Как показывает практика общения с заказчиками, рассматривая вопрос об увеличении производительности сервера, большинство людей думает о замене процессора, расширении памяти или увеличении полезной пропускной способности систем ввода/вывода. К сожалению, при этом накопители либо вовсе не рассматриваются как основной фактор производительности, либо выбираются по остаточному принципу.
В данной статье я расскажу о том, что предопределяет выбор накопителей для сервера, и какой их тип будет подходящим для различных случаев. Основная причина написания: ощущение того, что заказчики, с которыми приходится общаться по долгу работы совершенно не заморачиваются с этим, а если и задумываются, то не более чем на интуитивном уровне. Эта статья — некая попытка суммировать имеющиеся факты путем опоры на некоторые внутренние корпоративные документы. Фактически она содержит обзор технологий, используемых в серверах Fujitsu PRIMERGY и других производителей.
Применяемые в сервере накопители определяют, насколько хорошо сервер может «обслужить» соответствующее приложение или сеть. К числу предъявляемых к ним требований относят не только скорость и производительность, но и надежность, низкие задержки, низкое энергопотребление, кроме того они должны легко адаптироваться к различным приложениям клиента.
Функция жесткого диска в сервере
Не секрет, что функция жесткого диска в сервере отличается от функций дисков, используемых в настольных ПК, ноутбуках и других компьютерах, и определяется, и определяется, главным образом, задачей сервера, который в свою очередь интегрируется в некоторую сеть. Соответственно жесткие диски в серверах должны выдерживать большую нагрузку и обслуживать больше пользователей, чем в стандартных ПК. Требование передачи данных пользователю или устройству может быть выдано в любое время и должно быть обработано с минимальными задержками, насколько это возможно. Это означает, что жесткий диск в сервере должен быть функциональным и активным в любой момент времени, тогда как жесткий диск обычного настольного ПК может быть переведен в режим «ожидания», когда оперативный доступ не требуется. И это не просто «один» жесткий диск: серверы никогда не комплектуются только одним накопителем (HDD или SSD), как минимум это два диска, которые установлены в RAID массив в целях обеспечения большей производительности и надежности.
Типичные области применения серверов и их требования
Три основных фактора, влияющие на выбор жестких дисков, следующие:
■ приложения, установленные в системе,
■ хранимые на них данные,
■ значимость приложений и данных для компании
С технической точки зрения, акцент может быть сделан на производительность накопителя, имеющую три основных элемента:
- Скорость. Решающим в этом смысле является параметр количества IOPS (операций ввода/вывода в секунду), которые жесткий диск может обрабатывать, а также количество исходных данных (полезная информация без заголовков), передаваемых в течение определенного периода времени.
- Задержки, то есть время, которое проходит между запросом данных и моментом, когда данные достигают пользователей.
- Надежность – продолжительность жизни носителя информации может стать решающим фактором, если данные должны быть сохранены в течение длительного периода времени
Можно выделить следующие типичные сценарии использования серверов:
Почтовые серверы — отвечают за все виды связи, которые включают в себя почтовый трафик и другие виды сообщений. Почтовые серверы как раз и являются «серверами жестких дисков», а уровень загрузки процессора для них не является столь значительным. Именно здесь требуются надежные жесткие диски. Скорость обращения является необходимым условием, но не столь значительным, за исключением очень объемных почтовых баз данных, где низкие задержки имеют очень большое значение.
Серверы приложений, основная задача которых — выполнение программ пользователей. Это может быть как несколько человек из отдела продаж, так и несколько миллионов пользователей сети Интернет. Этот сценарий требует самых быстрых и надежных накопителей.
