Опис жорстких дисків для серверів?

У цій статті ми розповімо про те, що визначає вибір накопичувачів для сервера, та який їх тип буде придатним для різних випадків. Основна причина написання: відчуття того, що замовники, з якими доводиться спілкуватися за боргом роботи, зовсім не морочаться з цим, а якщо й замислюються, то не більше ніж на інтуїтивному рівні. Ця стаття — якась спроба підсумувати наявні факти шляхом опори деякі внутрішні корпоративні документи. Фактично вона містить огляд технологій, що використовуються в серверах Fujitsu PRIMERGY та інших виробників. відповідний додаток чи мережу. До вимог, що пред'являються до них, відносять не тільки швидкість і продуктивність, але й надійність, низькі затримки, низьке енергоспоживання, крім того вони повинні легко адаптуватися до різних додатків клієнта. 

Функція жорсткого диска на сервері

Не секрет, що функція жорсткого диска на сервері відрізняється від функцій дисків, що використовуються в настільних ПК, ноутбуках та інших комп'ютерах, і визначається, і визначається головним чином завданням сервера, який у свою чергу інтегрується в деяку мережу. Відповідно жорсткі диски на серверах повинні витримувати велике навантаження і обслуговувати більше користувачів, ніж у стандартних ПК. Вимога передачі даних користувачеві або пристрою може бути видана в будь-який час і повинна бути оброблена з мінімальними затримками, наскільки це можливо. Це означає, що жорсткий диск у сервері повинен бути функціональним і активним у будь-який момент часу, тоді як жорсткий диск звичайного настільного ПК може бути переведений в режим очікування, коли оперативний доступ не потрібен. І це не просто «один» жорсткий диск: сервери ніколи не комплектуються лише одним накопичувачем (HDD або SSD), як мінімум, це два диски , які встановлені в RAID масив з метою забезпечення більшої продуктивності та надійності.

Типові області застосування серверів та їх вимоги

Три основні фактори, що впливають на вибір жорстких дисків, такі:

1. програми, встановлені в системі,
2. збережені дані,
3. значимість додатків та даних для компанії

З технічної точки зору, акцент може бути зроблений на продуктивність накопичувача, що має три основні елементи:

• Швидкість. Вирішальним у цьому сенсі є параметр кількості IOPS (операцій введення/виведення в секунду), які жорсткий диск може обробляти, а також кількість вихідних даних (корисна інформація без заголовків), що передаються протягом певного періоду часу.
• Затримки, тобто час, що проходить між запитом даних і моментом, коли дані досягають користувачів.
• Надійність – тривалість життя носія інформації може стати вирішальним фактором, якщо дані мають бути збережені протягом тривалого часу

Можна виділити такі типові сценарії використання серверів:

Поштові сервери — відповідають за всі види зв'язку, які включають поштовий трафік та інші види повідомлень. Поштові сервери якраз і є «серверами жорстких дисків», а рівень завантаження процесора для них не є таким значним. Саме тут потрібні надійні жорсткі диски. Швидкість звернення є необхідною умовою, але не настільки значною, за винятком об'ємних поштових баз даних, де низькі затримки мають дуже велике значення.

Сервери додатків, основне завдання яких — виконання програм користувачів. Це може бути як кілька людей з відділу продажу, так і кілька мільйонів користувачів Інтернету. Цей сценарій вимагає найшвидших і найнадійніших накопичувачів.

Сервери зберігання даних використовуються для зберігання різних файлів і, як правило, містять не тільки свої власні жорсткі диски, але також пов'язані із зовнішніми дисковими масивами. Одним із головних пріоритетів для них є надійність. Дані, що зберігаються на цих серверах, можуть мати важливе значення для компанії в її виробництві або інших бізнес-процесах. Сервери зберігання даних, як правило, пов'язані з пристроями для резервного копіювання, наприклад, із стрічковими бібліотеками, пристроєм запису на оптичні носії або онлайн-сервісами зберігання. Цим забезпечується різна оперативність доступу до інформації від швидкого онлайн, до повільного до даних в архівах. Це не означає, що архівна інформація не така важлива, просто вона не потрібна так часто, і, отже, її не потрібно зберігати на дуже швидких дисках. Однак якщо доступ до архівних даних стає регулярним, то, можливо, компанії знадобляться швидші диски або комбінація надійних та швидких дисків.

