Гибридные СХД или флеш-массивы?

Максим Зубарев, глава представительства Violin Memory в России и СНГ

«Флеш-технологии дошли до той стадии развития, когда покупать дисковые массивы традиционной архитектуры клиентам больше не имеет смысла»

Флеш-технологии дошли до той стадии развития, когда покупать традиционные диски HDD больше не имеет смысла: это менее выгодно и по стоимости владения, и по техническим параметрам — прежде всего по времени отклика. Смена технологий сделала возможным появление новых компаний, которые специализируются на разработке флеш-систем, создавая архитектуру с нуля; одна из них — Violin Memory. По всему миру производители решений AFA стали активно вытеснять традиционных вендоров из крупнейших ЦОД, поэтому крупные игроки стали либо покупать флеш-стартапы и продвигать их продукты как собственные решения, либо встраивать флеш-память в виде SSD в традиционную архитектуру, заявляя о наличии флеш-массивов в своих продуктовых портфелях.

Флеш-память имеет определенные особенности (к операциям чтения и записи добавляется стирание), поэтому, чтобы получить от нее максимум выгоды, требуется специализированная архитектура. Например, разработанная с нуля система обеспечивает время отклика, недостижимое для обычной СХД с SSD. К тому же на традиционных СХД лежит груз унаследованной архитектуры. Эти СХД не способны учитывать такие особенности флеш-памяти, как необходимость «сбора мусора», что в ряде случаев может привести к деградации производительности.

Наши клиенты приобретают флеш-массивы для консолидации задач разных типов, заменяя ими традиционные СХД. Поэтому такие системы должны быть достаточно универсальными. Специализированные решения существуют, но они оказываются неэффективными, когда необходимо выполнять разные типы задач. Например, система для VDI плохо работает с базами данных, где использование неотключаемой дедупликации приводит к существенному снижению производительности.

Кроме того, применение СХД, разработанных под конкретную задачу, приведет к расширению «зоопарка» в ЦОД, что затруднит техподдержку. Более перспективно использование унифицированных СХД, настраиваемых под определенную задачу. При этом аппаратные решения становятся более однородными, а значит, снижаются расходы на администрирование ИТ-инфраструктуры.

Windows Flash Array (WFA) — флеш-массив, разработанный компаниями Violin и Microsoft. Он обеспечивает передачу данных по протоколу SMB Direct с использованием соединений Ethernet или InfiniBand. WFA — мощное устройство хранения на базе флеш-массива Violin 6000 Series и ОС Windows Storage Server 2012 R2 емкостью до 70 Тбайт и производительностью более чем 750 000 IOPS — поддерживает расширенные сервисы хранения: дедупликацию, технологии Storage Live Migration и Thin Provisioning, сжатие данных, зеркалирование, репликацию и шифрование.

Михаил Орленко, руководитель департамента корпоративных решений Dell в России, Казахстане и среднеазиатских странах СНГ

«Подавляющее большинство компаний, работающих в России, просто не смогут заметить разницу в производительности гибридных СХД и специализированных архитектур флеш-массивов»

Целесообразность применения гибридных СХД и флеш-массивов зависит от задач и типа нагрузки. Рынку навязывается мнение, что флеш-массивы гораздо быстрее и стабильнее по производительности, чем гибридные массивы на базе SSD. Действительно, в лабораторной среде они будут показывать лучшие результаты. Однако, исходя из практического опыта, подавляющее большинство компаний в России просто не заметят разницы в производительности гибридных и специализированных архитектур AFA. Время отклика СХД весьма критично лишь для небольшой доли нагрузок — например, когда приложение чувствительно к задержкам менее 0,5 мс. Это может быть связано, в частности, с отсутствием в нем многопоточной параллельной работы с хранилищем. Обычно такие проблемы решаются исправлением кода или переходом на более качественное ПО либо покупкой AFA — системы хранения, способной обеспечить стабильное и рекордно низкое время отклика.

