Хочется пролить свет на интересную линейку систем хранения данных HPE Nimble Storage Adaptive Flash и попытаться раскрыть вопрос почему маркетологи решили его назвать «Adaptive Flash», а не более традиционно - «Hybrid Flash». Судя по поиску, существует не так много обзоров и статей, посвященных Nimble, поэтому надеюсь, что этот материал будет полезен интересующимся данной темой.

В мое распоряжение попал массив с флагманскими контроллерами - HF60. Это СХД 5-го поколения (Nimble Gen5), но уже по состоянию на 04.05.2021 компания HPE анонсировала (пока только AllFlash) 6-е поколение (Nimble Gen6), которое будет называться Allerta 6000. Adaptive Flash 6-го поколения - анонс ожидается летом 2021. Так что пока наш подопытный последнего (актуального) поколения.

Итак, чем же интересен HPE Nimble Adaptive Flash?

Давайте начнем издалека. Компания Nimble Storage берет свое начало в 2008 году и уже в 2014 наделала много шуму, объявив о революционном достижении (на тот момент) – доступность систем хранения данных превысила 99,999%. В 2016 году этот показатель уже составлял 99,999928%. Традиционно, столь успешные стартапы поглощаются более крупными компаниями. Так и случилось с Nimble - в 2017 году компания влилась в ряды Hewlett Packard Enterprise. За счет чего им удалось получить такие цифры доступности (причем это не лабораторные, а реальные данные)? Если совсем коротко: архитектура и «надстройка» в виде аналитической платформы InfoSight. Давайте остановимся на каждом пункте чуть подробнее.

Архитектура

Если Вам лень читать, можете посмотреть видео (на англ.):

СХД Nimble в своей основе использует архитектуру CASL (Cache Accelerated Sequential Layout). В основу архитектуры заложено:

1. Active/Standby контроллеры. Большинство других систем с двумя контроллерами Active/Active демонстрируют производительность с нулевым запасом мощности, поэтому, если один из контроллеров недоступен - вы уведёте половину скорости...

2. Функционал редупликации/компрессии/шифрования в режиме онлайн (на лету). Подробнее как это работает ниже в описании операций чтения и записи.

3. RAID Tripple Parity+ с фиксированным стартовым набором дисков 21шт HDD + 6шт SSD. Массив выдерживает выход из строя 3 любых дисков из одной RAID группы. Но лучшее качество Triple+ RAID не в том, что он защищает от потери любых 3 дисков. Крутая часть — это «+». Это позволяет системе не иметь проблем с целостностью данных, даже если на каждом отдельном диске в системе возникают ошибки параллельного чтения секторов и три диска были потеряны. Это уровень устойчивости к коррелированным по времени ошибкам, который ни один другой массив в мире даже близко не может предложить.

4. Защита данных через каскадные многоступенчатые контрольные суммы.

5. Память с защитой по питанию – NVRAM.

6. SSD кэш на чтение (в случае с Adaptive Flash). Важно отметить, что RAID для SSD не используется, т. к. задача кэша дать максимальную скорость. Насчет надежности можно не беспокоиться, поскольку данные в кэш копируются с защищенных RAID-ом TripleParity+ HDD (об этом ниже).

Рассмотрим алгоритмы чтения и записи

Распишем процесс записи:

1. Запись от разных приложений разными блоками;

2. NimbleOS принимает запись на NVDIMM активного контроллера;

3. NimbleOS зеркалирует NVDIMM активного контроллера в NVDIMM Standby контроллера;

4. NimbleOS подтверждает запись хосту;

5. Блоки копируются в DRAM, где и происходит «магия» архитектуры CASL, а именно:

   a. Дедупликация с переменным блоком;

   b. Сжатие с переменным блоком;

   c. Блоки собираются в страйпы размером 10 Мбайт;

   d. Страйпы последовательно пишутся на HDD;

6. Достойные кэша блоки или блоки из «Pinned» томов копируются на SSD кэш + блоки индексируются (индекс пишется на SSD и HDD в фоне). Есть 3 настройки кеширования которые можно выставить на каждый том:

   «Default» – данные кэшируются в автоматическом режиме по выбору NimbleOS;

   «Pinned» – настройка, которая по умолчанию копирует все данные тома на SSD диски и мы получаем All Flash на чтение;

   «OFF» - выключенное кеширование, т. е. SSD диски не задействованы вообще. Полезно для томов, где нет необходимости ускорять чтение;

Какие преимущества имеет такая запись?

Во-первых: количество операций Random write в бэкенде системы минимизировано. По сути, большинство операций происходит в оперативной памяти кэша контроллеров, компрессия выполняется после дедупликации, таким образом число операций ввода-вывода на дисках SSD/HDD сведено к минимуму.