Сервери баз даних – мабуть найпопулярніший сценарій використання серверів, які є сховищами баз даних, доступних через локальну мережу або Інтернет. Крім того, сервери баз даних можуть бути підключені до спеціальних серверів додатків. Сервери баз даних повинні одночасно обробляти численні паралельні запити від різних користувачів, це робить важливими вимоги до накопичувачів з низької затримки та високої надійності. Потікові сервери забезпечують мультимедійними даними співробітників компанії або її клієнтів. Користувачі можуть отримувати доступ до таких даних як протягом обмеженого періоду часу, так і мати цілодобовий доступ (якщо системи доступні через Інтернет). Цей сценарій однозначно вимагає швидкі диски: щоб великі файли завжди були доступні, сервери повинні мати необхідні швидкість і продуктивність. 

Сервери для віртуалізації – це зростаючий напрямок використання серверів. Якщо п'ять років тому доводилося доводити, що за такою технологією майбутнє, то зараз усе зводиться лише до правильного сайзингу. Поставити гіпервізор і запустити кілька віртуальних машин стає звичайним сценарієм. Сервери в цьому випадку відіграють важливу роль – фактично вони є серверами додатків, але через те, що на них запущено кілька додатків та операційних систем, вимоги до дискової підсистеми ще вищі. Так, наприклад, багато виробників ПЗ для віртуалізації висувають особливі вимоги до типу дисків. Звичайно ж, такий поділ на сценарії є досить умовним, і багато організацій застосовують на серверах комбіновану схему. У цій ситуації для кожного сценарію в залежності від вимог до дискової підсистеми рекомендується виділяти окрему групу дисків.

Технічні деталі

Як говорилося раніше, не всі диски, призначені для звичайних ПК чи ноутбуків, можуть використовуватися на серверах, т.к. до них пред'являються особливі вимоги. Відмінності серверних дисків можуть полягати в типі інтерфейсів, ємності та внутрішніх компонентів, що використовуються. Це і визначає продуктивність, надійність та енергоефективність серверів.

HDD та SSD

У серверах вже давно використовуються жорсткі диски (HDD), але зараз все більше виробників, включаючи Fujitsu, використовують твердотільні накопичувачі (SSD). Кожен тип має свої переваги та недоліки. З самого початку жорсткі диски складалися з декількох дисків («млинців») з магнітним шаром, механізм зчитування/запису звертається до даних на кожному такому диску («млинці») . На даний момент в залежності від розміру та типу жорсткого диска можна зберегти до 4 ТБ даних. Цей класичний тип зберігання даних забезпечує задовільний ступінь надійності, а його продуктивність залежить від різних факторів (кількість обертів, інтерфейсу, кешу), про які ми поговоримо пізніше. Щодо нових твердотілих накопичувачів створено на основі флеш-пам'яті, практично тієї ж, що й у картах SD або енергонезалежної пам'яті в мобільних пристроях. Існують дві основні відмінності між SSD та картами SD. У SD картах використовується інший тип контролера і вони розглядаються операційною системою як змінний накопичувач, а найголовніша відмінність полягає в надійності. SD-карти підходять тільки для короткострокового обміну даними, тоді як твердотільні накопичувачі мають набагато більшу надійність і підходять для довгострокового зберігання даних. Рівень пропускної здатності SSD набагато більший, ніж у HDD, але їх ефективність значною мірою залежить від доступу. Пряме порівняння жорстких дисків та твердотільних накопичувачів у тестах мають неоднозначні результати. Традиційні тести продуктивності HDD зазвичай націлені на ті сфери застосування, де є труднощі саме у жорстких дисків: затримки, пов'язані з обертанням, і час пошуку. SSD не мають цих проблем, і можна говорити, що твердотілі накопичувачі пропонують набагато більш високу продуктивність, ніж жорсткі диски в більшості сценаріїв використання. Якщо раніше SSD мали дуже коротку тривалість життя, то останніми роками вона постійно збільшується. Зараз можна з упевненістю говорити, що твердотільні накопичувачі Fujitsu, що поставляються, ідеально підходять для довгострокового використання в серверах.