Применение AFA оправданно экономически, если нужна высокая скорость флеш-массива — это единственное преимущество данной архитектуры. Такая потребность может возникать в высоконагруженных банковских системах, в крупномасштабной инфраструктуре VDI, при продаже ценных бумаг, на крупных торговых интернет-площадках. Это те немногие области, где применение специализированных флеш-массивов может дать реальный выигрыш. Во всех остальных случаях гибридные массивы будут оптимальным выбором по соотношению цены и функциональности.

Любой массив должен обладать развитыми функциями работы с данными и, самое главное, их защиты. С учетом бурно развивающихся программно определяемых СХД, которые могут использовать флеш-память с интерфейсом PCIe для создания быстрых распределенных виртуальных хранилищ, целесообразность покупки слабых по функциональности флеш-массивов выглядит сомнительной.

Важный и зачастую приоритетный вопрос — совокупная стоимость владения. Думаю, сейчас не следует выбирать СХД с какой-то одной ярко выраженной характеристикой. Рынок будет очень сильно меняться, и велик риск инвестировать в технологию, которая скоро будет не востребована. Нужен баланс характеристик. Единственной верной стратегией остается правильная оценка собственных нагрузок. Только так можно увидеть, какая технология на самом деле нужна, а какая превышает реальные потребности.

Роман Петров, руководитель направления IBM Flash Systems в Центральной и Восточной Европе

«Флеш-массив позволит не только ускорить критически важные приложения и сервисы, но и сэкономить на имеющемся оборудовании. Стоимость владения такой системой во много раз меньше, чем классическими СХД»

Технология флеш-памяти не нова. В частности, компания Texas Memory System приступила к производству подобных систем хранения еще в 1978 году. Они назывались RAMSAN, а в качестве носителей в них применялась твердотельная оперативная память (отсюда и RAM в названии). Эту компанию приобрела IBM и стала развивать данное направление, пополнив линейку продуктов флеш-массивами IBM FlashSystem 840 и V840, полностью построенными на флеш-памяти.

Такая СХД подходит для высоконагруженных БД или аналитических систем, виртуализации и облачной инфраструктуры, высокопроизводительных вычислений, а также для консолидации всех этих нагрузок. За счет своей архитектуры флеш-массив обладает сверхмалым временем отклика, что позволяет процессорам эффективнее обрабатывать запросы приложений.

Не стоит путать массивы класса AFA с СХД на SSD. SSD — это флеш-память в корпусе дискового накопителя, с которой взаимодействует классический дисковый контроллер. При этом применяются наборы команд, интерфейсы и протоколы, разработанные для HDD. ОС такой системы, возможно, и оптимизирована для работы с флеш-памятью, но изначально предназначена для классического решения и очень часто имеет избыточные функции. Все это увеличивает время отклика системы хранения, а значит, не решает той задачи, для которой она была разработана.

Однако у решения на SSD есть огромное преимущество: SSD можно установить в любой свободный отсек уже имеющейся дисковой корзины. Такой способ хорош, когда «ускорить» существующую СХД нужно с минимальными вложениями и в кратчайшие сроки. Один или два SSD решат текущую проблему, но надолго ли?

В то же время флеш-массив позволит не только повысить скорость работы критически важных приложений и сервисов, но и сэкономить. Стоимость владения такой системой во много раз меньше, чем классическими СХД. Системы на базе SSD присутствуют на рынке только потому, что не каждый производитель готов инвестировать в технологию миллионы долларов и создать флеш-массив с нуля. Но так как рынок уже «созрел» для подобных систем и спрос на них есть, то многие вендоры выпускают на рынок то, что уже имеют, при этом стараясь оптимизировать работу своих СХД под SSD. Получается хорошо, но не настолько, чтобы добиться производительности AFA.

В любом случае флеш-массивы — это решение, которое может использоваться самостоятельно, хотя в большинстве случаев применяется совместно с другими СХД для работы с самыми «горячими» данными. Классические диски по-прежнему востребованы, к тому же для хранения большого объема «холодных» данных с точки зрения экономии подходят лучше.