Серверы хранения данных используются для хранения различных файлов и, как правило, содержат не только свои собственные жесткие диски, но также связаны с внешними дисковыми массивами. Одним из главных приоритетов для них является надежность. Данные хранящиеся на этих серверах могут иметь важное значение для компании в ее производстве или других бизнес-процессах. Серверы хранения данных, как правило, связаны с устройствами для резервного копирования, например, с ленточными библиотеками, устройством записи на оптические носители или онлайн-сервисами хранения. Этим обеспечивается различная оперативность доступа к информации от быстрого «онлайн», до медленного к данным в архивах. Это не означает, что архивная информация не так важна, просто она не требуется так часто, и, следовательно, ее не нужно хранить на очень быстрых дисках. Однако если доступ к архивным данным становится регулярным, то, возможно, компании потребуются более быстрые диски или комбинация надежных и быстрых дисков.
Серверы баз данных – пожалуй, самый популярный сценарий использования серверов, которые являются хранилищами баз данных, доступных через локальную сеть или Интернет. Кроме того, серверы баз данных могут быть подключены к специальным серверам приложений. Серверы баз данных должны одновременно обрабатывать многочисленные параллельные запросы от различных пользователей, это делает важными требования к накопителям по низкой задержке и высокой надежности.
Потоковые серверы обеспечивают мультимедийными данными сотрудников компании или ее клиентов. Пользователи могут получать доступ к таким данным как в течении ограниченного периода времени, так и иметь круглосуточный доступ (если системы доступны через Интернет). Этот сценарий однозначно требует быстрые диски: чтобы большие файлы были всегда доступны, серверы должны иметь необходимые скорость и производительность.
Серверы для виртуализации – это самое растущее направление использования серверов. Если пять лет назад приходилось доказывать, что за такой технологией будущее, то сейчас все сводится только к правильному сайзингу. Поставить гипервизор и запустить несколько виртуальных машин становится обыденным сценарием. Серверы в данном случае играют важную роль – фактически они являются серверами приложений, но из-за того, что на них запущенно несколько приложений и операционных систем, требования к дисковой подсистеме еще выше. Так, например, многие производители ПО для виртуализации выдвигают особые требования к типу дисков.
Конечно же, такое разделение на сценарии является довольно условным, и многие организации применяют на серверах комбинированную схему. В этой ситуации для каждого сценария в зависимости от его требований к дисковой подсистеме рекомендуется выделять отдельную группу дисков.
Технические детали
Как говорилось ранее, не все диски, предназначенные для обычных ПК или ноутбуков, могут использоваться в серверах, т.к. к ним предъявляются особые требования. Различия серверных дисков могут заключаться в типе интерфейсов, емкости и используемых внутренних компонентов. Это и определяет производительность, надежность и энергоэффективность серверов.
HDD и SSD
В серверах уже давно используются жесткие диски (HDD), но сейчас все большее число производителей, включая Fujitsu, используют твердотельные накопители (SSD). Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки.
С самого начала жесткие диски состояли из нескольких дисков («блинов») снабженных магнитным слоем, механизм считывания/записи обращается к данным на каждом таком диске («блине»). На текущий момент в зависимости от размера и типа жесткого диска на нем можно сохранить до 4 ТБ данных. Этот классический тип хранения данных обеспечивает удовлетворительную степень надежности, а его производительность зависит от различных факторов (число оборотов, интерфейса, кэша), о которых мы поговорим позже.
Относительно новые твердотельные накопители созданы на основе флэш-памяти, практически той же, что и используемой в картах SD или энергонезависимой памяти в мобильных устройствах. Существуют два основных различия между SSD и картами SD. В SD картах используется другой тип контроллера и они рассматриваются операционной системой в качестве сменного накопителя, а самое главное отличие состоит в надежности. SD-карты подходят только для краткосрочного обмена данными, в то время как твердотельные накопители имеют гораздо большую надежность и подходят для долгосрочного хранения данных.
