NetApp Tech OnTap NetApp Logo
NetApp Tech OnTap
     
存储设计:颠覆上一代存储子系统
存储硬件产品经理
Tushar Routh

似乎每隔几年就会发生一次足以颠覆我们看待和部署存储介质方式的变革,而 NetApp 始终走在变革的前列。

早在 2002 年,NetApp 就率先使用容量导向型驱动器取代磁带作为二级存储。几年后,NetApp 首次实现将采用 RAID-DP® 技术的驱动器作为主存储的部署方式,这在很大程度上归功于借助 RAID-DP® 技术实现的更高可靠性。

过去三年间,磁盘驱动器行业经历了从光纤通道接口向 SAS 的重大转变。NetApp 是第一家采用 SAS 的主要存储供应商之一,也是采用 SAS 技术设计存储解决方案领域当之无愧的领导者。现在,得到广泛接受和采用的闪存技术引发了另一场变革。

所有这些发展成果为您带来了更多的选择,这无疑是一件好事,但同时也意味着,当您针对某特定应用工作负载选择“最佳”存储介质或优化存储子系统时,您需要更加周全地考虑问题。

在本文中,我将介绍近期的一些存储发展趋势以及今后的发展方向。我还将分享一些有关 NetApp 认为可以帮助您保持竞争优势的存储子系统最佳实践的指导。

近期介质发展趋势

随着闪存的问世,部署存储不再只是使用足够多的磁盘轴支持工作负载,换言之,将合适的磁盘驱动器和合适的闪存选项互相搭配变得越来越重要。通过将硬盘驱动器 (Hard Disk Drive, HDD) 与闪存相结合来创建混合存储,真正改变了存储部署的计算。这是 NetApp 提供丰富的驱动器选项的主要原因之一。您可以在一个 FAS 存储系统或一个集群中混合使用多种类型的介质,以满足各种各样的存储要求。

接下来,我们来了解一下目前的情况以及以下四类驱动器近期的发展趋势:

  • 大容量 HDD
  • 高性能 HDD
  • 自加密 HDD
  • 超级性能 SSD

大容量 HDD

为了提供最大密度和最低的每 GB 容量成本,大容量 HDD 将继续使用大型 (Large-Form-Factor, LFF) 3.5 英寸规格,转速通常为 7,200 RPM。

近线 SAS 磁盘驱动器兼具 SAS 接口与企业级 SATA 驱动器的介质和转速,成为近线和生产工作负载的首选。在未来一两年内,我们应该会看到市场上出现容量值达到 5 TB 和 6 TB 的驱动器。在此期间,SATA 接口仍然是备份和归档工作负载的首选。

NetApp 大容量选项。 去年年底,NetApp 推出了 4 TB 大容量驱动器,可以在 4U 48 驱动器 DS4486 大容量磁盘架中使用,使 NetApp 成为第一家推出此容量级别 HDD 的主要存储供应商。通过将 4 TB 驱动器与 DS4486 磁盘架相结合,可以提供非常适合近线、归档和备份应用程序的容量和密度级别。2013 年 4 月,NetApp 还推出了单独的 4 TB 驱动器,可以在 4U 24 驱动器 DS4246 磁盘架中使用,能够满足生产工作负载的大容量存储需求。我们完整的大容量驱动器产品组合目前包括 1 TB、2 TB、3 TB 和 4 TB 选项。

高性能 HDD

高性能 HDD 市场从采用 3.5 英寸 LFF HDD 逐渐转向采用 2.5 英寸小型 (Small-Form-Factor, SFF) 选项。主要 HDD 供应商已经表示,在不久的将来将停止生产 3.5 英寸 15K RPM LFF 驱动器。为了应对这一过渡,NetApp 前段时间推出了 2U 24 磁盘 DS2246 磁盘架。

过去,NetApp 主要关注为此类驱动器提供低容量点,以支持用户部署所需的磁盘轴数,从而在满足性能要求的同时尽可能地减少容量的过度配置。但是,现在结合使用高性能磁盘与闪存(NetApp® Flash Cache™ 或 Flash Pool™ 智能缓存)来满足性能要求的做法越来越普遍,所以我们开始提供更大容量的驱动器。

借助更多容量点,您可以将 Flash Cache、Flash Pool 和/或 Flash Accel™ 服务器缓存与最佳数量的磁盘轴相结合,从而满足工作负载的容量和性能需求。例如,假设某特定应用程序需要 20 TB 容量和 10K IOPS,并且可借助 Flash Cache 达到 80% 的缓存命中率。1.2 TB 驱动器提供的磁盘轴绰绰有余,从而能利用良好的性能弥补缓存未命中率。