Многие производители предлагают свои флеш-массивы в расчете на какую-то конкретную задачу. Например, часто они применяют в своих массивах дедупликацию, которая очень эффективна на структурированных данных, в частности VDI, но совершенно не востребована в аналитических задачах и транзакционных нагрузках — там, где нужно очень малое время отклика. Поэтому лучше использовать системы, где такие функции, как сжатие или дедупликация данных, опциональны и включаются по необходимости. Например, IBM FlashSystem V840 позволяет включать или выключать «сжатие данных в реальном времени».

В IBM намеренно не пошли по пути использования SSD. Например, IBM FlashSystem имеет архитектуру, разработанную специально для того, чтобы добиться минимального времени отклика для ускорения критически важных приложений, при этом обеспечиваются высокая надежность и долгий срок службы флеш-памяти. В компании подсчитали, какой эффект дает применение системы в ИТ-инфраструктуре заказчика.

Александр Яковлев, менеджер по маркетингу продукции Fujitsu в России и СНГ

«Гибридные решения позволяют экономически эффективно совместить разные уровни хранения — высокопроизводи-тельные и более бюджетные, при этом пользователям предоставляется богатая функциональность»

Рынок голосует за гибридные решения. Причина проста: они позволяют экономически эффективно совместить разные уровни хранения — высокопроизводительные и более бюджетные, при этом пользователям предоставляется богатая функциональность, включая эффективную работу с моментальными снимками для резервного копирования, репликацию данных на другие дисковые массивы и т. п.

СХД, использующая флеш-память, не обязательно должна создаваться с нуля. Несомненно, на рынке остается место для традиционных систем хранения корпоративного класса, «оптимизированных» для работы с флеш-памятью. Все определяется не тем, как и для чего создавалась та или иная система, а реальным уровнем производительности и временем отклика. При этом не стоит забывать о стоимости хранения и возможности масштабирования решения. Специализированные решения AFA поставляются намного реже гибридных, хотя иногда их производительность очень высока.

Александр Устюжанин, директор по технологиям компании ETegro Technologies

«На современном этапе в основном востребованы гибридные системы, когда устанавливаются несколько SSD для ‘‘горячих’’ данных, а остальные отсеки заполняются более экономичными дисками HDD»

Флеш-массивы нацелены на узкий класс задач, где требуется высокая производительность без оглядки на стоимость. Спрос на такие решения, безусловно, есть, но стоимость хранения на флеш-памяти на порядок выше, чем на обычных дисках. На современном этапе в основном востребованы гибридные системы. Разработка СХД на флеш-памяти с нуля нужна исключительно для того, чтобы заранее предусмотреть большую пропускную способность каналов доступа к носителям.

Все современные флеш-системы достаточно универсальны, а необходимая оптимизация достигается программным путем — настройкой системы с учетом требований конкретных приложений. Тенденция к открытости и программируемости в сочетании с мощью аппаратной части позволяет не создавать специализированные продукты для отдельных нагрузок. Большинство современных флеш-систем — программно определяемые СХД.

Новые программно определяемые СХД на флеш-памяти — это мощные серверы x86, в которых предусмотрено большое количество контроллеров для дисков и программные массивы. Компании, работающие в данной области, зачастую за основу берут ставшие привычными возможности ОС Linux для построения горизонтально масштабируемых (scale-out) систем хранения. По мере выхода новых продуктов наращивается производительность и традиционных систем хранения, так что свой рынок они сохранят.

Александр Маландин, системный инженер компании ЕМС

«На рынке остается место для традиционных систем хранения корпоративного класса, ‘‘оптимизированных’’ для работы с флеш-памятью. Более того, для классических дисковых массивов флеш-память выступает в качестве естественного ‘‘ускорителя’’»

Наиболее перспективными решениями являются те, которые спроектированы с учетом особенностей работы флеш-накопителей, в их числе — ограниченное количество циклов перезаписи ячеек памяти и необходимость принудительно очищать их для последующего использования. AFA эффективнее всего применять для задач, где требуется обеспечить постоянную высокую производительность как по IOPS, так и по времени отклика. К таким задачам относятся работа с базами данных, виртуализированные серверы, инфраструктура VDI, а также среды разработки ПО и игрового контента.

