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儲存設計:顛覆傳統的全新儲存子系統
Tushar Routh
儲存硬體經理

瞬息萬變的時代中,每幾年就會出現結構性的轉變,顛覆我們習以為常的儲存媒體部署方式,而在此期間,NetApp 始終是引領潮流的先驅。

回想 2002 年,NetApp 率先以容量導向的磁碟,取代磁帶在二線儲存設備的地位。幾年之後,NetApp 憑藉提高可靠性的 RAID-DP® 技術,史無前例地讓此類磁碟能以一線儲存設備進行部署。

過去三年內,磁碟機產業經歷了從光纖通道轉向 SAS 的重大轉變。NetApp 是其中一家率先採用 SAS 的儲存大廠,且無疑是以 SAS 技術設計儲存解決方案的領導者。而在今日,世人對快閃技術廣泛的接受與採用正掀起另一波變革。

隨著這些技術的發展,提供您琳瑯滿目的選項;有眾多選擇固然是件好事,但這也表示若您想選用「最佳」儲存媒體,或是將儲存子系統針對特定應用程式工作負載進行最佳化,就需要納入更多考量。

我將藉由本文探討近期會出現的一些儲存趨勢,並順勢討論之後可能會產生的發展。此外,我還會提出一些方向,讓大家知道 NetApp 認為什麼是讓儲存子系統與時俱進的最佳實務做法。

近期將出現的媒體趨勢

隨著快閃記憶體出現,部署儲存設備不再只是取得足夠的磁碟數量來滿足工作負載,而是要逐漸開始用適當的磁碟機來搭配適當的快閃選項。將硬碟機 (HHD) 結合快閃記憶體來創造混合式儲存環境的方式,著實改變了部署儲存設備的學問。這也是 NetApp 要提供更多樣化磁碟選項的其中一個重要原因。您可以在單一 FAS 儲存系統或單一叢集中混合使用各種類型的媒體,藉此滿足各式各樣的儲存需求。

首先讓我們就四種類型的磁碟,瞭解一下今日的現況,以及近期會出現的發展:

  • 高容量 HDD
  • 高效能 HDD
  • 自我加密 HDD
  • 超高效能 SSD

高容量 HDD

為了提高密度並降低每 GB 容量的成本,高容量 HDD 繼續使用大尺寸 (LFF) 3.5" 格式,且轉速通常是 7,200 RPM。

近線 SAS 磁碟機(將 SAS 介面結合企業 SATA 磁碟的媒體與高轉速)逐漸成為近線與生產工作負載的首選。未來一兩年內,應該會有達到 5TB 與 6TB 容量點的產品問世。在這段期間,SATA 介面仍將是備份與歸檔工作負載的首選。

NetApp 高容量選項: 去年底,NetApp 發表了適用於自家 4U、48 顆磁碟式 DS4486 高容量磁碟櫃的 4TB 高容量磁碟,成為首家推出此容量級距之硬碟的儲存大廠。4TB 磁碟與 DS4486 磁碟櫃的結合所產生的容量與密度等級,符合近線、歸檔與備份應用程式的需要。2013 年 4 月,NetApp 也另外發表了適用於自家 4U、24 顆磁碟式 DS4246 磁碟櫃的 4TB 磁碟,來滿足生產工作負載的高容量儲存需求。我們完整的高容量磁碟產品組合目前包括 1TB、2TB、3TB 與 4TB 選項。

高效能 HDD

高效能 HDD 市場已經從 3.5" LFF HDD 轉移至 2.5" 小尺寸 (SFF) 選項。HDD 供應大廠紛紛宣告 3.5" 15K RPM LFF 磁碟將於不久的將來退出生產行列。為因應此變遷,NetApp 預先推出了 2U、24 顆磁碟式 DS2246 磁碟櫃。

在過去,NetApp 在這類磁碟的部份主要是推出低容量點的產品,讓您能夠部署達到效能需求所需的磁碟轉軸數量,同時又不會配置過多容量。不過,隨著高效能磁碟與快閃記憶體(NetApp® Flash Cache™ 或 Flash Pool™ 智慧型快取)的結合運用愈來愈常見,我們已經開始生產更大容量的產品。

有了更多容量點,您可以將 Flash Cache 快閃快取、Flash Pool 快閃資源池和(或)Flash Accel™ 伺服器快取結合最佳的磁碟數量,來滿足工作負載所需的容量與效能需求。例如,假設某個應用程式需要 20TB 容量與 10K IOPS,且使用的快閃快取 (Flash Cache) 達到 80% 的快取命中率。而 1.2TB 磁碟提供的磁碟轉軸數量則可提供絕佳效能,以因應快取不足的部分。

