サイレント革命：データセンターのフラッシュメモリ

フラッシュメモリは既にデータセンターに革命をもたらしています。フラッシュへのデータ転送は、多くの集中型ITシステムの開発における次のステップです。 はい、それは非常に高価であり、独自の特性を持っています-しかし、今日のデータセンター管理者にとっての質問は、フラッシュメモリを使用するかどうかではなく、いつどのようにそれを行うかです。







ここで、 このトピックでは 、バックグラウンド情報が既に与えられており、新しいタイプのドライブは、重いデータベースが実行されている脱穀機に対して著しく高速で信頼性が高いことを示しています。 フラッシュストレージに作業をロードする（つまり、一定の読み取り/書き込み操作を提供する）ことができる場合、そのコンテンツはHDDアレイのコンテンツよりもはるかに安く、さらに多くの追加のボーナスが得られます。



以下は、このテクノロジーに切り替えるべきかどうかを判断する方法に関するヒントです。

簡単な事実から始めましょう。

• フラッシュメモリは非常に高価です。 はい、フラッシュドライブとフラッシュストレージにギガバイトの情報を保存するコストは、機械的なHDDよりも何倍も高価です。 ただし、数千IOPSのストレージシステムに負荷をかけ、ディスクサブシステムの応答時間に敏感なアプリケーションの場合、安価で信頼性が高くなります（もちろん、このようなアプリケーションは、1つのSSDドライブまたはPCI-eカードではなく、専用のストレージシステムに配置する必要があります数十万IOPSの理論的性能が要求されています）。
• フラッシュメモリは信頼できません。 多くの人はこの技術を「ダンク」と考えており、最初のプロトタイプの問題は最新のフラッシュドライブに起因すると考えています。 SSDドライブの構成、さらには特殊なストレージシステムでは、最新のフラッシュメモリはHDDより高い信頼性指標を示しています。 さらに、深刻なサービスを実行するストレージシステムは、サプライヤーまたはメーカーがサポートする必要があると考えています。 この場合、HDDまたはSSDの障害はまったく気にしません;交換はサポートサービスのルーチンです。 多くの最新のストレージシステムは、それ自体でサービスセンターに障害を報告できます。 多くの場合、あなた自身が拒否を見つけるよりも早く、彼らはすでに訪問の時間に同意するようにあなたに電話します。
• 書き込みサイクルの数は制限されています。 現在、SLCは約100,000回の書き換えサイクル、MLCは10,000回です。問題はブロックの均一なロードによって解決され、これはコントローラーによって提供されます。 読書だけが1つのセクションにあり、一定の変化が他のセクションにあることは不可能です。 この原因となるメカニズムは、ウェアレベリングと呼ばれます。 したがって、バイオリンメモリシステムの場合、このアルゴリズムはストレージスペース全体を均一に「消耗」させます。 他のシステムでは、各SSDのコントローラーがウェアレベリングを担当しますが、これは非効率的です。 同時に、フラッシュメモリ領域の一部（最大30％）は、このような摩耗したブロックの再マップ用に予約されています。 データベースが24時間、1年365日、4Kbブロック（約100 MB /秒）で25,000 IOPSで10TBシステムに書き込むと仮定すると、SLCシステムの1％は3年4か月で消耗し、MLCアレイの1％は4ヶ月。
• フラッシュメモリは読み取りには適していますが、書き込みにはあまり適していません。 これは、記録処理メカニズムによるものです。 セルに記録するには、まずクリーニングする必要があります。 消去は1つのセルではなく、64〜128以上のKbが組み合わされたブロック全体で行われます。 消去プロセスの進行中、他のすべての操作はミリ秒単位で測定されるかなり長い時間停止します。 通常、ブロックはトランザクションに必要なサイズよりも大きいため、多くは「ファームウェア」とコントローラー操作アルゴリズムに依存します。 ディスクが1つしかない場合、プロセスは非常に遅くなります。 ただし、ストレージシステムが大きい場合は状況が変わります。 その後、コントローラーは負荷を再配分できるため、記録前にシステムをブロックする効果がシステムの動作に大きな影響を与えることはなく、書き込みと読み取りのパフォーマンスをほぼ同じにすることができます。 レコードをグループ化し、セルに順番に書き込むと、消去の必要性がはるかに少なくなります。
• エラーは、ブロックごとの読み取りサイクル数とともに増加します。 はい、それは事実です。 以前の問題と同様に、問題はコントローラーによって決定されます。 まず第一に、彼は時代遅れの細胞を廃止しなければなりません。 しかし、このメカニズムが突然失敗した場合でも、ストレージコントローラーまたはサーバーで機能するRAID保護をキャンセルした人はいませんでした。
• メディアがいっぱいになると速度が低下します。 はい、メモリがほとんど使用されていない場合はパフォーマンスが理想的ですが、データを上書きすると、必要なデータが含まれるセルとそうでないセルの両方にブロックが残ります。 コントローラは、埋められていないセルから必要なデータを転送し、ディスク上のデータを消去することにより、ガベージコレクションプロセスを開始します。 400 GBのディスクの真の速度を理解するには、実用的なデータを取得するために、異なるトランザクションで少なくとも1 TBのディスクを書き込む必要があります。 以下に2つのグラフの図を示します。 もちろん、ストレージシステム上のデータ量が多いほど、この効果を操作および平滑化するためのスペースが大きくなります。