Во-вторых: последовательная запись помогает избежать задержек на механических дисках. Иными словами, благодаря такой архитектуре используется максимум выгоды от обычных HDD дисков.

Рассмотрим, что происходит при чтении:

1. Запрашиваем блок в NVDIMM. Если данные там – отдаем хосту;

2. Если блока нет, читаем из DRAM;

3. Если блока нет, читаем с SSD:

   a. Если блок есть, проверяем контрольную сумму, разжимаем;

   b. Регидрируем и отдаем хосту;

4. Если блока нет, читаем с HDD, блок ищем через индекс;

   a. Если блок есть, проверяем контрольную сумму, разжимаем;

   b. Регидрируем и отдаем хосту;

5. Если блок достоин кэша, копируем на SSD;

Какие преимущества дает такой алгоритм чтения?

Во-первых: скорость ограничена не производительностью дисков, а скоростью памяти NVDIMM (которая существенно быстрее SSD дисков) т. е. контроллерами.

Во-вторых: согласно живой статистике, массив больше 95% «попадает в кэш». Иными словами, имея в запасе всего 10…20% SSD дисков, массив будет обеспечивать скорость «All Flash» больше 95% времени. Важно отметить, что это не означает что оставшиеся 5% времени данные будут читаться медленно с механических дисков. Дисков в стартовом наборе - 21 шт., при чтении их скорость суммируется. Будет иметь место то, что при чтении с HDD дисков задержка будет немного больше чем 1мс. Но не забываем, что этого легко избежать настройкой кэширования индивидуально для каждого тома.

Резюмируя по архитектуре:

1. Данные защищены от выхода из строя 3-х любых накопителей;

2. Данные дедуплицируются и сжимаются в памяти до записи на диски без существенного падения производительности;

3. Данные пишутся быстро: благодаря алгоритму архитектуры CASL;

4. Данные читаются быстро: кэшируются на SSD диски для ускорения чтения и здесь нет никакого тирринга данных как в традиционных гибридах;

5. Данные можно дополнительно защищать шифрованием;

6. Гибкие настройки. Можно вкл/выкл индивидуально для каждого тома: дедуп; компрессия; шифрование; кеширование; ограничение по IOPS или пропускной способности (или того и другого) и прочее;

7. Гибкие возможности масштабирования емкости/производительности:

• возможность масштабировать емкость (добавлять дисковые полки);

• емкость и производительность (добавлять еще один массив в кластер, до 4 шт);

• производительность (заменить контроллеры на более производительные).

InfoSight

Тезисы:

• HPE InfoSight — это передовая в отрасли платформа облачной аналитики InfoSight. Передовая - поскольку начала работать гораздо раньше, чем у других вендоров. А здесь важна наработка системы по времени. Чем дольше она работает, тем больше данных собирает, тем больше проблем может предотвратить. Об этом ниже.

• Доступность СХД HPE Nimble 99,9999%, достигается благодаря применению InfoSight.

• Миссия HPE InfoSight: сохранять маниакальный фокус на предоставлении заказчику такой поддержки, чтобы все завидовали!

  

Данная технология позволяет СХД непрерывно в автоматическом режиме собирать большое количество данных как о собственном состоянии, так и об окружающей виртуальной инфраструктуре (подключенные сети, серверы, платформы виртуализации), это важно, поскольку более половины сервисных инцидентов, как правило, не связаны с СХД. Затем эти показатели отправляются в облачную систему, где с помощью сложных аналитических алгоритмов выявляются текущие проблемы и делаются прогнозы о будущем состоянии инфраструктуры. На основе данных выводов предоставляются автоматические исправления и рекомендации для администратора СХД.

Например, при обнаружении у одного из заказчиков проблемы в совместимости микропрограммы контроллеров СХД с приложениями гипервизора, система автоматически заблокирует возможность установки данной версии прошивки на СХД у других заказчиков, а тем у кого уже установлена схожая конфигурация - будет предложен апдейт системы. Такой подход помогает предотвращать сбои до их возникновения, причем во многих случаях без вмешательства человека.

По данным HPE, при использовании InfoSight 86% проблем разрешаются без участия ИТ-службы. Сюда входят инциденты как с самой СХД, так и с окружающей инфраструктурой.

InfoSight позволяет значительно сократить время на поиск проблемных узлов инфраструктуры в случае деградации производительности. Система в удобном графическом виде показывает текущее время отклика и статистику задержек за определенный период по проблемной ВМ не только относительно самой СХД, но и сети передачи данных SAN, а также приложений гипервизора. Отклонение каких-либо показателей в кратчайшие сроки позволит определить «узкое место» инфраструктуры. Не нужно переключаться между несколькими системами мониторинга, все показатели доступны в едином портале, так как InfoSight интегрируется с VMware VCenter. В процессе диагностики собирается только служебная информация, собственные данные заказчика не затрагиваются. Информация передается по защищенному SSL каналу.