对于基于 NetApp 存储运行的现有工作负载,您可以使用 预测性缓存统计信息 来确定针对给定闪存量的缓存命中率是多少。这样有助于调整合适的闪存和 HDD 量,而无需再投资新介质。

NetApp 高性能驱动器选项。 我们 最近推出了全新的 1.2 TB 10K RPM HDD ,扩大了 SFF 硬盘驱动器的范围。现在,完整的产品组合包括 450 GB、600 GB、900 GB 和 1.2 TB 容量。由于未来一年左右将提供 1.8 TB SFF 容量,因此驱动器制造商今后有可能提供更大的容量。随着时间的推移,一些低容量值将逐渐淘汰。市场上还存在 15K SFF 驱动器选项,但是 NetApp 不提供,因为其成本是 10K SFF 驱动器的两到三倍。由于 SSD 的 I/O 密度更高,因此我们认为 SSD 是比 15K SFF HDD 更好的选择,并有可能取而代之

自加密驱动器

最近关于企业和政府间谍的新闻铺天盖地,因此对安全性和加密解决方案的关注度明显上升。NetApp 存储加密 (NetApp Storage Encryption, NSE) 是采用一流驱动器供应商的自加密驱动器实施的全盘加密 (Full-Disk Encryption, FDE)。

因为数据是由 Data ONTAP 写入或者作为磁盘读取的一部分写入后,在驱动器上进行加密和解密,所以 NSE 可以与重复数据删除和数据压缩等功能无缝协作。驱动器上的所有数据将自动加密,因此使用 NSE 可以轻松保护空闲数据,同时使 NetApp 存储的投资回报 (Return On Investment, ROI) 最大化。

正如您所希望的,这项技术是政府、医疗保健和金融机构关注的焦点。物理驱动器本身可以防篡改,并且 NSE 可以阻止未经授权访问加密的空闲数据。它可以防止人为移除一个驱动器或一整架驱动器,还可以防止在其他位置进行装载和访问。此外,它可以在驱动器从故障中恢复后防止未经授权的访问,并简化驱动器处置。

NetApp 销售的所有 FDE 驱动器都遵守可信计算组 AES-256 加密标准。我们还要求获得 FIPS 140-2 认证,这是一项公共部门标准要求。

NSE 增加了存储部署的费用。您不能在同一个平台中混合使用加密和非加密驱动器,并且由于增加了组件以及物理驱动器的防篡改要求,驱动器的成本有所增加。此外,通过外部设备进行密钥管理也会增加成本。

NSE 密钥管理通过外部解决方案提供。NetApp 与 SafeNet 合作,共同提供 SafeNet KeySecure Key Manager(可以从 NetApp 以及 NetApp 合作伙伴处直接购买)。

NSE 选项。 我们的 NSE 驱动器产品组合包括 600 GB 和 900 GB 高性能驱动器以及 3 TB 和 4 TB LFF 大容量选项。我们计划在未来几个月内提供自加密 SSD,但目前尚未确定发布日期。我们计划在产品组合中推出自加密 SSD 后支持完整加密的 Flash Pool。

固态驱动器

最近几年,SSD 的容量增长迅速。尽管仍在继续增长,但是在 SSD 中使用的闪存不能超过与其他类型的半导体一样的光学限制范围。要想增加闪存容量,只能缩小每个芯片的特征尺寸,以提高每个芯片的容量。最新 NAND 闪存设备使用 2Xnm 级的加工工艺(20-29nm 特征尺寸),并且很快将升级为 1Xnm 加工工艺(10-19nm 特征尺寸)。同时,企业级 SSD 已经从单层单元闪存组件过渡到多层单元设备。

现在,您可以将 SSD 用作永久存储(像任何其他类型的驱动器一样),也可以在支持结合使用 HDD 与 SSD 的 Flash Pool 中使用,以加快随机读取和写入。下面是在部署每种类型的存储时需要注意的一些事项。

  • 对于永久存储,使用 RAID-DP。 为永久存储创建 SSD 聚合时,最好为 SSD RAID 组使用 RAID-DP。
  • 对于 Flash Pool,使用 RAID 4。 从 Data ONTAP 8.2 开始,您可以在一个 Flash Pool 中混合使用各种类型的 RAID。因此,在一个 Flash Pool 中,您可以为 HDD 和 SSD 分别使用 RAID-DP 和 RAID 4,从而减少给定数量的可用闪存的成本。