Violin VMA3205 PCI-eフラッシュカードと外部フラッシュストレージ容量グラフ

使用する理由

エンタープライズアプリケーション



これが最初の良い使用例です。 フラッシュメモリは、ITシステムの管理者とエンドユーザーにとって重要な2つの重要な指標、アプリケーションの可用性とパフォーマンスを向上させます。 フラッシュメモリは、次の2つの条件が満たされると、すべての栄光を発揮します。

1. かなりロードされたアプリケーション。 Big Oracle、SAP、CRM、ERP、エンタープライズポータルは優れた候補です。
2. 複製されたコントローラーおよびサーバー接続で外部ストレージを使用します。

一方、フラッシュメモリへの移行はすべての病気の万能薬であると考える人もいます。 これはそうではありませんが、このツールはエンタープライズアプリケーションの生産性を高めるのに非常に効果的です。市場にある他のソリューションと比較して、これを本当に低価格で実現できます。 決定を下す前に、システムのロードを明確に検討する必要があります。 私の実践が示すように、70〜80％のケースで、アプリケーションの速度の問題は、ディスクサブシステムの低速に直接関係するか、ディスクアクセラレーションによって状況を大幅に改善できます。



ところで、そのような解決策は明らかではないかもしれません。 たとえば、CPUが100％ビジーであることをシステムが示している場合、CPUを追加することで問題が解決されると自動的に想定する必要はありません。 レベルをさらに掘り下げて、プロセッサが何でビジーかを確認する必要があります。 多くの場合、彼は入出力の待機（IOWAIT）で忙しくしています。 ディスクシステムの速度を上げると、CPUの負荷が軽減され、問題が解決します。



ディスクサブシステムに問題があるかどうかを理解するには、ディスクサブシステムの応答時間のグラフを作成する必要があります。 各OSには、perfmon、iostat、sar、nmonなど、これを簡単に実行できる独自のツールがあります。



非常に一般的な推奨事項として-ユーザーがディスクの不十分な速度と応答時​​間について不満を言う場合-数十ミリ秒-何かをする必要があります。 たとえば、これは、かなり大きな処理システムが配置されているボリュームの応答のグラフです。 この速度では、ストレージシステムは彼女にとってかなりひどく機能しました。特に、仕事の後に人々がATMに入ったとき、またはシステムが1日をまとめたとき：







多くの場合、システムの速度が低下したとしても、これが常に不平を言うわけではありません。 システムが徐々に遅くなると、人々はそれに慣れるだけです。 彼らはそれがうまく機能するか悪いかを言うことができません-それは昨日のように機能し、これが主なものです。 すべてが順調で、突然悪化した場合、ユーザーは文句を言い始めます。 これは、データベース、注文や顧客に関する情報などを蓄積する多くのエンタープライズアプリケーションに適用されます。 プラスは、反対方向に機能することです。 したがって、システムのユーザーエクスペリエンスを向上させるための迅速かつ実用的な方法があれば、ITスペシャリストは常に管理者の目には魔術師のように見えます。 この点で、私たちの職業は日常生活の配管をやや連想させます。何かが悪くなったときに目立つのは簡単ですが、何かが良くなったので目立つのは非常に困難です。