Безусловно, на рынке остается место и для традиционных систем хранения корпоративного класса, «оптимизированных» для работы с флеш-памятью. Более того, для классических дисковых массивов флеш-память выступает в качестве естественного «ускорителя». Механизмы автоматического перераспределения данных позволяют работать с СХД, содержащими 10–20% флеш-носителей, как с флеш-массивами, если в них размещаются так называемые горячие данные. Однако преимуществами AFA являются их эффективность и высокая производительность. Такие функции, как компрессия, дедупликация, создание мгновенных снимков и репликация данных между площадками, позволяют консолидировать многие задачи на одной системе хранения.

Существенным недостатком флеш-технологий остается их цена, хотя за последние годы она несколько снизилась. Однако надо отметить, что этим параметром можно управлять — необходимо аккуратно планировать работу приложений и верно определять объем данных на флеш-носителях. ЕМС уделяет подобному анализу существенное время, помогая заказчикам выбрать оптимальное решение.

Мы считаем, что должны существовать как универсальные системы хранения данных, так и системы, оптимизированные под конкретную задачу. Однако даже такая специализация не ограничивает использование СХД только какими-то конкретными нагрузками. Система EMC Isilon, например, позволяет организовать, кроме файлового, еще и объектный доступ. Мало того, на ней можно развернуть и специализированную файловую систему для Больших Данных. XtremIO подходит и для развертывания виртуальной инфраструктуры, и для высоконагруженных БД, и для сложных сред разработки. Таким образом, специализированные системы, скорее, закрывают некую нишу, для которой характерны особые параметры нагрузки.

Вадим Болотнов, директор центра решений «Крок» на базе технологий EMC

«Ключевым преимуществом решений со специально разработанными архитектурами является их компактность. Системы, использующие стандартные компоненты, интересны встроенными функциями, унаследованными от массивов предыдущего поколения»

Области применения у всех флеш-систем одинаковы. Это серверная виртуализация, VDI, поддержка работы БД — задачи, где требуются низкое время отклика прикладных систем и высокая производительность подсистемы ввода-вывода. Отличие AFA от гибридных массивов заключается только в том, что последние подходят для менее требовательных задач.

Сейчас одинаково востребованы и компактные флеш-массивы, построенные с нуля, и системы, использующие стандартные компоненты. К первым можно отнести, скажем, продукты Violin Memory, ко вторым — EMC, Hitachi, Huawei. Последние интересны унаследованными встроенными функциями, такими как тонкое выделение ресурсов, снимки данных, репликация и т. д. Наиболее критичный для корпоративных заказчиков критерий — надежность.

Каждый производитель применяет свои подходы и технические средства. Например, Violin Memory для обеспечения высокой производительности флеш-памяти разработала уникальную внутреннюю архитектуру и алгоритмы работы vRAID и Garbage Collection (алгоритм подготовки флеш-ячеек к записи новых данных). EMC сделала ставку на горизонтально масштабируемую (scale-out) архитектуру, встроенные функции дедупликации и сжатия данных. А Hitachi изменила собственную прошивку массивов старшего уровня, превратив ее в специализированную прошивку под флеш-память.

Флеш-системы гармонично вписываются в концепцию программно определяемых СХД, которые строятся на базе физических программно-аппаратных комплексов, где флеш-накопители могут быть одним из уровней хранения. Что касается потребности в специализированных флеш-массивах, то они уже представлены на рынке, а значит, их разработка оправданна и востребована заказчиками. Примером может служить EMC XtremIO. Ее использование в средах VDI дает колоссальный эффект, поэтому можно предположить, что именно в таких целях она будет чаще всего внедряться в корпоративном сегменте.