Уровень пропускной способности SSD намного больше, чем у HDD, но их эффективность в значительной степени зависит от вида доступа. Прямое сравнение жестких дисков и твердотельных накопителей в тестах имеют неоднозначные результаты. Традиционные тесты производительности HDD обычно нацелены на те области применения, где есть трудности именно у жестких дисков: задержки, связанные с вращением, и время поиска. SSD не имеют этих проблем, и можно говорить, что твердотельные накопители предлагают гораздо более высокую производительность, чем жесткие диски в большинстве сценариев использования. Если раньше SSD имели очень короткую продолжительность жизни, то в последние годы она постоянно увеличивается. Сейчас можно с уверенностью говорить, что твердотельные накопители поставляемые Fujitsu идеально подходят для долгосрочного использования в серверах.
Интерфейсы
Из многочисленных интерфейсов, доступных на рынке, только три типа имеют большое значение для серверов.
SATA (Serial Advanced Technology Attachment) наследник параллельных ATA (PATA) систем. Современные SATA-накопители стандартизированы на работу со скоростью 600 MБ/с, что дает пропускную способность 6 Гб/с на жесткий диск. SATA идеальны по соотношению цена/качество, и надежны по чтению/записи.
SAS (аббревиатура от «Serial Attached SCSI»). Это термин отсылает нас к SCSI – основе современных серверных интерфейсов (Small Computer System Interface). SAS использует ту же последовательность команд, как и SCSI, будучи адаптированным к быстрому последовательному соединению. Этот интерфейс предлагает пропускную способность до 12 Гб/с и пропускную способностью 1200 МБ/с на диск. Таким образом, он обеспечивает преимущество в более стабильном и быстром протоколе с более высокой скоростью, улучшенным сопротивлением помехам и возможностью двухпортовых подключений носителей для работы в кластере. Использование SAS всегда необходимо, когда акцент делается на высокую пропускную способность и высоким уровнем надежности.
PCIe-SSD подключаются не через обычные SATA или SAS контроллеры, а непосредственно к шине PCIe на сервере системы. Это превышает скорость передачи данных SAS/SATA интерфейсов. PCIe-SSD накопители, перелагаемые Fujitsu, позволяют достичь скорости 1,5 ГБ/с. Однако, из-за того, что PCIe твердотельные накопители подключаются непосредственно к системной шине, они не могут быть загрузочными (подробнее о PCIe SSDs ioDrive2 и их производительности рекомендую почитать вот здесь).
В ряде объявленных на прошлой неделе моделей серверов Fujitsu PRIMERGY поколения S8 есть также поддержка PCIe SSD формата 2.5”, то есть там есть возможность установить специальный PCIe бэкплейн в корзины для жестких дисков, обеспечив подключение напрямую в шину PCIe дисков SSD стандартного формата 2.5”, стоящих в привычных дисковых корзинах.
Также напомню тот факт, что SAS является «обратно совместимым» с SATA, т.е. SATA и SAS диски могут быть подключены к SAS контроллеру. Тем не менее, это не работает в обратном направлении – SAS диски не могут быть подключены к адаптерам SATA хоста.
Формфактор (Size)
Формфактор дисков, установленных в сервер, определяет емкость его системы хранения и одновременно его энергоэффективность. В настоящее время в серверах доступны и актуальны только два размера дисков: 3.5«и 2.5».
3.5" является наиболее широко используемым размером. Они позволяют разместить максимальное количество данных – 4 ТБ. 3.5"-ые жесткие диски, как правило, рекомендуются для решений с высокими требованиями по объему хранения. Но при этом они потребляют больше энергии, чем меньшие 2,5"-диски, а также в данном формфакторе не доступны накопители SSD. Основная особенность 3.5" жестких дисков — это высокая емкость при более выгодной цене. Можно сказать, что диски 3,5” предлагают лучшие цены за ГБ.
2.5" частый размер HDD и SSD. Хотя эти диски всего на один дюйм меньше в размере, они используют гораздо меньше энергии, чем их братья размером 3,5". В настоящее время максимальный объем такого диска составляет 2ТБ. По сравнению с их более крупными спутниками, 2,5" жесткие диски не только экономичны, но и предлагают лучшие скорости «чтения/записи», когда работают в сети из нескольких носителей. Таким образом, они идеально подходят для использования в системах с низким энергопотреблением или для систем с необходимой максимальной производительностью.