Інтерфейси

З численних інтерфейсів, доступних на ринку, тільки три типи мають велике значення для серверів.

SATA  Сучасні SATA-накопичувачі стандартизовані на роботу зі швидкістю 600 MБ/с, що дає пропускну здатність 6 Гб/с на жорсткий диск. SATA ідеальні за співвідношенням ціна/якість, і надійні за читанням/записом.

SAS  Це термін надсилає нас до SCSI – основі сучасних серверних інтерфейсів (Small Computer System Interface). SAS використовує ту ж послідовність команд, як і SCSI, будучи адаптованим до швидкого послідовного з'єднання. Цей інтерфейс пропонує пропускну здатність до 12 Гб/с та пропускну здатність 1200 МБ/с на диск. Таким чином, він забезпечує перевагу в більш стабільному та швидкому протоколі з більш високою швидкістю, покращеним опором перешкод та можливістю двопортових підключень носіїв для роботи в кластері. Використання SAS завжди необхідно, коли акцент робиться на високу пропускну здатність і високим рівнем надійності. Підключаються не через звичайні SATA або SAS контролери, а безпосередньо до шини PCIe на PCIe-SSD сервер системи. Це перевищує швидкість передачі SAS/SATA інтерфейсів. PCIe-SSD накопичувачі Fujitsu дозволяють досягти швидкості 1,5 ГБ/с. Однак, через те, що PCIe твердотільні накопичувачі підключаються безпосередньо до системної шини, вони не можуть бути завантажувальними.
У ряді оголошених минулого тижня моделей серверів Fujitsu PRIMERGY покоління S8 є також підтримка PCIe SSD формату 2.5, тобто там є можливість встановити спеціальний PCIe бекплейн в кошики для жорстких дисків, забезпечивши підключення безпосередньо в шину PCIe дисків SSD стандартного формату 2.5”, що стоять у звичних дискових кошиках. із SATA, тобто. SATA та SAS диски можуть бути підключені до SAS контролера. Тим не менш, це не працює у зворотному напрямку – Диски SAS не можуть бути підключені до адаптерів SATA хоста.

Формфактор (Size)

Формфактор дисків, встановлених на сервер, визначає ємність його системи зберігання та одночасно його енергоефективність. В даний час в серверах доступні і актуальні тільки два розміри дисків: 3.5" і 2.5".

3.5" є найбільш широко використовуваним розміром. Вони дозволяють розмістити максимальну кількість даних - 4 ТБ. жорсткі диски зазвичай рекомендуються для рішень з високими вимогами щодо обсягу зберігання. Але при цьому вони споживають більше енергії, ніж менші 2,5"-диски, а також у даному формфакторі не доступні накопичувачі SSD. Основна особливість 3.5" жорстких дисків — це висока ємність за більш вигідною ціною. Можна сказати, що диски 3,5 rdquo; пропонують кращі ціни за ГБ.

2.5 "частий розмір HDD і SSD. Хоча ці диски всього на один дюйм менше в розмірі, вони використовують набагато менше енергії, ніж їхні брати розміром 3,5". Нині максимальний обсяг такого диска становить 2ТБ. У порівнянні з їх більшими супутниками, 2,5" жорсткі диски не тільки економічні, але й пропонують кращі швидкості читання/запису, коли працюють в мережі з декількох носіїв. Таким чином, вони ідеально підходять для використання в системах з низьким енергоспоживанням або для систем з необхідною максимальною продуктивністю.

Внутрішні компоненти

Тепер поглянемо на відмінності жорстких дисків з погляду внутрішніх компонентів.

