)建一個(gè)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的RAID 0陣列。每項(xiàng)測試運(yùn)行時(shí)，我們就新增一個(gè)額外的驅(qū)動(dòng)器，這樣到最后，我們可以對比五個(gè)測試配置，并能很容易地看出它們的區(qū)別。

當(dāng)然，快速(但不安全)的RAID 0模式只是在特殊情況下使用，而擁有內(nèi)置冗余的RAID模式通常才是首選。然而，對于這個(gè)測試，我們特意選擇了RAID 0，因?yàn)樗軌蝻@示我們能夠期待的最好的擴(kuò)展情況。

雖然我們使用的是比較快的測試系統(tǒng)，但對于最大限度提高I/O性能，這個(gè)配置并不是最理想的。多插座平臺(tái)、較快的處理器以及全新的RAID控制器之一將能夠幫助最大限度地提高I/O性能。我們也不得不說，企業(yè)級SSD并不一定能夠提供最高的性能，但是能夠最好地保持性能。在這種情況下，這意味著其他SSD，特別是消費(fèi)類產(chǎn)品，可能在理論情況下能夠提供很好的性能，但是當(dāng)處理密集的工作負(fù)載時(shí)，企業(yè)級硬盤總是能夠更好地維持預(yù)期的性能水平。

                               三星 MZ3S9100 3.5英寸SSD

                               LSI 9280 RDID控制權(quán)

I/O性能

lometer測試及其文件服務(wù)器、web服務(wù)器和工作站測試顯示了系統(tǒng)是如何擴(kuò)展的。單個(gè)SSD達(dá)到約每秒15 000 個(gè)I/O操作，而有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)的RAID 0陣列得到額外的10 000個(gè) I/O操作。增加更多的SSD能夠相應(yīng)的增加整體I/O容量。

每個(gè)增加的SSD不僅增加了容量，同時(shí)I/O性能也實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勁穩(wěn)步的增長。這個(gè)測試系統(tǒng)似乎沒有接近任何I/O性能上限，但每次增加驅(qū)動(dòng)器都得到了相同數(shù)量的擴(kuò)展。使用傳統(tǒng)的磁性硬盤驅(qū)動(dòng)器，只有增加非常多數(shù)量的驅(qū)動(dòng)器(兩位數(shù))才能實(shí)現(xiàn)這樣的性能。或者，換種說法，曾經(jīng)你可能需要增加幾個(gè)新的服務(wù)器或者巨大的RAID陣列，而現(xiàn)在購買多一個(gè)SSD就已經(jīng)足夠。

數(shù)據(jù)庫基準(zhǔn)測試似乎有點(diǎn)不準(zhǔn)，單個(gè)SSD應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)更好的性能，但是趨勢仍然是相同的，五驅(qū)動(dòng)RAID 0陣列可以提供更多的I/O吞吐量。

Iometer流

對于速度追求者而言，連續(xù)讀取速率絕對讓他們感覺物有所值。在五個(gè)驅(qū)動(dòng)器的情況下，RAID陣列峰值數(shù)據(jù)吞吐量達(dá)到1000 MB/s(讀取)和1122 MB/s(寫入)，后者更快是因?yàn)镽AID控制器正在緩存。更重要的是，每增加一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，都會(huì)提高相同值的性能，擴(kuò)展幾乎呈線性發(fā)展。

4 KB隨機(jī)讀取/寫入

當(dāng)讀取和寫入隨機(jī)選取的4KB數(shù)據(jù)塊時(shí)，結(jié)果如下所示。增加的SSD提高了數(shù)據(jù)吞吐量和每秒I/O操作。如前面所述，性能擴(kuò)展幾乎呈線性發(fā)展。

測試結(jié)果分析

在RAID 0陣列中的SSD測試揭示了一個(gè)有趣的結(jié)果：增加更多的驅(qū)動(dòng)器能夠同等程度地提高性能和容量，數(shù)據(jù)吞吐量和每秒I/O操作也同樣增加。
 

在我們的測試中，性能擴(kuò)展幾乎呈線性發(fā)展，每個(gè)增加的驅(qū)動(dòng)器帶來了大致相同的增長。在I/O性能測試中，當(dāng)增加驅(qū)動(dòng)時(shí)，我們并沒有碰到任何上限或者闊擴(kuò)展性減少，所以你應(yīng)該根據(jù)你的平臺(tái)架構(gòu)的帶寬和延遲限制來考慮是否選擇SSD。對于SSD RAID，擴(kuò)展容量帶來了相同程度的性能提升。

當(dāng)然，測試結(jié)果并不能完全適用于所有RAID系統(tǒng)，但是這個(gè)測試帶來了一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)：與傳統(tǒng)硬盤驅(qū)動(dòng)器相比，基于SSD的RAID陣列能夠從增加更多驅(qū)動(dòng)中獲得更多多優(yōu)勢。加入更多閃存驅(qū)動(dòng)器，能力變得越強(qiáng)大，尤其是I/O性能，而I/O性能在商務(wù)領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。可能你不會(huì)看到這樣的RAID 0陣列用于很多生產(chǎn)服務(wù)器，還有其他性能增加的RAID模式可供你使用，以增加速度和確保關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)的可靠性。

對于企業(yè)而言，在規(guī)劃SSD RAID系統(tǒng)時(shí)，這些結(jié)果提供了一些新的參考標(biāo)準(zhǔn)。除了閃存驅(qū)動(dòng)器、控制器和服務(wù)器平臺(tái)的價(jià)格外，還需要考慮可能使用的驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量。然而，這些測試結(jié)果也顯示，SSD RAID的優(yōu)勢只有在適當(dāng)環(huán)境才能得到充分發(fā)揮，例如高速度數(shù)據(jù)訪問網(wǎng)絡(luò)或者文件服務(wù)器。