NetApp 喜欢说 Flash Pool 兼具 HDD 大容量与闪存的高性能,但实际上优势不止于此。SSD 可以为随机事务处理工作负载带来最多好处。事实上,HDD 非常适合处理顺序工作负载,尤其是从成本角度来看。当您设计存储架构时,通过在一个聚合中结合使用这两种类型的介质,您可以同时受益于 SSD 的高事务处理性能和 HDD 的高顺序性能,而不必了解每个工作负载的具体 I/O 行为。

要了解有关 Flash Pool 和所有 NetApp 闪存选项(包括 EF540 闪存阵列)的详细信息,请查看最近发布的《闪存入门》一书。

NetApp SSD 选项。 与 HDD 一样,NetApp 发布了极具挑战性的全新 SSD 计划。我们最近提供了 200 GB 和 800 GB 容量,今后几个月将增添更多选项,通过提供更加广泛的选项实现更高水平的存储优化。

维护中心

为了帮助您确保每个 HDD 的最高可靠性,Data ONTAP 提供了维护中心,可执行主动式驱动器运行状况监控,并根据驱动器诊断区分瞬时的意外事件与真正的根本问题,还能根据需要尝试进行预防性维护。

维护中心通过针对故障磁盘的系统性故障验证流程自动管理磁盘故障,而不必从存储系统中移除磁盘。如果维护中心认为某个磁盘可能会发生故障,将会对其进行处理。通过快速 RAID 恢复(在发生故障之前直接复制磁盘中的数据)或重建,将该磁盘上的数据迁移到备用盘。此过程无需用户干预。如果瞬时错误可以修复,磁盘将返回到备盘池。

由于 SSD 遇到的瞬时故障类型不同于 HDD,因此维护中心的功能并不适用于 SSD。但是,Data ONTAP 会跟踪 SSD 的使用情况,并标记使用寿命即将结束的驱动器。

磁盘架

NetApp 目前为 FAS 系统提供四种磁盘架。无论位于机架中的什么位置,所有这些磁盘架都可以从正面轻松地进行维修,并且全部设计为具有高可靠性,不会出现单点故障。在所有磁盘架上,可以无中断地执行磁盘架固件升级,并且备用控制路径会提供带外管理。

磁盘架选项

DS2246。 DS2246 是性能经过优化的磁盘架,使用 SFF 驱动器,24 个驱动器只占用 2U 的机架空间。与 DS4243 磁盘架相比,DS2246 的存储密度提高了一倍,性能密度(每个机架单元的 IOPS)提高了 60%,并且电耗减少了 30% 到 50%。

DS4246。DS4246 在性能与容量之间实现了完美的平衡。DS4246 高度为 4U,支持 6 Gb/秒的 SAS 连接。它可以配置 24 个 LFF 大容量磁盘驱动器,或者同时包含 SSD 与大容量磁盘驱动器,以支持 Flash Pool 配置。

DS4243。 NetApp DS4243 高度为 4U,支持 3 Gb/秒的 SAS 连接,最多可容纳 24 个硬盘驱动器(大容量或高性能)。.

DS4486。 容量优化的 DS4486 可容纳 48 个高容量磁盘驱动器。这种磁盘架从前面看起来像 DS4246,只是稍长一些,它使用串联磁盘托架,在 4U 机架空间内可容纳两倍于 DS4246 的 LFF 磁盘驱动器。DS4486 可从前面进行维修,这一点与许多容量优化的磁盘架相反。如果在 42U 机架中配置 10 个 DS4486 磁盘架,总重量不到 2,000 磅(910 千克)。机架可由传统数据中心内的活动地板来支撑。

由于 DS4243 支持的 LFF 性能 HDD 将逐渐淘汰,因此今后将停止使用 DS4243,改用 DS4246。而我们对该系列的磁盘架非常满意,预计未来几年不会进行任何重大变更。

表 1) NetApp FAS/V 系列存储系统磁盘架比较。

规格
DS2246

DS4246

DS4243

DS4486
机架单元2U4U4U4U
每个盘柜的 驱动器数 24242448
大容量 HDD 
高性能 HDD  
自加密 HDD1 
超高性能 SSD
(纯磁盘架和 混合磁盘架 ) 2