針對 NetApp 上執行的現有工作負載,您可以使用 Predictive Cache Statistics 來判斷在特定快閃記憶體數量下的快取命中率。此舉可幫助您在投資新媒體前,正確計算快閃記憶體和 HDD 的數量。

NetApp 高效能磁碟選項: 我們 近期推出全新 1.2TB 10K RPM HDD ,進一步擴充 SFF 硬碟機產品的陣容。目前完整的產品組合包括 450GB、600GB、900GB 與 1.2TB 容量。未來還會推出更大容量的磁碟,包括磁碟製造商預計在明年左右交貨的 1.8TB SFF 容量磁碟。部分容量點較低的磁碟將陸續淘汰。市面上也有 15K SFF 磁碟可供選擇;不過,由於這些磁碟的成本較 10K SFF 磁碟高出兩三倍,因此 Netapp 並未計畫提供這些磁碟。SSD 提供的 I/O 密度較高,因此我們認為比起 15K SFF HDD,SSD 將是更好的選擇,而且很可能取代 15K SFF HDD 的地位。

自我加密磁碟

近日有關商業與政府間諜案的新聞,引起大家對於安全與加密解決方案的重視。NetApp 儲存加密 (NSE) 是 NetApp 的完整磁碟機加密 (FDE) 技術,採用頂尖磁碟廠商所提供的自我加密磁碟。

由於在 Data ONTAP 寫入資料後或磁碟讀取期間會進行加密與解密動作,因此 NSE 可與重複資料刪除技術與壓縮技術等功能完美搭配。磁碟上的所有資料都會自動加密,因此能使用 NSE 輕而易舉地保護靜置資料,同時增加 NetApp 儲存設備 ROI。

可想而知,這項技術將是政府、醫療與金融機構不可或缺的要角。實體磁碟本身可防竄改,而 NSE 可防止未經授權的人員存取加密的靜置資料。它能防止有心人士取下磁碟或磁碟櫃,然後掛載到別處來存取。此外,當磁碟故障時,其可防止磁碟在被退回後遭到未經授權存取,因而簡化磁碟的棄置作業。

NetApp 銷售的所有 FDE 磁碟均嚴守 Trusted Computing Group AES-256 加密標準。此外,我們比照公家機關的標準,要求 FIPS 140-2 認證。

NSE 在儲存設備部署上產生額外花費。您無法在相同平台上混合使用加密與未加密磁碟,而因為元件的增加,且實體磁碟本身必須可防竄改,磁碟產生額外的成本。此外,由外部裝置提供的金鑰管理機制也會增加成本負擔。

NSE 的金鑰管理機制是由外部解決方案所提供。NetApp 與 SafeNet 合作推出 SafeNet KeySecure Key Manager,可直接透過 NetApp 及合作夥伴取得此產品。

NSE 選項: 我們的 NSE 磁碟產品組合包括 600GB 與 900GB 高效能磁碟,以及 3TB 與 4TB LFF 高容量選項。我們計畫於未來幾個月內推出自我加密 SSD,且於自我加密 SSD 加入產品組合行列之後(雖推出日期未定),預計將支援完整加密的快閃資源池。

固態硬碟

近年來 SSD 的容量呈現快速成長的趨勢。雖這股趨勢仍將持續成長,但是 SSD 內使用的快閃記憶體已經達到其他類型的半導體所面臨的相同微影限制。邁向更高的快閃記憶體之過程中,必須減少每一塊晶片的特徵尺寸,以便增加每一塊晶片的容量。目前的 NAND 快閃裝置使用 2Xnm 級製程(20 到 29 奈米特徵尺寸),並且正快速進展到 1Xnm 製程(10 到 19 奈米特徵尺寸)。同時,企業 SSD 已經從單層式儲存 (SLC) 快閃元件邁向多層式儲存 (MLC) 裝置。

現在,您可以像使用其他類型的磁碟一樣,將 SSD 當成持續性儲存,也可以將它加入混合 HDD 與 SSD 的快閃資源池中,以加速隨機讀取與寫入速率。以下是每種部署型態的重要須知:

  • 作為持續性儲存時,請使用 RAID-DP。 建立 SSD 集合體做為持續性儲存時,最佳實務做法是讓 SSD RAID 群組使用 RAID-DP。
  • 作為快閃資源池時,請使用 RAID 4。 在 Data ONTAP 8.2,您可以在快閃資源池中混合使用不同類型的 RAID。如此一來,您就能對快閃資源池中的 HDD 使用 RAID-DP,同時對 SSD 使用 RAID 4,進而減少特定可用快閃記憶體量的成本。

NetApp 常說快閃資源池結合了 HDD 的容量和快閃記憶體的效能,但優點其實不止於此。對隨機、交易式工作負載而言,SSD 提供最多益處。HDD 對於循序式工作負載來說也確實相當有利,尤其是就成本角度而言。將這兩種類型的媒體結合在單一集合體中,可同時獲得 SSD 的交易式效能與 HDD 的循序式效能,如此當您設計儲存設備的架構時,便無需瞭解每項工作負載的確切 I/O 行為。

如需深入瞭解快閃資源池與 NetApp 所有快閃媒體選項(包括 EF540 快閃陣列),請參閱最近推出的新作《Flash for Dummies》。

NetApp SSD 選項: 如同 HDD,NetApp 正積極引進全新 SSD 系列。我們目前提供 200GB 與 800GB 容量,未來幾個月將再陸續推出更多選項,以便讓您有更多選擇來為儲存設備進行更完美的最佳化。

維護中心

為了協助您讓每個 HDD 展現最大的可靠性,Data ONTAP 包含「維護中心」,以主動監控磁碟的健全狀況,根據磁碟診斷來辨別哪些是暫時性事件、哪些是真正的潛在問題,並在必要時嘗試進行預防性維護。

維護中心會透過對故障磁碟進行系統化故障驗證程序,自動管理磁碟故障情況,且完全不需要從儲存系統中移除磁碟。一旦發現某個磁碟有可能故障,維護中心就會接管該磁碟。該磁碟中的資料會透過快速 RAID 恢復機制(在磁碟故障前,直接複製磁碟中的資料)或重建機制移轉到備用磁碟。整個過程完全無須使用者介入。如果只是暫時性錯誤且能修復,該磁碟就會回到備用磁碟資源池。

維護中心的功能不適用於 SSD,因 SSD 並不會遇到 HDD 所面臨的同類暫時性故障。不過,Data ONTAP 會追蹤 SSD 的使用情況,並標示任何即將淘汰的磁碟。

磁碟櫃

NetApp 目前針對 FAS 系統提供四種系列的磁碟櫃。這些磁碟櫃無論位於機架的任何位置,都能從機架正面拆修,而且全面採用高度可靠、無單點故障的設計。所有磁碟櫃上的磁碟櫃韌體升級作業皆不會造成運作中斷,而替代的控制路徑將可提供頻外管理機制。/p>

磁碟櫃選項

DS2246: DS2246 是效能最佳化的磁碟櫃,僅 2U 的機架空間可容納 24 顆 SFF 磁碟。相較於 DS4243 磁碟櫃,DS2246 具有雙倍儲存密度、多 60% 的效能密度(每機架單元 IOPS),更降低 30% 到 50% 的電力消耗。

DS4246: DS4246 在效能與容量之間取得完美平衡。為 4U 高,可支援 6Gb/s SAS 連線。其可配置為 24 個 LFF 高容量硬碟或搭配 SSD 與高容量硬碟組合,以支援快閃資源池組態。

DS4243: NetApp DS4243 為 4U 高,可運用 3Gb/s SAS 連線來支援最多 24 顆(高容量或高效能)硬碟。

DS4486: 容量最佳化的 DS4486 可容納 48 顆高容量硬碟。此磁碟櫃從正面看與 DS4246 相似,但稍微長一些,採用串聯磁碟機箱,可在 4U 機架空間中裝入兩倍數量的 LFF 磁碟機。與許多容量最佳化的磁碟櫃不同,DS4486 可以從正面維修,而 10 個 DS4486 機櫃在 42U 機架中的重量不超過 2,000 磅(910 公斤)。在傳統的資料中心中,高架地板即可支撐此機架。

DS4243 將於近期停產並由 DS4246 取代,因前者所支援的 LFF 高效能 HDD 已淡出市場。若非如此,我們其實非常滿意此系列的磁碟櫃,也不打算在未來幾年內對其進行重大改變。

表 1) NetApp FAS/V 系列儲存系統磁碟櫃的比較。

規格
DS2246

DS4246

DS4243

DS4486
機架單元2U4U4U4U
每磁碟櫃機箱的 磁碟機數量 24242448
高容量 HDD 
高效能 HDD  
自我加密 HDD1 
超高效能 SSD
(純 SSD 與 混合型 ) 2