Дані в HDD зберігаються на «диски» — на скляні або алюмінієві диски з шаром матеріалу, що намагнічується (двоокис хрому). Чим вище густина цих «дисків» і чим більше таких дисків міститься в одному HDD, тим вища його потужність. Всі диски обертаються з певною швидкістю, яка визначає його пропускну здатність, час доступу та його енергоспоживання. Сервери з високими вимогами до продуктивності зазвичай оснащені жорсткими дисками зі швидкістю обертання 7200, 10 000 або 15 000 обертів на хвилину. Швидші диски не тільки споживають більше енергії, а й потребують покращених механізмів охолодження. Інша проблема зумовлена вібраціями. Коли диски обертаються з різною швидкістю в корпусі, вони можуть порушити роботу один одного, перебуваючи в різних циклах запису. Всі диски, які працюють в одному місці, повинні мати однакову швидкість обертання (тобто і той самий інтерфейс). Якщо диски з різними швидкостями або інтерфейсами об'єднуються в сервер з різними областями застосування (див. таблицю в кінці), вони повинні завжди бути розміщені в різних місцях шасі. Твердотільні накопичувачі не мають рухомих частин, а дані зберігаються в комірках флеш-пам'яті. Випробування, проведені Fujitsu, виявили, що продуктивність введення/виводу SSD покращена в 100 разів у порівнянні з жорстким диском. І в той же час вони використовують лише одну п'яту частину від потужності споживання HDD, оскільки не потребують електродвигуна. Завдяки відсутності рухомих частин дані накопичувачі не схильні до механічного зносу і не чутливі до температури і вібрації. Однак одним із недоліків SSD-накопичувачів є їх обмежений термін служби. Якщо термін служби жорстких дисків обмежений через їхнє механічне зношування, то у SSD знос відбувається через електричний ефект. Суть якого полягає в тому, що кількість операцій запису на флеш-пам'яті має обмеження від 3000 до 100000 залежно від її якості. При досягненні цих значень читання інформації буде не надійною. Цей швидкий знос SSD створював проблеми на початку їх появи. Для боротьби з нерівномірним зносом застосовуються схеми балансування шляхом збереження інформації про те, скільки разів, які блоки перезаписувалися та періодичної зміни послідовності запису. Ця розподілена процедура на рівні контролера призводить до збільшення тривалості життя SSD до термінів аналогічних або навіть перевищують термін життя звичайних жорстких дисків.

Об'єм (Ємність, Capacity)

Головним параметром кожного накопичувача (HDD або SSD) є його ємність. Як зазначалося раніше, 3.5" жорсткі диски можуть зберігати до 4 ТБ, а 2,5" жорсткі диски зараз доступні з максимальною ємністю 2 ТБ, а твердотільні накопичувачі доступні до 600 ГБ. Не завжди доцільно вибирати накопичувачі максимального об'єму, щоб отримати певну ємність. Жорсткий диск не повинен бути встановлений на сервері в однині, а повинен завжди бути об'єднаний у групи з двох (як мінімум), щоб забезпечити надійну роботу. Якщо, наприклад, планується оснастити сервер дисковим простором загальної складності 2 ТБ, то набагато краще купити чотири диски об'ємом 1 ТБ, а потім налаштувати їх у RAID-масив. Так, щоб будь-який збій в одному з дисків не призводив до втрати даних. Це одна з причин, чому ємність серверних жорстких дисків зазвичай нижча, ніж у їх настільних побратимів. 

Фактори якості

При виборі правильних дисків для сервера обов'язково потрібно брати до уваги такі важливі параметри:

• Оцінка терміну служби жорсткого диска. Виробники жорстких дисків використовують для оцінки параметр, відомий як MTBF. Ця абревіатура розшифровується як «середній час напрацювання на відмову» (Середня кількість робочих годин між простоями) і говорить про час після якого жорсткий диск ймовірно вийде з ладу. MTBF вимірюється в годиннику, і це значення завжди цілком велике. Тим не менш, це всього лише розрахункове значення, і воно не гарантує того, що диск не вийде з ладу до того, як цей час буде досягнуто.
• Окрім фізичної ємності та значення експлуатаційних показників, необхідно також відзначити, що робота у більшості дисків у сервері повинна здійснюватися безперервно або точніше: диски повинні бути в змозі працювати безперервно без будь-яких перерв. Fujitsu пропонує для своїх серверів лише диски, які відповідають цим умовам. У той же час MTBF для жорстких дисків настільних пристроїв вказується, виходячи з 8 годинного робочого дня. SSD, які зараз продаються Fujitsu, завжди покриваються гарантійним терміном на всю серверну систему. Ще одним цікавим параметром є DWPD (кількість перезаписів накопичувача на день), який можна розглядати, щоб оцінити тривалість терміну служби твердотільних накопичувачів. SSD, запропоновані Fujitsu на основі технології MLC (багаторівневі осередки), мають значення 10 DWPD протягом п'яти років. Більш високими характеристиками розміром 50 DWPD протягом п'яти років визначаються твердотільні накопичувачі з технологією SLC (однорівневі осередки). Тенденція останніх розробок у флеш-технології – рух у бік більш рентабельної технології MLC.
• Ще однією особливістю SSD є їх обмежені можливості зберігання даних у вимкненому стані. Якщо SSD видаляється з сервера, і, наприклад, кладеться в шафу як резервна копія, то інформація, що зберігається на ньому, залишиться доступною в кращому випадку протягом десяти років. При цьому різні фактори (тип флеш-технології SLC/MLC, попередня інтенсивність використання або температура навколишнього середовища) скорочує термін зберігання. Визначено, що мінімальний термін зберігання у зв'язку з відповідними прогнозами тривалості життя становить шість місяців для SLC SSD та три місяці для MLC SSD.

Щоб переконатися в тому, що всі HDD та SSD відповідають цим вимогам, вони повинні бути піддані строгому тестуванню та сертифіковані відповідним чином. Це стосується всіх накопичувачів, встановлених Fujitsu у свої сервери PRIMERGY.

Класифікація

Для того, щоб підсумувати всі ці аспекти та спростити вибір клієнтам, Fujitsu визначає кілька класів для жорстких дисків:

Economic (ECO). Диски у цьому класі мають низьку ціну за одиницю. Рівень продуктивності та надійності цих дисків визначає їхнє призначення для систем початкового рівня. Вони повинні використовуватися в некритичних областях з низьким трафіком введення/виводу та помірними вимогами до швидкості. Високі навантаження можуть призвести до погіршення їхньої надійності. ECO диски працюють зі швидкістю 5400 або 7200 обертів за хвилину і мають інтерфейс SATA.

Business Critical (BC) або Nearline. Диски у цьому класі пропонують високу ємність із мінімальною вартістю за 1 ГБ. Вони призначені для забезпечення хорошої продуктивності та відповідної надійності. Залежно від реалізації сервера, «BC-диски» можуть бути оснащені SAS або SATA інтерфейсами і мають швидкість 7200 обертів за хвилину.

Enterprise (EP). Диски цього класу забезпечують максимальну продуктивність та надійність. Вони розроблені, щоб впоратися з максимальним робочим навантаженням. Цей клас використовує інтерфейс SAS і має швидкість обертання 10000 і 15000 обертів на хвилину. SSD Enterprise Performance / Mainstream. Ці накопичувачі пропонують найкращу продуктивність та термін служби в сегменті SSD і, таким чином, ідеально підходять для використання в системах з високими вимогами щодо «ціна/пропускна здатність введення/виводу». Enterprise Performance SSD (SLC або MLC технології) пропонують кращу продуктивність вводу/виводу за допомогою інтерфейсу SAS. На противагу цьому Enterprise Mainstream SDD (MLC технології) мають інтерфейс SATA і є доступнішими за ціною.

Вибір конфігурації

Тепер спробуємо звести все вище сказане в таблицю:

Укладання

Правильний вибір накопичувачів для серверів є досить складним завданням. У цій статті, не дивлячись на її обсяг, я зміг висвітлити це досить поверхово. Якщо ви вирішите придбати сервер PRIMERGY виробництва компанії Fujitsu, ви завжди зможете отримати кваліфіковану консультацію та допомогу в сайзингу у наших авторизованих партнерів.