(仅混合磁盘架) 2
  
I/O 模块双端口 6 Gb/秒双端口 6 Gb/秒双端口 3 Gb/秒双端口 6 Gb/秒
驱动器托架 外形规格 2.5 英寸 小型 3.5 英寸 大型 3.5 英寸 大型 3.5 英寸 大型
驱动器托架单个驱动器单个驱动器单个驱动器串联驱动器

1自加密 HDD 符合 AES-128、AES-256 和 FIPS 140-2 等标准。

2“纯”SSD 磁盘架仅包含 SSD;“混合”磁盘架包含供 Flash Pool 使用的 SSD 与 HDD 的组合。Flash Pool 也可以采用“磁盘架到磁盘架”配置,其中,纯 SSD 磁盘架中的 SSD 会与其他磁盘架中的 HDD 结为一个聚合。

3有关 MetroCluster 的详细信息,请访问 http://www.netapp.com/us/media/ds-2893-metrocluster-solnbrief.pdf

互连

NetApp 是第一家从光纤通道过渡到 SAS 磁盘互连方式的存储供应商,我们相信在可预见的未来,SAS 将在该领域带来巨大的优势。我们目前使用的 6 Gb/秒 SAS-2 连接提供的带宽仍绰绰有余,而 SAS-3(12 Gb/秒)也即将问市。

SAS 的唯一局限性在于,相较于标准铜质缆线,使用寿命较短。NetApp 最近推出了一系列光纤 SAS 产品来解决该问题,在存储行业中实属首创。光缆可以解决以下两大问题:

  • 布线限制。 在拥挤的数据中心内,遵循 20 米 SAS 缆线限制并不容易。光纤 SAS 缆线的铺设距离要长得多,因而能够解决该问题;在机架空间允许的情况下,您可以随时添加新磁盘架。
  • MetroCluster。 MetroCluster™ 技术支持您在园区和城域距离内同步镜像数据,以确保持续数据可用性。NetApp 光纤 SAS 布线允许您创建不占用任何空间的 MetroCluster 配置:使用现有的光纤基础架构最多可跨越 500 米,而不必使用既复杂又昂贵的 SAS 到光纤通道桥接。

有关详细信息,请参阅 《SAS 存储布线和基础架构常见问题解答》

长期趋势

从长远来看,NetApp 正在紧跟许多其他介质趋势。某些类型的磁盘驱动器的每 GB 成本与磁带驱动器接近,从而为完全基于磁盘进行备份和归档开启了一扇门。

  • 市场上开始出现在一个设备中结合使用 HDD 与闪存技术的混合驱动器。但是,这种用例目前仅存在于某些服务器环境中。
  • 一种用于归档的新型 HDD 正处于开发阶段,它可以降低价位并缩短工作周期。这些 HDD 将用于归档需要长期保留和确保合规性的数据,满足了传统的“一次写入、多次读取”(Write Once Read Many, WORM) 要求,而我将 WORM 要求戏称为“一次写入,也许读取”(Write Once, Read Maybe, WORM)。在不访问时,这些驱动器将降低转速,以降低能耗并延长设备使用寿命。归档驱动器推出后,不再要求承载这些驱动器的磁盘架必须具有双电源、冗余路径等等,因此我们可以考虑采用成本更低的新型磁盘架设计。
  • 另一种新型驱动器面向的是云或大数据。这些驱动器的工作周期更短,基本上属于目前近线技术的分支。此类驱动器主要用于需要保留三个数据副本以确保冗余的环境。对于不需要该冗余级别的大多数应用程序,我们发现将数量更少的磁盘轴与 RAID 相结合是一种成本更低的替代方式。NetApp 目前正在致力于将此类驱动器与高密度的 DS4486 磁盘架相结合,以用作备份存储
  • 消费者级磁盘驱动器被认为是可以取代企业级磁盘的成本更低的方式,但是由于其故障率过高,因此目前我们认为这不可行。

在固态存储领域,尽管 SSD 改变了存储子系统设计规则这一点毋庸置疑,但是闪存仍存在一些限制。闪存单元在容量用尽之前,只能处理几个有限的写入周期。目前正在讨论采用相变内存和电阻式 RAM 等较新的技术来克服这些限制,但是现在还很难判断最终将采用哪项技术。显而易见的一点是,在某种程度上,固态存储在整个存储市场中的作用在不断扩大,尤其是随着其经济效益的提高。

存储子系统部署指南

鉴于最近对闪存的高度关注,不难得出以下结论:HDD 很快将退出历史舞台。的确有一些专用纯闪存阵列用例,正因如此,NetApp 于去年推出了 EF540 闪存阵列,而且目前正在努力开发新一代横向扩展纯闪存产品 FlashRay™ 存储阵列。