Внутренние компоненты
Теперь взглянем на различия жёстких дисков с точки зрения внутренних компонентов.
Данные в HDD сохраняются на «диски» — на стеклянные или алюминиевые диски со слоем намагничивающегося материала (двуокись хрома). Чем выше плотность этих «дисков» и чем больше таких дисков содержится в одном HDD, тем выше его мощность. Все диски вращаются с определенной скоростью, которая определяет его пропускную способность, время доступа, а также его энергопотребление. Серверы с высокими требованиями к производительности, как правило, оснащены жесткими дисками со скоростью вращения 7200, 10 000 или 15 000 оборотов в минуту. Более быстрые диски не только потребляют больше энергии, но и требует улучшенные механизмы охлаждения. Другая проблема обусловлена вибрациями. Когда диски в корпусе вращаются с различной скоростью, они могут нарушить работу друг друга, находясь в различных циклах записи. Все диски, которые работают в одном месте, должны иметь одинаковую скорость вращения (т.е. и тот же интерфейс). Если диски с различными скоростями или интерфейсами объединяются в сервер с различными областями применения (см. таблицу в конце), они должны всегда быть размещены в различных местах шасси.
Твердотельные накопители не имеют подвижных частей, а данные хранятся в ячейках флэш-памяти. Испытания, проведенные Fujitsu выявили, что производительность ввода/вывода SSD улучшена в 100 раз по сравнению с жестким диском. И в то же время они используют только одну пятую часть от мощности потребления HDD, поскольку не имеют необходимости в электродвигателе. Благодаря отсутствию подвижных частей данные накопители не подвержены механическому износу и не чувствительны к температуре и вибрации. Однако одним из недостатков SSD-накопителей является их ограниченный срок службы. Если срок службы жестких дисков ограничен из-за их механического износа, то у SSD износ происходит из-за электрического эффекта. Суть которого в том, что количество операций записи на флеш-памяти имеет ограничение от 3000 до 100000 в зависимости от ее качества. При достижении этих значений, чтение информации будет не надежной. Этот быстрый износ SSD создавал проблемы в самом начале их появления. Для борьбы с неравномерным износом применяются схемы балансирования путем сохранения информации о том, сколько раз, какие блоки перезаписывались и периодического изменения последовательности записи. Эта распределённая процедура на уровне контроллера приводит к увеличению продолжительности жизни SSD до сроков аналогичных или даже превышающих сроки жизни обычных жестких дисков.
Объем (Емкость, Capacity)
Главным параметром каждого накопителя (HDD или SSD) является его емкость. Как отмечалось ранее, 3.5" жесткие диски могут хранить до 4 ТБ, а 2,5" жесткие диски сейчас доступны с максимальной емкостью 2 ТБ, ну а твердотельные накопители доступны до 600 ГБ. Не всегда целесообразно выбирать накопители максимального объема для, чтобы получить определенную емкость. Жесткий диск не должен быть установлен в сервере в единственном числе, а должен всегда быть объединен в группы из двух (как минимум), чтобы обеспечить надежную работу. Если, например, планируется оснастить сервер дисковым пространством общей сложности 2 ТБ, то намного лучше купить четыре диска объемом 1 ТБ, а затем сконфигурировать их в RAID-массив. Так, чтобы любой сбой в одном из дисков не приводил к потере данных. Это одна из причин, почему емкость серверных жестких дисков, как правило, ниже, чем у их настольных собратьев.
