ITPOD Storage Full Flash: архитектура и практическое применение

Корпоративные системы хранения данных (СХД) прошли радикальную трансформацию за последнее десятилетие. Появление твердотельных накопителей с интерфейсом NVMe (Non-Volatile Memory Express) произвело революцию в скорости доступа к данным и открыло новые возможности для построения высокопроизводительных систем хранения. 

В этом контексте ITPOD представляет линейку Full Flash Storage — семейство полностью твердотельных систем хранения данных, оптимизированных для широкого спектра корпоративных задач: от требовательных баз данных и систем виртуализации до ресурсоемких приложений искусственного интеллекта и машинного обучения (AI/ML).

Архитектура ITPOD Storage Full Flash

Линейка ITPOD Storage Full Flash представляет собой семейство систем хранения данных enterprise-класса, полностью построенных на NVMe накопителях. Такая архитектура обеспечивает не просто высокую производительность отдельных компонентов, но сквозное (End-to-End) использование возможностей NVMe на всех уровнях — от физических носителей до протоколов доступа потребителей.

Технологический стек на базе NVMe SSD

В основе архитектуры лежат высокоскоростные NVMe SSD накопители, подключенные напрямую к контроллерам СХД по высокоскоростной шине PCIe. Это принципиально отличается от традиционных систем, где для подключения дисков используются интерфейсы SAS или SATA, создающие узкое место в потоке данных. Прямое подключение по PCIe снижает задержки и устраняет избыточные преобразования протоколов, характерные для более старых технологий.

Контроллеры системы оснащены многоядерными процессорами, специально оптимизированными для параллельной обработки операций ввода-вывода. Такая оптимизация позволяет полностью использовать возможности NVMe по одновременной обработке тысяч команд в множественных очередях, что критически важно для современных многопоточных приложений.

Протоколы доступа и их особенности

ITPOD Storage Full Flash поддерживает несколько протоколов доступа, что обеспечивает гибкость при интеграции в различные инфраструктуры:

• NVMe/TCP — основной протокол, обеспечивающий максимальную производительность в IP-сетях. Он позволяет передавать команды NVMe напрямую через стандартный стек TCP/IP, сохраняя эффективность NVMe при работе через сеть. Отличительной особенностью реализации этого протокола в ITPOD Storage является архитектура End-to-End NVMe и отсутствие требований к специальному сетевому оборудованию.
• iSCSI — обеспечивает совместимость с существующими системами, поддерживающими стандартный блочный доступ. Хотя этот протокол не раскрывает всех возможностей NVMe, он позволяет эффективно интегрировать ITPOD Storage в гетерогенные среды.
• NFS — файловый протокол, оптимальный для сред, где требуется общий доступ к файлам с разных систем. Особенно эффективен для хранения данных виртуальных машин и контейнеров, а также для задач искусственного интеллекта и машинного обучения (AI/ML).

Active-Active архитектура контроллеров

Системы ITPOD Storage Full Flash построены по схеме Active-Active, где оба контроллера одновременно обрабатывают рабочие нагрузки. Клиентские запросы распределяются между контроллерами, что оптимизирует использование ресурсов и максимизирует производительность.

При отказе одного из контроллеров система автоматически перенаправляет весь трафик через работающий контроллер, обеспечивая непрерывность работы. Важным отличием от традиционных Active-Passive схем является отсутствие простаивающих ресурсов — в обычном режиме работы вся вычислительная мощность системы эффективно используется.

Технология NVDIMM-N

Важным компонентом, обеспечивающим целостность данных, является NVDIMM-N (Non-Volatile Dual In-line Memory Module) — тип памяти, сочетающий в себе скорость DRAM и энергонезависимость флеш-накопителей. Каждый контроллер ITPOD Storage оснащен 32 ГБ NVDIMM-N (всего 64 ГБ на систему), которые используются для защиты кэша записи.

В нормальном режиме работы NVDIMM-N функционирует как сверхбыстрая оперативная память, обеспечивая минимальные задержки при кэшировании операций записи. При внезапном отключении питания специальные суперконденсаторы (BBU — Battery Backup Unit) обеспечивают достаточно энергии для переноса всех данных из энергозависимой DRAM в энергонезависимую NAND-память, интегрированную в тот же модуль. Это гарантирует сохранность всех транзакций, даже если отказ произошел до физической записи данных на накопители.

