QSAN XCubeSANストレージにSSDキャッシングを実装する

ストレージシステムで広く使用されているSSDベースのパフォーマンス向上テクノロジーが長い間発明されてきました。 まず第一に、これはSSDをストレージスペースとして使用することであり、100％効率的ですが高価です。 したがって、SSDが最も一般的な（「ホット」）データにのみ使用されるピアリングおよびキャッシングテクノロジーが使用されます。 引き裂きは、「ホット」データの長期（日-週）使用のシナリオに適しています。 それどころか、キャッシングは短期間（数時間）で使用するためのものです。 これらのオプションは両方ともQSAN XCubeSANストレージに実装されています。 この記事では、2番目のアルゴリズムであるSSDキャッシングの実装を検討します。

SSDキャッシングテクノロジーの本質は、ハードディスクとコントローラーメモリ間の中間キャッシュとしてSSDを使用することです。 もちろん、SSDのパフォーマンスはコントローラー自体のキャッシュのパフォーマンスよりも低くなりますが、ボリュームは1桁高くなります。 したがって、速度と音量の間で妥協点があります。

SSD読み取りキャッシュを使用するための指示：

• 書き込み操作よりも読み取り操作の優位性（ほとんどの場合、データベースとWebアプリケーションの特徴）。
• 一連のハードドライブのパフォーマンスという形でのボトルネックの存在。
• 要求されたデータの量は、SSDキャッシュのサイズよりも少ないです。

読み取り/書き込みSSDキャッシュを使用するための兆候は、操作の性質-混合タイプ（たとえば、ファイルサーバー）を除いて、同じ理由です。

ほとんどのストレージベンダーは、自社製品で読み取り専用SSDキャッシュを使用しています。 QSANとそれらの基本的な違いは、記録にもキャッシュを使用できることです。 QSANストレージのSSDキャッシングの機能を有効にするには、個別のライセンスが必要です（電子的に配信されます）。

XCubeSANのSSDキャッシュは、個別のSSDキャッシュプールとして物理的に実装されます。 システムには最大4つまで存在できます。 もちろん、各プールは独自のSSDセットを使用します。 そして、すでに仮想ディスクのプロパティで、キャッシュプールを使用するかどうかと、どのプールを使用するかを決定します。 ボリュームのキャッシュの使用の有効化と無効化は、I / Oを停止せずにオンラインで実行できます。 また、「ホット」では、SSDをプールに追加してそこから削除できます。 SSDプールキャッシュを作成するとき、どのモードで動作するかを選択する必要があります：読み取り専用または読み取り+書き込み。 その物理的な組織はそれに依存しています。 プールのキャッシュは複数ある可能性があるため、機能が異なる可能性があります（つまり、システムは、読み取りと読み取り+書き込みを同時に行うためのキャッシュプールを持つことができます）。

読み取り専用プールキャッシュを使用する場合、1〜8個のSSDで構成できます。 ディスクは、NRAID +構造に結合されているため、同じボリュームと1つのベンダーである必要はありません。 プール内のすべてのSSDは共有されます。 システムは、最大のパフォーマンスを達成するために、すべてのSSD間で着信要求を個別に並列化しようとします。 SSDの1つに障害が発生した場合、悪いことは何も起こりません。結局、キャッシュには、ハードドライブのアレイに格納されたデータのコピーのみが含まれます。 使用可能なSSDキャッシュの量が減少するだけです（1つのドライブから元のSSDキャッシュを使用する場合はゼロになります）。

キャッシュが読み取りと書き込みの操作に使用される場合、コンテンツはドライブのペアでミラーリングされるため（NRAID 1+構造を使用）、プール内のSSDの数は2の倍数でなければなりません。 キャッシュにはまだハードドライブに書き込まれていないデータが含まれている可能性があるため、キャッシュの複製が必要です。 この場合、キャッシュプールのSSDに障害が発生すると、情報が失われます。 NRAID 1+の場合、SSDの障害は、ハードドライブからアレイへの未記録データのダンプを伴う読み取り専用状態へのキャッシュ遷移を単に引き起こします。 故障したSSDを交換すると、キャッシュは元の動作モードに戻ります。 ところで、セキュリティを強化するために、読み取りと書き込みのために動作するキャッシュに専用ホットスペアを割り当てることができます。

XCubeSANでSSDキャッシング機能を使用する場合、ストレージコントローラーのストレージ容量には多くの要件があります。システムメモリが多いほど、使用できるキャッシュプールが多くなります。

繰り返しになりますが、SSDキャッシュ設定としてオン/オフオプションのみを提供する大多数のストレージメーカーとは異なり、QSANはより多くのオプションを提供します。 特に、負荷の性質に応じてキャッシュの動作モードを選択できます。 対応するサービスに最も近い3つの定義済みテンプレートがあります：データベース、ファイルシステム、Webサービス。 さらに、管理者は必要なパラメーター値を設定することにより、独自のプロファイルを作成できます。

