Rispondere a complesse questioni di configurazione, come ad esempio determinare la migliore configurazione RAID per i sistemi NAS (Network-Attached Storage) a 4 alloggiamenti, ampiamente utilizzati, è stato uno dei progetti più recenti.
Laboratorio di innovazione per HDD di Toshiba a Düsseldorf
Scegliere il RAID giusto:
Grandi aziende e PMI di vari settori economici utilizzano sistemi NAS per archiviare dati in rete e accedere facilmente ai file. Questi sistemi contengono più dischi rigidi (HDD), spesso configurati in RAID (Redundant Array of Independent Disks). A seconda della configurazione selezionata, la tecnologia RAID può migliorare la ridondanza dei dati con funzionalità come la parità o il mirroring, offrendo maggiore resilienza e potenzialmente prestazioni migliori.
Le configurazioni per i sistemi NAS a 1 o 2 alloggiamenti sono relativamente semplici: un singolo disco in un sistema a un alloggiamento senza ridondanza, oppure due dischi in un sistema a due alloggiamenti con mirroring dei dati (RAID 1). Tuttavia, i diffusi sistemi NAS a 4 alloggiamenti offrono diverse opzioni di configurazione. La scelta della configurazione, o quella che viene considerata la migliore configurazione RAID per un sistema NAS a 4 alloggiamenti, è fortemente influenzata dal singolo caso d'uso. Per affrontare questo problema, l'HDD Innovation Lab ha condotto una rigorosa valutazione.
Configurazione del NAS Asustor AS5404T presso l'HDD Innovation Lab di Toshiba
Asustor, partner di Toshiba, ha fornito un'unità del suo sistema NAS AS5404T, un modello a 4 alloggiamenti con connettività di rete 2.5GbE. Supporta fino a quattro SSD M.2 per la cache. Tuttavia, poiché l'obiettivo del progetto di valutazione era misurare le prestazioni di base dell'array di HDD in applicazioni con un flusso di dati continuo, l'opzione di caching è stata esclusa. Va comunque notato che la cache SSD migliora le prestazioni casuali in caso di brevi picchi di dati in ingresso o letture ripetute dalla stessa posizione. In definitiva, però, le prestazioni sostenute dipendono dalla velocità degli HDD e dalla configurazione RAID scelta.
Sono stati installati due SSD M.2 NVMe da 256 GB per creare il Pool1 con RAID1. Questo Pool1 è stato utilizzato per il sistema operativo, mentre il Pool2, composto da dischi rigidi installati successivamente, è stato riservato ai dati utente. Questa configurazione garantisce che le interazioni del sistema operativo con il disco non interferiscano con il carico di lavoro dello storage.
Per il test, il laboratorio ha equipaggiato il sistema NAS a 4 alloggiamenti (AS5404T) con quattro dischi rigidi Toshiba N300 da 8 TB. Il laboratorio ha valutato le tre configurazioni a 4 dischi più comuni: RAID 5, RAID 6 e RAID 10.
Per ciascuna configurazione RAID, il laboratorio ha configurato un pool di storage HDD sul NAS, ha atteso il completamento dell'inizializzazione e ha creato una destinazione di storage a blocchi iSCSI con provisioning completo, utilizzando l'80% della dimensione utilizzabile del pool. Una destinazione iSCSI è stata connessa tramite l'interfaccia di rete 2.5GbE a un server applicativo ed è stata creata un'unità logica Windows popolata con 2 TB di dati di test. In una seconda sessione di benchmark, sono state create due destinazioni iSCSI nel pool HDD e connesse al server applicativo utilizzando connessioni 2.5GbE separate, sfruttando l'intera larghezza di banda di rete dell'AS5404T, che dispone di due porte 2.5GbE.
Sono stati valutati tre tipi di carico di lavoro: scrittura e lettura sequenziali in blocchi da 1 MB e attività miste di lettura/scrittura casuale.
Configurazioni RAID testate:
a seconda dei requisiti specifici del sistema NAS, è possibile implementare tre tecniche in varie configurazioni RAID. Come suggerisce il nome, il "mirroring" prevede la copia dei dati su più dischi, garantendo la ridondanza. Lo "striping", invece, è una tecnica che suddivide i dati su più dischi per migliorare le prestazioni. La "parità" è una forma calcolata di controllo degli errori che fornisce ridondanza dei dati. In caso di guasto di un'unità, il sistema NAS ricostruisce i dati persi o danneggiati.
RAID 5:
In RAID 5, i dati vengono distribuiti su tre dischi, mentre il quarto contiene le informazioni di parità, consentendo la ricostruzione dei dati in caso di guasto di un'unità. Questa configurazione offre un'efficienza di archiviazione del 75%, fornendo 24 TB di spazio utilizzabile con quattro dischi da 8 TB. Sebbene le velocità di lettura siano elevate, quelle di scrittura possono risultare ridotte poiché è necessario calcolare e scrivere la parità. Durante una ricostruzione, è necessario ricalcolare tutta la parità, un processo che richiede molte risorse.
Il RAID
6, tradizionalmente utilizzato per array RAID con sei o più dischi, memorizza due strisce di parità, consentendo al sistema NAS di tollerare il guasto di due unità. Ciò risulta utile quando una seconda unità si guasta durante la ricostruzione di un'unità precedentemente danneggiata. Se utilizzato con soli quattro dischi, l'efficienza di archiviazione scende al 50%, con una capacità totale utilizzabile di 16 TB. La maggiore tolleranza ai guasti casuali delle unità può giustificare questa scelta anche per sistemi con soli quattro dischi.