После восстановления питания данные автоматически перемещаются обратно в DRAM, и все незавершенные транзакции корректно завершаются, обеспечивая полную целостность данных. Использование NVDIMM-N устраняет потребность в традиционных батарейных модулях резервного питания, которые имеют ограниченный срок службы и требуют регулярной замены.

Файловая система ZFS и механизм Copy-on-Write

ITPOD Storage построена на базе файловой системы ZFS, которая обеспечивает высокую отказоустойчивость и защиту данных. Особенности этой файловой системы:

• Copy-on-Write (CoW) — технология, при которой изменения данных никогда не записываются поверх существующих блоков. Вместо этого создаются новые блоки, а метаданные обновляются только после успешной записи. Это гарантирует целостность данных даже при внезапном сбое питания или отказе оборудования.
• Транзакционная целостность — все изменения группируются в транзакции, которые либо полностью применяются, либо полностью отклоняются. Это исключает возможность появления частично записанных данных.
• Контрольные суммы — для каждого блока данных хранится его контрольная сумма, что позволяет обнаруживать и исправлять скрытые повреждения данных (silent corruption).

Применение CoW особенно эффективно в all-flash системах, поскольку эта технология минимизирует число операций записи и оптимально распределяет их по всему объему накопителей, что способствует равномерному износу ячеек и увеличивает срок службы SSD.

RAID-Z: современный подход к защите данных

Для обеспечения надежности хранения данных в ITPOD Storage Full Flash применяется технология RAID-Z — современная реализация RAID, специально оптимизированная для работы с ZFS. В отличие от классических RAID-систем, RAID-Z не имеет фиксированного размера «страйпа» (полосы данных), а использует размер логического блока файловой системы.

RAID-Z обеспечивает три уровня защиты:

• RAID-Z1 — защита от отказа одного диска (аналог RAID-5);
• RAID-Z2 — защита от отказа двух дисков (аналог RAID-6);
• RAID-Z3 — защита от отказа трех дисков (не имеет аналогов в классических RAID).

Особенностью RAID-Z является диагональное распределение контрольных сумм, что позволяет восстанавливать как целые диски, так и отдельные поврежденные блоки данных. Система постоянно проверяет целостность данных и при обнаружении несоответствия контрольных сумм мгновенно исправляет логические ошибки.

Для ускорения операций восстановления данных RAID-Z использует все доступные диски одновременно, что особенно эффективно в системах на базе NVMe SSD с их высокой параллельностью операций.

Оптимизация ресурсов

Современные СХД должны не просто обеспечивать высокую скорость работы, но и оптимально использовать имеющиеся ресурсы. ITPOD Storage Full Flash реализует комплексный подход к оптимизации, включающий как технологии повышения эффективности хранения, так и механизмы продления срока службы твердотельных накопителей.

Технологии Inline-Deduplication и Compression

Одним из ключевых преимуществ линейки ITPOD Storage Full Flash является реализация технологий дедупликации и компрессии данных в режиме реального времени (inline):

Inline-Deduplication выполняет анализ блоков данных непосредственно в момент их записи, выявляя и устраняя дублирующуюся информацию. Технология работает на уровне блоков фиксированного размера, вычисляя их хеш-значения и сравнивая с уже хранящимися данными. При обнаружении идентичных блоков система сохраняет только одну копию и создает ссылки на нее вместо дублирования информации.

В корпоративных средах, особенно при развертывании виртуальных машин и контейнеров, уровень дублирования данных может быть значительным. В зависимости от объема и типа записываемых данных Inline-Deduplication может обеспечить коэффициент дедупликации до x3.

Inline-Compression дополняет дедупликацию, применяя алгоритмы сжатия к уникальным блокам данных. Технология обеспечивает защиту данных от потери или повреждения, а в случае сбоя, сжатые данные можно быстро восстановить, т.к. они занимают меньше места и требуют меньше ресурсов для восстановления. Коэффициент может варьироваться от типа данных и настроенных алгоритмов сжатия, однако, обычно он составляет от 2:1 до 4:1.

Важно подчеркнуть, что оба процесса выполняются непосредственно при записи данных, что исключает необходимость в последующих операциях по оптимизации хранилища. Такой подход не только экономит пространство, но и снижает нагрузку на систему, поскольку все последующие операции работают уже с оптимизированными данными.