ブロックサイズ（キャッシュブロックサイズ）-1/2/4 MB キャッシュにコピーされるようにブロックを読み取る要求の数（読み取り時のしきい値）は1..4です。 キャッシュにコピーされるようにブロックを書き込むリクエストの数（書き込み時のしきい値）は0..4です

プロファイルはオンザフライで変更できますが、もちろん、キャッシュの内容をゼロ化して新しい「ウォームアップ」を行います。

SSDキャッシュの動作原理を考慮すると、SSDキャッシュを操作する際の主な動作を区別できます。

• キャッシュにないデータを読み取る。
• データがキャッシュに存在する場合のデータの読み取り。
• 読み取りキャッシュを使用する場合のデータの書き込み。
• 読み取り+書き込みキャッシュを使用する場合のデータの書き込み。

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キャッシュにないデータを読み取る

1. ホストからの要求はコントローラーに送られます。
2. 要求されたものはSSDキャッシュにないため、ハードドライブから読み取られます。
3. 読み取られたデータはホストに送信されます。 同時に、これらのブロックが「ホット」であるかどうかを確認するためのチェックが進行中です。
4. その場合、将来の参照のためにSSDキャッシュにコピーされます。

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キャッシュに存在するデータを読み取る

1. ホストからの要求はコントローラーに送られます。
2. 要求されたデータはSSDキャッシュにあるため、そこから読み取られます。
3. 読み取られたデータはホストに送信されます。

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読み取りキャッシュを使用するときにデータを書き込む

1. ホストからの書き込み要求はコントローラーに送られます。
2. データはハードドライブに書き込まれます。
3. ホストは、成功した記録に関する応答を返します。
4. 同時に、ブロックが「ホット」かどうかがチェックされます（Populate-on-Write Thresholdパラメーターが比較されます）。 その場合、将来の使用のためにSSDキャッシュにコピーされます。

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読み取り/書き込みキャッシュを使用する場合のデータの書き込み

1. ホストからの書き込み要求はコントローラーに送られます。
2. データはSSDキャッシュに書き込まれます。
3. ホストは、成功した記録に関する応答を返します。
4. バックグラウンドのSSDキャッシュからのデータはハードドライブに書き込まれます。

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ビジネスでの検証

テスト1. 1-8 SSDを使用したSSD読み取り専用キャッシュ

SSDキャッシュ I / Oタイプ：カスタマイズ キャッシュブロックサイズ：4MB 読み込み時のしきい値：1 書き込み時の入力しきい値：0

I / Oパターン ツール：IOmeter V1.1.0 労働者：1 未処理（キューの深さ）：128 アクセス仕様：4KB、100％読み取り、100％ランダム

理論的には、キャッシュプール内のSSDが多いほど、パフォーマンスが向上します。 実際には、これは確認されました。 ボリュームの数が少ないSSDの数が大幅に増加しても、爆発的な影響はありません。

テスト2. 2-8 SSDを使用した読み取り+書き込みモードのSSDキャッシュ

SSDキャッシュ I / Oタイプ：カスタマイズ キャッシュブロックサイズ：4MB 読み込み時のしきい値：1 書き込み時の入力しきい値：1

I / Oパターン ツール：IOmeter V1.1.0 労働者：1 未処理（キューの深さ）：128 アクセス仕様：4KB、100％書き込み、100％ランダム

同じ結果：爆発的なパフォーマンスの成長とSSDの数の増加に伴うスケーリング。

両方のテストで、運用データの量は合計キャッシュサイズよりも少なくなりました。 したがって、時間の経過とともに、すべてのブロックがキャッシュにコピーされました。 実際、この作業はSSDを使用して行われ、ほとんどハードドライブに影響を与えませんでした。 これらのテストの目的は、キャッシュのウォームアップとSSDの数に応じたパフォーマンスのスケーリングの効果を明確に示すことでした。

ここで、天国から地球に戻り、データの量がキャッシュサイズよりも大きい場合により重要な状況を確認します。 テストが正常な時間でパスするように（ボリュームサイズが大きくなるとキャッシュの「ウォームアップ」という用語が大幅に増加する）、ボリュームサイズを120 GBに制限します。

テスト3.データベースエミュレーション

SSDキャッシュ I / Oタイプ：データベース キャッシュブロックサイズ：1MB 読み込み時のしきい値：2 書き込み時の入力しきい値：1

I / Oパターン ツール：IOmeter V1.1.0 労働者：1 未処理（キューの深さ）：128 アクセス仕様：8KB、67％読み取り、100％ランダム

評決

当然の結論として、SSDキャッシュの使用効率が良いことは、ストレージシステムのパフォーマンスを向上させることを示唆しています。 QSAN XCubeSANに関しては、このステートメントは完全に適用可能です。SSDキャッシング機能は優れています。 これは、システム全体の最終的なパフォーマンスだけでなく、読み取りおよび読み取り+書き込みのサポート、あらゆるユースケースの柔軟な作業設定に適用されます。 したがって、非常にリーズナブルなコスト（ライセンスの価格は1-2 SSDのコストに匹敵します）で、全体的なパフォーマンスを大幅に向上させることができます。