(僅混合型) 2
  
I/O 模組雙 6Gb/s雙 6Gb/s雙 3Gb/s雙 6Gb/s
磁碟機箱尺寸規格2.5 吋 小尺寸規格 3.5 吋 大尺寸規格 3.5 吋 大尺寸規格 3.5 吋 大尺寸規格
磁碟機箱單一磁碟機單一磁碟機單一磁碟機串聯磁碟機

1自我加密 HDD 符合 AES-128、AES-256 及 FIPS 140-2 等標準。

2「純」SSD 磁碟櫃僅含有 SSD;「混合」磁碟櫃則包含可供快閃資源池使用的 SSD 與 HDD 組合。快閃資源池也能以「磁碟櫃對磁碟櫃」的組態運作,將純 SSD 磁碟櫃中的 SSD 與其他磁碟櫃的 HDD 合併成為一個集合體。

3如需 MetroCluster 的詳細資料,請參閱 http://www.netapp.com/us/media/ds-2893-metrocluster-solnbrief.pdf

互連

NetApp 是其中一家率先將磁碟互連管道從光纖通道轉換為 SAS 介面的儲存廠商,我們相信在可預見的未來,SAS 將對以該角色帶來重大貢獻。我們目前使用的 6Gb/s SAS-2 連線仍提供綽綽有餘的頻寬,而且 SAS-3 (12Gb/s) 也即將問世。

SAS 的唯一限制是標準銅線的路徑長度相對短。NetApp 近期發表的光纖 SAS 產品系列便能解決上述問題,是儲存業界第一家對此問題作出對策的公司。光纖纜線可解決兩大問題:

  • 纜線限制: 在擁擠的資料中心裡,要將纜線長度保持在 20 公尺 SAS 的範圍內並非易事。光纖 SAS 的纜線路徑長度大幅增加,可以解決這個問題;只要機架還有空間,就能添加更多磁碟櫃。
  • MetroCluster: MetroCluster™ 技術可讓您在校園彼端或城市另一頭建立鏡像資料,確保資料持續可用。NetApp 光纖 SAS 纜線可讓您使用現有的光纖基礎架構,建立橫跨範圍高達 500 公尺的「零足跡」MetroCluster 組態,完全不需要使用 SAS 到光纖通道的橋接器,因此不會增加複雜度與支出。

請務必瀏覽 SAS 儲存纜線與基礎架構常見問題集 ,以瞭解詳細資訊。

長期趨勢

以更長遠的時間來看,NetApp 正在追蹤其他一些媒體趨勢。某些類磁碟櫃的每 GB 成本已經接近磁帶機的成本,因此增加了使用磁碟做為備份和歸檔的可行性。

  • 市面上已開始出現將 HDD 與快閃技術整合在單一裝置的混合式磁碟機。這些產品的使用案例目前仍侷限於特定伺服器環境。
  • 新式歸檔用 HDD 正處於開發階段,其可提供更經濟的價格點與極低的工作週期 (Duty Cycle)。這些 HDD 將用於長期保存或法規遵循所需的資料歸檔,可滿足傳統的 WORM 需求(被我戲稱為「Write Once, Read Maybe」,意思是:寫入一次,但不一定能讀取)。磁碟在未被存取時必須降低轉速,因此可節省電力並延長裝置使用壽命。一旦歸檔磁碟成真,裝載的磁碟櫃或許就不需要有兩個電源供應器、重複的路徑等等,而屆時我們就可以考慮新開發成本更低的磁碟櫃設計
  • 另一種新磁碟則是針對雲端或巨量資料而設計。這類磁碟同樣具有較低的工作週期 (Duty Cycle),而且基本上是現有近線技術的衍生品。這類磁碟主要用於將資料保留三份來達到容錯備援目的之環境中。在不需要達到這種容錯備援程度的多數應用環境中,我們發現只要使用少一點的磁碟轉軸再搭配 RAID,就能作為較低廉的替代方案。NetApp 正在考慮將這種磁碟搭配高密度的 DS4486 磁碟櫃,提供備份儲存之用。
  • 消費者級磁碟雖然也被視為企業磁碟的低廉替代方案,但由於其故障率居高不下,我們目前不認為它將成為未來主流。