但是,HDD 在短时间内不会销声匿迹,尤其是在与闪存结合使用的情况下。相较于纯闪存解决方案,HDD 以及 HDD/闪存解决方案的经济效益使之成为大量存储工作负载的理想选择。

下面是 NetApp 的建议。

  • 对于需要最稳定一致的性能和最低延迟的应用,请选择 EF540 闪存阵列或采用 SSD 的 FAS 系统。
  • 对于其他高端工作负载,可以通过将高性能磁盘与以下一项或多项基于闪存的缓存技术相结合来部署 FAS:Flash Cache(存储控制器级别)、Flash Pool(磁盘子系统)或 Flash Accel(服务器缓存)。NetApp 投入了大量时间和精力,为您提供支持在所需位置放置闪存的各种选项。(您可以在最近发布的《闪存入门》指南Tech OnTap 文章以及此白皮书中获得有关选择闪存选项的更多指导。)

DS2246 磁盘架是此类部署的最佳选择,因为它可以容纳高性能 HDD、SSD 或 HDD 与 SSD 的组合(适用于 Flash Pool 部署),并且可以提供卓越的性能密度。

  • 对于近线或容量导向型工作负载,可以通过将大容量磁盘与闪存相结合的方式进行部署。在这种情况下,DS4246 磁盘架是一种不错的选择,因为它支持大容量 HDD 以及 HDD 与 SSD 的组合。
  • 对于备份或归档工作负载,可以部署大容量磁盘。DS4486 磁盘架可以提供最大的每机架单元容量。
  • 对于完全顺序化的工作负载,大容量或高性能磁盘能够以低于 SSD 的价位提供高性能。
  • 如果您不确定工作负载的 I/O 特征,或者您需要支持包括事务处理和顺序 I/O 模式在内的各种工作负载,那么 HDD 加闪存选项仍然是理想选择。

请务必遵守以下几项最佳实践。

  • 除 Flash Pool 之外,不要在同一个 SAS 磁盘组中混合使用不同类型的介质。
  • 单个 FAS 系统可以支持包含不同介质类型(高性能 HDD、大容量 HDD、SSD)的多个聚合,以满足不同工作负载的需求,或者您也可以针对特定的介质和工作负载类型部署集群模式 Data ONTAP 和专门指定特定的集群节点。
  • 使用 RAID-DP(为 Flash Pool 部署的 SSD 除外)。
  • 确保针对包含 HDD 的 RAID 组启用 RAID 擦除(此为默认设置),以确保驱动器处于良好的运行状态。
  • 部署可能存在长度限制问题的存储或者部署“延伸型”MetroCluster 时,选择光纤 SAS,以便更加轻松地布线。
  • 按照最近更新的《存储子系统故障恢复能力指南》中的准则,实现最大的故障恢复能力。

在前期稍作规划,并考虑本文以及前几期文章中介绍的准则,可以帮助您针对自己的特定工作负载和需求选择最合适的存储。正如您注意到的,有大量选项可以考虑:HDD 与 SSD、SSD 部署为缓存或永久存储、不同的容量点,等等。当然,NetApp 专家以及全球的合作伙伴网络随时可以帮助您制定决策。

 如对存储设计有任何见解,

请在 NetApp 社区中在线提出问题、交流观点、分享看法。

作者:存储硬件产品经理 Tushar Routh

Tushar 在 NetApp 工作已有三年多的时间,负责 FAS 存储和 RAID,包括 HDD、SSD、驱动器机箱以及相关基础架构。他拥有 20 余年的行业经验,曾在 IBM 和 Hitachi 的 HDD 制造部工作 10 余年。

Tech OnTap
立即订阅
Tech OnTap 每月发布一次,为用户提供 IT 见解,以及对实际应用的最佳实践、技巧和工具、幕后技术访谈、演示、同行评论等的独家访问。

访问 NetApp 社区中的 Tech OnTap,立即订阅。

Explore
Explore
NetApp 存储新闻动态

重点介绍全新 NetApp 存储选项的最新博文包括:

存储设计博文系列:

关于安全性和 NSE 的最新博文

安全性是一个热门话题。NetApp 与安全性合作伙伴 SafeNet 联手为您提供最新信息。

Explore
TRUSTe
联系我们    |   如何购买   |   反馈    |   招聘   |   订阅   |   隐私政策   |   © 2013 NetApp