Механизмы защиты от износа SSD

Твердотельные накопители, несмотря на отсутствие механических элементов, имеют ограниченный ресурс перезаписи. ITPOD Storage Full Flash реализует несколько технологий, направленных на равномерное распределение нагрузки и продление срока службы накопителей:

Wear Leveling на уровне СХД дополняет встроенные в SSD механизмы равномерного износа, обеспечивая распределение операций записи по всему доступному пространству. Система отслеживает количество циклов перезаписи каждой области и перенаправляет новые данные в менее изношенные участки, предотвращая преждевременный выход из строя отдельных ячеек.

Поддержка TRIM (Deallocate) — оптимизирует работу, продлевая срок службы SSD накопителей. Команда TRIM (в протоколе SATA) или ее аналог DEALLOCATE (в NVMe) позволяет операционной системе или контроллеру СХД уведомить твердотельный накопитель о том, какие блоки данных больше не содержат актуальной информации и могут быть очищены.

В отличие от HDD, где запись может производиться практически мгновенно на любой сектор, в SSD перед записью в ячейку, содержащую данные, ее необходимо предварительно очистить, что занимает значительное время. Команда TRIM позволяет выполнить эту операцию заблаговременно, в фоновом режиме, что существенно ускоряет последующие операции записи и снижает амплификацию записи — один из основных факторов износа SSD.

Copy-on-Write значительно снижает количество операций записи на физические носители. Поскольку данные никогда не перезаписываются на том же месте, система избегает избыточных циклов стирания/записи, характерных для традиционных файловых систем. Это особенно полезно для SSD, где каждая операция перезаписи сокращает ресурс накопителя.

QoS и интеллектуальное управление ресурсами

В многопользовательских средах и при работе с несколькими критически важными сервисами важно обеспечить предсказуемую производительность для каждой задачи. ITPOD Storage Full Flash реализует многоуровневую систему Quality of Service (QoS), позволяющую гарантировать необходимый уровень производительности для разных рабочих нагрузок:

• Ограничение максимального количества IOPS для предотвращения монополизации ресурсов системы отдельными приложениями;
• Гарантированный минимальный уровень производительности для критически важных задач;
• Управление приоритетами доступа к ресурсам системы хранения данных;
• Динамическая адаптация к изменениям нагрузки.

Администраторы могут устанавливать политики QoS на уровне отдельных блочных устройств или каталогов, что дает возможность точно настроить систему под конкретные бизнес-требования. Это актуально в средах с высокой консолидацией рабочих нагрузок, где общие ресурсы должны эффективно распределяться между множеством приложений.

Система снапшотов и защита данных

ITPOD Storage Full Flash реализует эффективную систему снапшотов (snapshots), которая обеспечивает несколько преимуществ:

• Неограниченное количество снапшотов без влияния на производительность системы. Создание снапшота происходит практически мгновенно и не требует копирования данных.
• Независимость от объема тома. Снапшоты хранят только те блоки, которые изменились с момента создания предыдущего снимка, что делает процесс экономичным с точки зрения использования пространства.
• Режим ReadOnly. Снапшоты доступны только для чтения, что исключает случайное изменение или удаление сохраненных данных.
• Быстрое восстановление. Система позволяет откатить том до предыдущего состояния за минимальное время, что сокращает простои при восстановлении после ошибок и сбоев.

Снапшоты играют важную роль не только в стратегии резервного копирования, но и в разработке программного обеспечения, тестировании и сценариях миграции данных, где требуется быстрое создание точек восстановления.

Thin Provisioning и эффективное использование емкости

Технология Thin Provisioning позволяет динамически выделять физическое пространство по мере фактического заполнения логических томов. В отличие от традиционного подхода, где вся заявленная емкость резервируется заранее, Thin Provisioning дает возможность создавать блочные устройства, суммарный объем которых превышает физическую емкость системы, при условии, что они не будут заполнены одновременно.

Технология предоставляет несколько существенных преимуществ:

• Более эффективное использование доступного пространства;
• Упрощение процедур масштабирования;
• Снижение капитальных затрат на начальном этапе;
• Возможность гибкого резервирования ресурсов для различных проектов.