仮想化



フラッシュストレージのアプリケーションの2番目の領域は仮想化であり、ほとんどの人がこれを利用しています。 ほとんどの企業はサーバー仮想化を実装し、次にワークステーションを実装してから「クラウド」に移動します。 私の実務では、大規模な顧客の大多数が第1段階を完了していますが、今年はワークステーション仮想化プロジェクトが大幅に増加しています。 ただし、複数の顧客の例で見たように、多くの場合、少量の鉄で膨大な数のタスクを統合すると、ストレージのボトルネックが再び発生します。



数百台のマシンを1つの大きなストレージ上のデータセンターに配置しようとすると（多くの場合、さらに数十台をインストールするのではなく、垂直スケーリングのみが可能です）、システム全体の速度を決定する場所になります。 これは、ワークステーションの仮想化プロジェクトで非常に顕著です。多くの場合、営業日の初め、全員が入室するとき、昼食時、および終業時に問題が発生します。 コンピューターが5分間起動し、現在は15分間起動し、ユーザーにこれが最も高度なテクノロジーであると言われた場合、彼の不満は明らかになります。 さらに、当局も不満を抱いています。数万ドルから数十万ドルが費やされ、その外観から判断すると、悪化しました。 ここで、再び良いウィザードとして行動できます。



そのような瞬間をすぐに発言する価値があります。客観的には、仮想化に適したストレージスペースは、サーバー上の従来のハードドライブよりもはるかに高価です。 各ユーザーが持っていた量を取得し、それを大規模で優れたストレージシステムにコピーするだけでは機能しません。何らかの方法で領域を最適化する必要があります。



ストレージへの移行中の一般的な最適化技術は、「ゴールデンイメージ」と呼ばれます。 たとえば、Windows 7で1000台のコンピューターが必要な場合、1000ディストリビューションをインストールする必要はなく、数テラバイトのオペレーティングシステムファイルを占有します。 仮想化システムは、オペレーティングシステムの1つのいわゆる「ゴールデンイメージ」を作成します。 同時に、すべてのユーザーがそこから読み取り、イメージに保存されているファイル以外のファイルのみが仮想マシンに保存されます。 同時に、少量のディスク領域で大量の読み取り操作がクラッシュすることは明らかです。 参照イメージが何らかの理由で大幅に変更された場合（パッチがインストールされた場合など）、数千のワークステーションが更新されます。 もちろん、これもストレージに大きな負荷を与えます。 フラッシュメモリは、そのような瞬間を比較的簡単に、ワークフローを強制的に停止することなく再現するのに役立ちます。

貯蓄：ボーナス

上記では、読み取り/書き込み操作を待機している間にCPU使用率が100％の例を既に示しました。 プロセッサがアイドル状態でディスクサブシステムを待機する時間を短縮すると、主な問題を解決するために必要なプロセッサが少なくなる場合があります。 これにより、サーバーのアップグレードを遅らせることができます。



さらに、Oracle、SAP、VMwareなどのほとんどの企業ソフトウェアは、物理プロセッサまたはコアでライセンスされています。 したがって、顧客は水平方向にスケーリングし、プロセッサに数万を支払い（これらはハイエンドサーバーの価格です）、ソフトウェアにさらに多くを支払います。 しかし、ストレージの高速化により、ソフトウェアメーカーは何も支払う必要がなくなります。

まとめ

負荷の高いシステムがある場合は、既存のストレージシステムで十分な量の分析を行います。 情報のストレージを最適化する必要がある場合は、少なくともフラッシュストレージを試してください。 多くの迷信がフラッシュに関連付けられています。これは、新しいテクノロジーと同様に、ソリューションが適切かどうかの不確実性に加えて、理解可能な保守主義です。 ほとんどの場合、実際にのみ解決できます。 試してみてください：フラッシュシステムまたはアレイ内の複数のSSDディスクに、わかりやすいベンダーまたはシステムインテグレーターからのテストを依頼し、結果を計算して、実際に必要な量を評価します。



近い将来、Violin Memoryデモアレイが登場し、現在では小さなキューがすでに構築されています。 あなたがこれに興味があるなら（そしてあなたには高いストレージ容量を必要とするタスクがあるなら）、dd @ croc.ruで私に書くことができます。