RAID 10:
Una configurazione RAID 10 raggiunge la ridondanza duplicando i dati su coppie di dischi e distribuendo successivamente tali duplicazioni. Questo evita i calcoli di parità, che richiedono molte risorse, ma il compromesso è una minore efficienza di archiviazione, con una capacità utilizzabile di 16 TB. Il RAID 10 tollera anche il guasto di due dischi, ma solo se non appartengono alla stessa coppia duplicata.
Identificazione della configurazione ottimale
I test di laboratorio hanno rivelato che la configurazione "ottimale" dipende dall'obiettivo principale dell'utente: capacità, protezione o prestazioni.
Nei test effettuati con una singola connessione 2.5GbE, le prestazioni sequenziali di RAID 5 e RAID 10 sono risultate limitate dalla larghezza di banda della rete (~290 MB/s). RAID 6 ha mostrato prestazioni di scrittura sequenziale leggermente inferiori a causa dei calcoli di doppia parità. In presenza di carichi di lavoro misti casuali, RAID 10 ha ottenuto le prestazioni migliori, seguito da RAID 5 e RAID 6.
Le raccomandazioni sono le seguenti:
- Per la massima capacità, utilizzare RAID 5, che offre un'efficienza di archiviazione del 75% con velocità e protezione ragionevoli.
- Per la massima protezione dei dati, utilizzare RAID 6; tuttavia, ciò comporta un compromesso in termini di velocità e capacità a causa della sua tolleranza a due guasti simultanei delle unità.
- Per le massime prestazioni in carichi di lavoro misti, utilizzare RAID 10, sebbene ciò richieda un compromesso in termini di capacità e protezione.
La valutazione ha inoltre analizzato i limiti prestazionali del sistema NAS a 4 alloggiamenti utilizzando entrambe le connessioni 2.5GbE, superando le limitazioni di larghezza di banda della rete.
I risultati per RAID 5, RAID 6 e RAID 10 hanno seguito lo stesso andamento: RAID 5 per la capacità, RAID 6 per la protezione e RAID 10 per carichi di lavoro misti. Tuttavia, il laboratorio ha individuato una configurazione avanzata che ha fornito prestazioni sequenziali ottimali.
Sbloccare le massime prestazioni
: gli HDD offrono prestazioni ottimali nelle operazioni sequenziali; la presenza di due blocchi iSCSI nello stesso pool di HDD causa frequenti accessi quando entrambi i blocchi vengono acceduti simultaneamente. L'utilizzo di due pool RAID 1 separati evita questo problema. Questa configurazione, supportata dall'AS5404T, previene i frequenti accessi. Il laboratorio ha creato un blocco iSCSI per pool e li ha collegati utilizzando interfacce 2.5GbE separate.
Utilizzando una configurazione 2xRAID1 con doppie connessioni 2.5GbE, il sistema NAS ha raggiunto velocità di scrittura sequenziale di 522 MB/s e velocità di lettura sequenziale di 572 MB/s. Queste prestazioni superano quelle di RAID10 e raggiungono la larghezza di banda teorica di 2.5GbE. Se la rete e l'applicazione supportano più entità di storage logico, questa configurazione offre prestazioni ottimali mantenendo un livello di protezione ed efficienza della capacità simile a quello di RAID10.
Alimentazione e raffreddamento:
in modalità sospensione, senza accesso alla memoria o all'interfaccia grafica del NAS, il consumo energetico è essenzialmente quello dell'unità di elaborazione del NAS, pari a 20 W. Durante il funzionamento a pieno regime, il consumo energetico varia tra 50 W e 60 W. Entrambi i valori sono eccellenti, a vantaggio dell'efficienza energetica e della sostenibilità.
Il sistema di raffreddamento dell'AS5404T mantiene le temperature interne degli HDD al di sotto dei 50 °C, anche sotto carico. Sebbene l'affidabilità a lungo termine degli HDD possa diminuire al di sopra dei 45 °C, periodi prolungati di inattività o sospensione, a temperature più basse, contribuiscono a mitigare questo effetto. Tuttavia, per un funzionamento continuo a pieno carico, la temperatura ambiente (esterna) non deve superare i 23 °C per garantire che gli HDD rimangano sufficientemente freddi per la massima affidabilità e la minima probabilità di guasto.
In conclusione,
il sistema NAS Asustor AS5404T a 4 alloggiamenti, dotato di quattro dischi rigidi Toshiba N300, offre elevata capacità, prestazioni solide ed efficace protezione contro i guasti dei dischi.
Con una singola porta 2.5GbE, le configurazioni RAID 5/6/10 saturano la rete (~250 MB/s). Con entrambe le porte, la velocità di trasmissione raggiunge valori compresi tra 350 MB/s e 400 MB/s. L'utilizzo di due pool RAID 1 permette di superare i 500 MB/s, che rappresenta il limite teorico di una doppia porta 2.5GbE.
Il consumo energetico dell'unità è relativamente basso (20 W in modalità sospensione, ~50 W in modalità attiva) e il raffreddamento è efficace, mantenendo le temperature degli HDD entro i limiti raccomandati per un'affidabilità a lungo termine.
L'HDD Innovation Lab di Toshiba è a disposizione dei partner commerciali interessati a condurre i propri test o a valutare diverse configurazioni.
Autore: Rainer W. Kaese, Direttore Senior dello Sviluppo Commerciale HDD presso Toshiba Electronics Europe GmbH