Флеш-технологии в СХД (по информации компании «Крок»).

Владислав Логвиненко, руководитель группы по развитию бизнеса систем хранения данных НР в России

«В большинстве случаев производители пытаются интегрировать флеш-технологии в архитектуру, изначально для этого не приспособленную, а специализированные массивы AFA обладают рядом существенных недостатков. Необходимо сочетание двух подходов»

Для любых задач следует как минимум провести оценку экономической эффективности систем, целиком построенных на флеш-памяти. Например, с учетом дедупликации, технологий Zero Detection и Thin Provisioning стоимость гигабайта полезной емкости на флеш-массивах HP 3PAR StoreServ и на высокопроизводительных дисках SAS уже одинакова. При этом общая стоимость владения оптимизируется за счет снижения расходов на кондиционирование и электропитание. Массив занимает меньше места в серверной комнате и способен обслуживать больше транзакций. Но если в результате экономической оценки выяснится, что в конкретном случае гибридный массив лучше подходит для решения имеющихся задач, следует выбрать систему хранения, которая прекрасно проявляет себя и как AFA, и как дисковая система.

Разные вендоры, в том числе и компании-стартапы, предлагают специализированные массивы AFA. Они обладают рядом существенных недостатков. Во-первых, подобные системы образуют «островок данных», из-за чего теряются преимущества консолидации, ведь оборудование нестандартное и технологически не вполне совместимо с уже имеющимся. По сути, почти все операции придется продумывать заново — от репликации и резервного копирования до сервисной поддержки. Вторая проблема — износ накопителей: число циклов перезаписи SSD ограничено, со временем повышается риск потери данных, поэтому необходимо обеспечить эффективное сервисное обслуживание и оперативную замену вышедших из строя компонентов массива, находящегося в региональных отделениях заказчика. Третья проблема — это ограниченные функции ПО контроллеров. Некоторые массивы не обеспечивают интеграцию с VMware vSphere APIs for Array Integration (VAAI) и vSphere APIs for Storage Awareness (VASA); другие не поддерживают сжатие данных и дедупликацию, работают только по одному сетевому протоколу и т. д.

Выход очевиден — сочетание двух подходов. Например, специализированный массив HP 3PAR 7450 с ПО 3PAR OS оснащен контроллерами с увеличенной производительностью (до 900 000 IOPS), временем отклика менее 0,7 мc и пропускной способностью до 5,2 Гбайт/с. Такие характеристики достигаются в первую очередь за счет использования четырех контроллеров с возможностью обслуживания каждым из них всех логических томов системы.

В микросхемах ASIC на всех массивах 3PAR аппаратно реализована функция Zero Detection. Она позволяет выявлять в потоке данных Fibre Channel нули (к примеру, при инициализации виртуальных машин) и физически не записывать их на диск. Для HP 3PAR 7450 это не только повышает эффективность использования дискового пространства, но и позволяет предотвратить износ SSD. Низкоуровневая виртуализация дискового пространства 3PAR Wide Striping, объединяющая всю емкость массива в общий пул ресурсов, положительно влияет на производительность системы и повышает надежность SSD за счет равномерного распределения операций записи.

В дисковых массивах HP 3PAR часть функций контроллеров — например, выделение емкости по требованию (Thin Provisioning) и блочную дедупликацию в режиме онлайн — реализуют специализированные микросхемы ASIC. В результате HP 3PAR 7450 способен «упаковывать» информацию с коэффициентом от 4:1 до 10:1 в зависимости от профиля нагрузки и характера данных.

Что касается потребности в универсальных или специализированных AFA, то разработка массивов, предназначенных для выполнения одной задачи, никогда не будет эффективной просто по экономическим соображениям. Вместо этого следует использовать референсную архитектуру для какого-либо решения (SAР HANA, виртуализация) с применением стандартных компонентов — серверов, систем хранения, сетевой инфраструктуры, управляющего ПО.