在固態記憶體方面,儘管 SSD 正改變儲存子系統設計的遊戲規則,但快閃記憶體仍有其限制。快閃儲存體只能承受有限次數的寫入週期,接著便不敷使用。也有人在討論使用相變記憶體與電阻式 RAM 等新興技術來克服這些限制,但若要論這些技術是否會興起,仍言之過早。很顯然地,固態儲存的角色會繼續以某種形式在整體儲存市場中擴大,尤其是當經濟情況改善之時。

儲存子系統部署方針

隨著近期快閃儲存媒體成為各界焦點,我們不難預料 HDD 不久後將宣告終結。專用的全快閃陣列當然有其使用案例,而這正是 NetApp 去年發表 EF540 快閃陣列且現階段致力發展新一代可橫向擴充之全快閃 FlashRay™ 儲存陣列產品的原因。

然而,HDD(尤其是搭配快閃媒體)也不會這麼快銷聲匿跡。相對於全快閃解決方案,HDD 與 HDD/快閃解決方案的效益使其仍是許多儲存工作負載的理想首選。

以下是 NetApp 的建議。

  • 針對需要效能最一致、延遲性最低的應用環境,請選擇 EF540 快閃陣列或是搭載 SSD 的 FAS 系統。
  • 針對其他高階工作負載,請部署搭載高效能磁碟的 FAS,並搭配本公司一或多個快閃式快取技術:快閃快取(儲存控制器層級)、快閃資源池(磁碟子系統)或 Flash Accel(伺服器快取)。NetApp 投入了許多時間與精力,提供各種選項,讓您能將快閃運用在所需的地方。(如需快閃技術的選擇指引,可參閱我們最近的新書《Flash Storage for Dummies guide》、本篇 Tech OnTap 文章以及此份白皮書)。

DS2246 磁碟櫃是此部署類型的最佳選擇,因其能容納高效能 HDD、SSD 或這兩者的組合(適用於快閃資源池部署),而且提供優異的效能密度。

  • 對於近線或容量導向的工作負載,請將高容量磁碟搭配快閃媒體來部署。此時 DS4246 磁碟櫃將是理想的選擇,因其能同時支援高容量 HDD 以及 HDD 與 SSD 的組合。
  • 針對備份或是歸檔工作負載,請部署高容量磁碟。DS4486 磁碟櫃有最大的每機架單元容量。
  • 對於純循序式工作負載,高容量或高效能磁碟都能以低於 SSD 的價格提供優異的效能。
  • 如果您不確定自己的工作負載具有什麼樣的 I/O 特性,或您需要支援各種工作負載(可能同時包括交易式與循序式 I/O 模式),則 HDD 搭配快閃選項仍然是最佳選擇。

請務必謹記以下幾點最佳實務做法:

  • 除非是快閃資源池,否則請勿在同一個 SAS 堆疊中混合使用不同的媒體類型。
  • 單一 FAS 系統可支援多個含不同媒體類型(高效能 HDD、高容量 HDD、SSD)的集合體,以滿足不同工作負載的需求,或者您也可以部署叢集式 Data ONTAP,然後讓特定的叢集節點專門用來搭配特定的媒體與工作負載類型。
  • 使用 RAID-DP(但是要部署給快閃資源池的 SSD 則除外)。
  • 請務必對內含 HDD 的 RAID 群組開啟 RAID Scrub 功能(此為預設值),讓磁碟保持正常運作。
  • 部署儲存設備時,如果長度限制是個考量,或您是部署「延伸型」MetroCluster 時,請選擇光纖 SAS 以方便佈線。
  • 請遵循最近更新的 《儲存設備子系統恢復功能指南》 中的方針,以達到最佳的恢復功能。

只要一點事前規劃,並留意我在本文與先前文章所提出的方針,您就能依照專屬的特殊工作負載與需求,選擇最適合的儲存設備。您應該早已發現,市面上有許多選項可以考慮:HDD 與 SSD、將 SSD 作為快取亦或作為持續性儲存來部署、不同的容量點等等。當然,NetApp 專家和遍佈全球的合作夥伴網路都能隨時協助您做出決策。

 對於儲存設計有任何意見嗎?

作者:儲存硬體產品經理 Tushar Routh

作者:儲存硬體產品經理 Tushar Routh

Tushar 任職於 NetApp 已有三年多的資歷,目前負責 FAS 儲存與 RAID 業務,包括 HDD、SSD、磁碟機箱與相關基礎架構。他在業界擁有 20 多年的資歷,其中有 10 幾年先後在 IBM 與 Hitachi 的 HDD 製造部門工作。

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