Факторы качества
При выборе правильных дисков для сервера обязательно нужно принимать во внимание следующие важные параметры:
- Оценка срока службы жесткого диска. Производители жестких дисков используют для его оценки параметр, известный как MTBF. Эта аббревиатура расшифровывается как «среднее время наработки на отказ» (среднее количество рабочих часов между простоями) и говорит о времени после которого жесткий диск вероятно выйдет из строя. MTBF измеряется в часах, и это значение всегда вполне велико. Тем не менее, это всего лишь расчетное значение, и оно не гарантирует того, что диск не выйдет из строя до того как это время будет достигнуто.
- Помимо физической емкости и значения эксплуатационных показателей, необходимо также отметить, что работа у большинства дисков в сервере должна осуществляться непрерывно или точнее: диски должны быть в состоянии работать непрерывно без каких-либо перерывов. Fujitsu предлагает для своих серверов только диски, которые удовлетворяют этим условиям. В тоже время MTBF для жестких дисков настольных устройств указывается, исходя из 8-ми часового рабочего дня. SSD, которые в настоящее время продаются Fujitsu, всегда покрываются гарантийным сроком на всю серверную систему. Еще одним интересным параметром является DWPD (количество перезаписей накопителя в день), который можно рассматривать, чтобы оценить продолжительность срока службы твердотельных накопителей. SSD, предлагаемые Fujitsu на основе технологии MLC (многоуровневые ячейки), имеют значение 10 DWPD в течение пяти лет. Более высокими характеристиками в размере 50 DWPD в течение пяти лет определяются твердотельные накопители с технологией SLC (одноуровневые ячейки). Тенденция последних разработок в флэш-технологии – движение в сторону более рентабельной технологии MLC.
- Еще одной особенностью SSD является их ограниченные возможности хранения данных в выключенном состоянии. Если SSD удаляется с сервера, и, например, кладется в шкаф как резервная копия, то информация, хранящаяся на нем останется доступной в лучшем случае в течение десяти лет. При этом различные факторы (тип флеш-технологии SLC/MLC, предыдущая интенсивность использования или температура окружающей среды) сокращает срок хранения. Определено, что минимальный срок хранения в связи с соответствующими прогнозами продолжительности жизни составляет шесть месяцев для SLC SSD и три месяца для MLC SSD.
Чтобы убедиться в том, что все HDD и SSD соответствуют этим требованиям, они должны быть подвергнуты строгому тестированию и сертифицированы соответствующим образом. Это относится ко всем накопителям, установленным Fujitsu в свои серверы PRIMERGY.
Классификация жестких дисков
Для того чтобы суммировать все эти аспекты и упростить выбор клиентам, Fujitsu определяет несколько классов для жестких дисков:
Economic (ECO). Диски в этом классе имеют низкую цену за единицу. Уровень производительности и надежности этих дисков определяет их предназначение для систем начального уровня. Они должны использоваться в некритических областях с низким трафиком ввода/вывода и умеренными требованиями к скорости. Высокие нагрузки могут привести к ухудшению их надежности. ECO диски работают со скоростью 5400 или 7200 оборотов в минуту и имеют интерфейс SATA.
Business Critical (BC) или Nearline. Диски в этом классе предлагают высокую емкость с минимальной стоимостью за 1 ГБ. Они предназначены для обеспечения хорошей производительности и подходящей надежности. В зависимости от реализации сервера, «BC-диски» могут быть оснащены SAS или SATA интерфейсами и имеют скорость 7200 оборотов в минуту.
Enterprise (EP). Диски этого класса обеспечивают максимальную производительность и надежность. Они разработаны, чтобы справиться с максимальной рабочей нагрузкой. Этот класс использует интерфейс SAS и имеет скорость вращения 10000 и 15000 оборотов в минуту.
SSD Enterprise Performance / Mainstream. Эти накопители предлагают наилучшую производительность и срок службы в сегменте SSD и, таким образом, идеально подходят для использования в системах с высокими требованиями в отношении «цена /пропускная способность ввода/вывода». Enterprise Performance SSD (SLC или MLC технологии) предлагают лучшую производительность ввода/вывода с помощью SAS интерфейса. В противоположность этому Enterprise Mainstream SDD (MLC технологии) имеют интерфейс SATA и являются более доступными по цене.