Некоторые примеры передаваемых данных:

• Серийный номер массива.

• Базовая информация о работоспособности (health check).

• Системные журналы событий.

• Параметры настроек системы.

• Статистика работы системы.

Самое вкусное на десерт - тестирование

Тестовая конфигурация:

• СХД Nimble HPE Nimble Storage Adaptive Flash HF60 / 21x2TB HDD / 5.76TB (6x960GB) SSD Cache / 4x16GB FC на каждый контроллер;

• Хост 1: Сервер HPE DL160 Gen10 / 1x Xeon 4210R / 6x16GB DDR4-R / 2xSN1100Q 16Gb 2p FC / 2x500W;

• Хост 2: Сервер HPE DL325 Gen10 / 1x EPYC 7551P / 8x16GB DDR4-R / 2xSN1100Q 16Gb 2p FC / 2x500W;

• Подключение серверов напрямую к СХД, т. к. под рукой не было коммутаторов Fibre Channel. Поэтому в серверах по 2шт двухпортовых карточки, чтоб загрузить все 4 порта на каждом контроллере СХД;

• VMware vSphere 7;

• Тестирование с помощью HCIbench 2.5.3;

Для начала нам было интересно сравнить наш Adaptive Flash HF60 с протестированным All Flash AF40:

Нагружаем наш массив аналогичными параметрами и в конце сводим результаты.

Первый тест: 384 потока/100%, получаем результаты:

Второй тест: 192 потока/100% чтение, получаем результаты:

Третий тест: 192 потока/100% запись, получаем результаты:

Сравниваем результаты Adaptive Flash HF60 vs All Flash AF40:

Пару слов о полученных результатах

Получаем то, что СХД с медленными 7,2k дисками дает большую производительность и меньшое время отклика чем All Flash массив. Как так? Все дело в контроллерах и архитектуре. В нашем случает стоят более производительные контроллеры и за счет «магии» архитектуры CASL «гибриды» Adaptive Flash показывают производительности сопоставимую с All Flash (контролеры используются одинаковые HF20=AF20, HF40=AF40, HF60=AF60, разница HF и AF только в конфигурации дисках). Причем скорость и задержки HF60 выигрывает при записи, где в Adaptive Flash никак не задействованы SSD.

За то время что у нас был массив мы смогли сравнить еще с одной конфигурацией All Flash XS5226D СХД QSAN. К нам попал такой результат тестирования:

Единственное, что мы не смогли повторить 464 потока при 32-х виртуалках. Поэтому сделали 448 и 480.

448/480 одновременных потоков серьезная нагрузка. Можно отметить, что здесь массив вполне играет наравне с «дешевым All Flash». У QSAN очень много непонятных пиков и провалов по задержке. Поэтому Nimble существенно выигрывает по 95-му перцентилю.

Эксперименты с дудепликацией и компрессией

При 100% записи производительность проседает некритично ~ 20%. При 100% чтении почти ничего не меняется, что вполне логично. Гораздо интереснее 70/30. При наличии нулевых блоков операции чтения ускоряются при включенной компрессии.

Итого: почему его назвали «Adaptive Flash» а не «Hybrid Flash»?

Чтобы не путать их с традиционными гибридными массивами в основе которых в основном лежит тирринг данных. Тирринг в свое время был хорошей технологией, но сейчас… он требует внимания администратора, правильную настройку и многое другое, что отнимает время. А здесь просто нужно выбрать емкость, проставить политики для томов и «погнали». Остальное массив сделает сам: подскажет, где что не так, где «шумные» виртуалки, где в сети большие задержки, откроет и закроет сервисный кейс и многое другое из того, что экономит время.

Могу еще добавить, что наши инженеры скептически относились к данному массиву до тестирования. После первых предварительных результатов (~94k IOPS и задержки 5мс) на 100% чтение… Возник спор, т. к. 94k полученных и 300k «теоретических» сильно отличались. Инженеры стояли на том, что невозможно получить больше на дисках 7200. После проверки конфигурации оказалось, что для тестовых машин было выключено кеширования и чтение не ускорялось вообще. После правильной настройки все «взлетело». И как только они не пытались «убить» скорость массива – не получалось (в рамках разумного естественно). В итоге лишь в условиях личного опыта у них поменялось мнение. К чему это? К тому что очень полезно брать «железяку» на тест, когда ее предлагают (да еще и бесплатно).