В сочетании с технологиями дедупликации и компрессии, Thin Provisioning позволяет достичь максимальной эффективности использования физических ресурсов СХД, что напрямую влияет на снижение совокупной стоимости владения.

Комплексное применение описанных технологий позволяет ITPOD Storage Full Flash обеспечивать не только высокую производительность, но и оптимальное использование ресурсов, увеличение срока службы компонентов и надежную защиту данных.

Практическое применение и интеграция

Системы хранения данных ITPOD Storage Full Flash разработаны для бесшовной интеграции в современные ИТ-инфраструктуры и решения широкого спектра практических задач. Понимание особенностей применения all-flash СХД в различных сценариях помогает максимально эффективно использовать их возможности и достичь оптимального баланса между производительностью и совокупной стоимостью владения.

Обзор линейки и ключевые характеристики

FF-100 (Entry)

• Производительность: до 400 000 IOPS
• Оперативная память: 512 ГБ
• NVDIMM: 64 ГБ (для защиты кэша записи)
• Максимальное количество NVMe накопителей: 24
• Полезная емкость: до 737 ТБ (до 2,2 ПБ с учетом эффективности хранения)
• Предназначение: средний бизнес и отдельные департаменты крупных компаний

FF-300 (Midrange)

• Производительность: до 600 000 IOPS
• Оперативная память: 1024 ГБ
• NVDIMM: 64 ГБ
• Максимальное количество NVMe накопителей: 48
• Полезная емкость: до 1,47 ПБ (до 4,4 ПБ с учетом эффективности)
• Предназначение: крупные базы данных и аналитические системы

FF-500 (High End)

• Производительность: до 1 000 000 IOPS
• Оперативная память: 1536 ГБ
• NVDIMM: 64 ГБ
• Максимальное количество NVMe накопителей: 72
• Полезная емкость: до 2,2 ПБ (до 6,6 ПБ с учетом эффективности)
• Предназначение: максимальные нагрузки корпоративного уровня

Все модели имеют идентичную архитектуру Active-Active с двумя контроллерами и поддерживают полный спектр функциональных возможностей. Различия заключаются в масштабе: количестве процессорных ядер, объеме памяти и максимальном количестве поддерживаемых накопителей.

Для подключения к хостам используются сетевые порты 10/25 Gigabit Ethernet, а модули расширения позволяют увеличить количество портов или повысить их пропускную способность до 40/100 Gigabit Ethernet. Это обеспечивает гибкость при интеграции в существующие инфраструктуры и возможность масштабирования при росте требований к пропускной способности.

Специфика применения в различных сценариях

Корпоративные ЦОДы

В центрах обработки данных ITPOD Storage Full Flash может выполнять роль как основного хранилища для критически важных приложений, так и специализированного высокопроизводительного уровня в многоуровневой инфраструктуре хранения:

• Консолидация разнородных рабочих нагрузок на единой платформе благодаря высокой производительности и возможностям QoS;
• Минимизация занимаемого пространства в стойках — замена нескольких шкафов с HDD на несколько юнитов all-flash СХД;
• Существенное снижение энергопотребления и тепловыделения, что уменьшает операционные расходы на электроэнергию и охлаждение;
• Повышение плотности размещения вычислительных ресурсов за счет освобождения пространства, ранее занятого системами хранения.

Облачные платформы

Для провайдеров облачных услуг и частных облаков ITPOD Storage Full Flash предлагает набор функций, оптимизированных для многопользовательских сред:

• Строгая изоляция ресурсов между клиентами с помощью гранулярного QoS;
• Гибкое масштабирование в соответствии с ростом потребностей клиентов;
• Мультитенантная архитектура с разделением административного доступа;
• API для интеграции с системами автоматизации и биллинга;
• Предсказуемая производительность даже при высокой степени консолидации рабочих нагрузок.

AI/ML системы

Системы искусственного интеллекта и машинного обучения предъявляют особые требования к хранилищам данных, которые ITPOD Storage Full Flash удовлетворяет за счет:

• Высокой пропускной способности для быстрой загрузки больших наборов данных;
• Низких задержек при случайном доступе, критичных для обучения нейронных сетей;
• Оптимизации протокола NFS для эффективной работы с фреймворками машинного обучения;
• Масштабируемости до нескольких петабайт для хранения обучающих датасетов;
• Интеграции с платформами оркестрации контейнеров для гибкой организации инфраструктуры AI/ML.