Как считают в HP, благодаря ее линейке 3PAR пользователи гибридных моделей HP 3PAR StoreServ Storage (HDD+SSD) получают доступ к преимуществам AFA. Производительность уровня AFA предоставляется без перехода на совершенно новую, несовместимую платформу СХД.

Алексей Силин, консультант-эксперт компании Hitachi Data Systems

«Производительность, до недавнего времени присущая только системам AFA, уже достигнута в универсальных СХД некоторых производителей и, скорее всего, появится в ближайшее время у остальных вендоров»

Недостаток AFA — отсутствие значительной части функций, присущих даже системам хранения данных среднего уровня, не говоря уже об СХД корпоративного класса. Например, у многих флеш-массивов нет удаленной репликации, что не позволяет использовать их для создания катастрофоустойчивых решений. Таким образом, хотя решения AFA нацелены на корпоративный сегмент, с точки зрения функциональности они в полной мере не соответствуют его требованиям. Поэтому заказчики чаще выбирают гибридные массивы, имеющие и достаточную производительность, и все необходимые функции.

Разработка решения AFA с нуля позволяет на этапе проектирования системы учесть все нюансы архитектуры и благодаря этому добиться выдающихся показателей производительности. Но у подобных решений должен появиться набор функций, традиционный для СХД среднего и старшего класса. Они должны избавиться от «детских болезней», таких, например, как необходимость резервного копирования перед обновлением микрокода и восстановления данных после обновления микрокода, как это происходит на флеш-массиве одного из ведущих производителей.

Оптимизация существующих решений — более трудоемкий процесс, так как готовое решение со своей архитектурой, изначально не предназначавшееся для достижения производительности в сотни тысяч IOPS с временем отклика менее 1 мс, имеет различные архитектурные ограничения. Их можно обходить меняя микрокод, но, как правило, требуется доработка аппаратных составляющих СХД. В целом универсальные СХД, архитектура и функции которых совершенствовались годами, проще доработать для эффективного взаимодействия с SSD, чем постоянно улучшать системы AFA.

Производительность, до недавнего времени присущая только системам AFA, уже достигнута в универсальных СХД некоторых производителей и, скорее всего, появится в ближайшее время у остальных вендоров. Например, у компании Hitachi это СХД корпоративного класса VSP G1000 и HUS VM.

Вадим Сторожилов, менеджер по продажам систем хранения данных, «Oracle СНГ»

«Разумное распределение задач хранения между пока еще дорогими флеш-накопителями и традиционными дисками с учетом важности данных для бизнеса — приоритет сегодняшнего дня»

Переход от одной технологии к другой не происходит одномоментно, и обратная совместимость с поддержкой предыдущих технологий всегда важна. В этом смысле флеш-система хранения данных Oracle FS1 Series как продукт, разработанный для современных флеш-технологий, имеет важное преимущество в виде совместимости и поддержки HDD. Именно разумное распределение задач хранения между пока еще дорогими флеш-накопителями и традиционными дисками с учетом важности данных для бизнеса — приоритет сегодняшнего дня.

Да, если разрабатывать СХД с флеш-памятью с нуля, можно очень существенно повысить ее эффективность. С другой стороны, если большинство задач заказчика укладывается в традиционную архитектуру, то не всегда имеет смысл заменять такие системы, не дожидаясь их устаревания.

Флеш-память позволяет создавать решения, наиболее эффективные по соотношению «стоимость за единицу хранения / стоимость за единицу производительности» ($/Tбайт / $/IO), и тем самым, во-первых, улучшить качество предоставляемого сервиса хранения, а во-вторых, оптимизировать стоимость хранения. Однако объемы данных настолько выросли, что их хранение на дорогих накопителях — расточительство. По этой причине создаются компромиссные решения, где используются многоуровневые методики хранения в сочетании с технологиями обеспечения качества сервиса. Это позволяет одновременно предоставить высокую производительность доступа для «горячих» и «теплых» данных и низкую стоимость хранения «холодных» и архивных данных. СХД Oracle FS1 — пионер среди таких решений.