Выбор конфигурации
Теперь попробуем свести все выше сказанное в таблицу:
Почему рекомендуется использовать оригинальные диски Fujitsu?
«А можно купить ваш сервер, а диски к нему отдельно?», «А почему вы не продаете отдельно салазки?», «Мы купили ваш сервер, а наши диски в нем не работают!» и т.п. Приятно, что с каждым годом таких вопросов все меньше и меньше. Приятно, что наше сознание постепенно поворачивается от «Да я сам все соберу!» к «Нужно брать законченное и протестированное устройство». Мы все помним, как наши отцы ремонтировали свои «жигули» покупая запчасти «где получится». Понятие «сам соберу», «сам сделаю» в нашем сидит с молоком матери. С приходом к нам мировых автомобильных производителей мы начали привыкать покупать автомобили, которые не надо дорабатывать. Привыкаем обслуживать и модернизировать их в специализированных сервисах. Так и с серверами.
Вы можете спросить, почему вы не можете использовать с серверами Fujitsu диски, которые продаются в компьютерных магазинах и на радиорынках. Ведь в первом приближении они ничем не отличаются от тех жестких дисков и твердотельных накопителей, что идут в комплекте с сервером Fujitsu. Они ведь так похожи друг на друга. Ответ на этот вопрос простой: безопасность ваших данных. Именно это и должно быть решающим фактором, определяемым невидимыми различиями.
Основные отличия, действительно, не видны с первого взгляда, т.к. самым важным является то, что все новые диски для серверов Fujitsu тестируются в мельчайших подробностях и, соответственно, будут проверены и адаптированы к серверам PRIMERGY.
Первый шаг заключается в адаптации микрокода (Firmware) жесткого диска совместно с его производителем к требованиям серверов PRIMERGY. Это включает в себя настройку основных параметров и заливку прошивки, которая была специально разработана для Fujitsu. К примеру: все проблемы в прошивке, которые определяются в ходе предварительных испытаний, исправляются и интегрируются в новую модифицированную прошивку, и, соответственно, диски из одной партии будут содержать одинаковые прошивки.
Вторым шагом является то, что диски проходят входные испытания на стендах Fujitsu. Эти испытания различны: удары, вибрация и температурные тесты. Задача этих испытаний заключается в том, чтобы обнаружить любые слабые места. Также в тестовом центре симулируется долгосрочная эксплуатация носителей информации. Еще проводятся тесты на заявленные и требуемые скорости чтения и записи данных. После того как диски проходят испытания на стендах, они проверяются в реальных системах и сертифицируются.
Как только диски успешно проходят сертификацию, они подвергаются дополнительным входным испытаниям (случайные тесты по методу AQL). Этому тесту подвергаются 100% от доставленных носителей. Если неисправностей не возникает во время первого испытания, то доля проходящих тестирование продуктов из партии снижается до 10%. Если ошибки начинают происходить в течение последующих испытаний, то доля для испытаний повышается.
И даже после того, как диски поставляются на конвейер, Fujitsu продолжает выявлять причины и частоты ошибок на основании отчетов службы Fujitsu Services. Проблемы, выявленные на данной стадии, позволяют их скорректировать путем корректировки прошивок.
Если вы решите увеличить объем дисковой подсистемы через несколько лет после покупки, то вы сможете получить полностью совместимые HDD и SSD в течении как минимум трех лет. И эти диски будут также протестированы и сертифицированы для вашей системы, как и ранее выпущенные.
Вместо заключения
Правильный выбор накопителей для серверов является довольно сложной задачей. В этой статье, не смотря на ее объем, я смог осветить это только довольно поверхностно. Если вы решите приобрести сервер PRIMERGY производства компании Fujitsu, то вы всегда сможете получить квалифицированную консультацию и помощь в сайзинге у наших авторизованных партнеров.
Автор: olddigger