Базы данных

ITPOD Storage Full Flash обеспечивает оптимальную производительность для различных СУБД:

• Реляционные СУБД (Oracle, MS SQL, PostgreSQL): минимальные задержки и высокие IOPS для транзакционных нагрузок, быстрое выполнение сложных запросов благодаря высокой скорости чтения;
• NoSQL базы данных (MongoDB, Cassandra): высокая пропускная способность для операций записи и чтения, эффективная работа с большими объемами данных;
• In-memory СУБД с персистентностью (Redis, SAP HANA): минимальные задержки при восстановлении состояния из постоянного хранилища.

Виртуализация

Высокий уровень консолидации виртуальных машин предъявляет особые требования к системам хранения:

• Поддержка плотного размещения сотен и тысяч виртуальных машин на одной СХД;
• Предсказуемая производительность в условиях «шумных соседей» благодаря механизмам QoS;
• Эффективное использование пространства с помощью тонкого выделения ресурсов и дедупликации;
• Высокая доступность для критически важных виртуальных машин;
• Мгновенное создание и восстановление виртуальных машин с помощью снапшотов (snapshots).

Рекомендации по выбору конфигурации СХД ITPOD Full Flash 

На основе нашего опыта внедрения в различных сценариях можно сформулировать ряд рекомендаций по выбору конфигурации системы под конкретные потребности:

Для критически важных OLTP-систем и баз данных:

• Модель: FF-300 или FF-500 в зависимости от масштаба
• Накопители: TLC NVMe SSD (3,84 ТБ или 7,68 ТБ)
• Конфигурация защиты: RAID-Z2 для оптимального баланса между надежностью и производительностью
• Сетевые подключения: 25 GbE или 100 GbE для обеспечения максимальной пропускной способности
• Протокол доступа: NVMe/TCP для минимизации задержек

Для систем виртуализации и консолидированных рабочих нагрузок:

• Модель: FF-300 для большинства сценариев
• Накопители: комбинация TLC и QLC накопителей для оптимального соотношения производительности и емкости
• Конфигурация защиты: RAID-Z2 с разделением на пулы для разных типов нагрузок
• Сетевые подключения: избыточные 25 GbE соединения
• Протокол доступа: комбинация NVMe/TCP и NFS в зависимости от конкретных приложений

Для архивных систем и систем резервного копирования:

• Модель: FF-100 или FF-300 в зависимости от объема данных
• Накопители: QLC NVMe SSD высокой емкости (15,3 ТБ или 30,7 ТБ)
• Конфигурация защиты: RAID-Z1 для оптимизации полезной емкости
• Сетевые подключения: стандартные 10 GbE или 25 GbE интерфейсы
• Дополнительно: максимальное использование технологий дедупликации и компрессии

Для аналитических систем и хранилищ данных:

• Модель: FF-500 для максимальной производительности при работе с большими массивами данных
• Накопители: комбинация TLC (для часто используемых данных) и QLC (для исторических данных)
• Конфигурация защиты: комбинация RAID-Z1 и RAID-Z2 для разных категорий данных
• Сетевые подключения: высокопроизводительные 100 GbE соединения
• Протокол доступа: NVMe/TCP для аналитических нагрузок, NFS для интеграции с системами машинного обучения

При выборе конфигурации необходимо учитывать не только текущие потребности, но и перспективы роста на ближайшие 3-5 лет. ITPOD Storage Full Flash поддерживает горизонтальное масштабирование с добавлением новых полок расширения, что позволяет гибко адаптировать систему к увеличению объемов данных.

Важно также отметить, что оптимальная конфигурация должна учитывать особенности существующей инфраструктуры и конкретных бизнес-приложений. Специалисты ITPOD предоставляют консультации по выбору конфигурации на основе детального анализа требований и характеристик рабочих нагрузок, что позволяет достичь максимальной эффективности внедрения.

В заключение, выбор all-flash СХД представляет собой серьёзный шаг к построению более эффективной, экономичной и гибкой ИТ-инфраструктуры. ITPOD Storage Full Flash обеспечивает оптимальный баланс между производительностью, надежностью и совокупной стоимостью владения, что делает эти системы универсальным решением для широкого спектра задач современного бизнеса.