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前言

自從 Windows Server 2016 推出後,大家對於 S2D (Storage Spaces Direct) 軟體定義儲存技術一直非常有興趣。甚至,微軟也推出 Project Kepler-47 的輕量型 OEM S2D 解決方案,讓分公司或小型運作環境也能夠享有 S2D 軟體定義儲存技術的好處。本文,將討論在 Windows Server 2016 中的 S2D 軟體定義儲存解決方案中,佔有舉足輕重地位的儲存裝置「SSD 固態硬碟」。



SSD 固態硬碟基礎知識

眾所周知 SSD 固態硬碟具有「資料讀寫壽命」的問題,隨著資料不斷大量的讀取及寫入後即便只是簡單的資料讀取都會有壽命成本的問題,在 SSD 固態硬碟運作環境中這個現象稱之為「讀取干擾 (Read Disturb)」。下列,為常見的 4 種 SSD 固態硬碟類型:

  • SLC: 1 bit per Cell (100,000 or more Write)。
  • MLC: 2 bits per Cell (10,000 ~ 20,000)。
  • TLC: 3 bits per Cell (> 1,000)。
  • QLC: 4 bits per Cell (> 100)。


因此,正確的規劃及選擇 SSD 固態硬碟便更顯現其重要性。那麼,我們來看看 SSD 固態硬碟的存取行為,一般情況下會透過「FTL (Flash Translation Layer)」連接到 NAND Flash 快閃記憶體的內部控制器。同時,FTL 具備下列 2 項機制:
  • 儲存資料時會一起儲存「ECC (Error Correcting Codes)」,當需要恢復資料時便會透過 ECC 機制進行復原的動作。
  • 具備「Over-Provisioning」機制以便超額提供儲存空間。事實上,NAND 是無法直接寫入資料的,必須經過「P/E (Program/Erase)」的處理流程後才能進行寫入資料,每個「Page」的空間最小可達「16 K」。同時,NAND 不會重複寫入同個 Page,然後 FTL 持續追蹤及更新 Erased Pages,並且合併重新寫入的資料區塊以及所對應的 Re-Written Logical Blocks,最終的結果就是 Over-Provisioning。


簡單來說,「NAND Flash SSD」是個複雜且動態的運作環境,必須要整合多項機制才能確保儲存資料的可用性。同時,隨著儲存密度不斷增加的情況下維持資料可用性的難度相形提高,目前為透過「緩衝區 (Buffers)」機制來處理這個部分。同時消費者等級與伺服器等級的 SSD 固態硬碟,在資料可用性的保護機制上也有所不同 :
  • 在「消費者等級」SSD 固態硬碟當中,透過「Volatile Cache」及「電池 (Battery)」機制以確保不會因為意外失去電源而導致資料遺失。
  • 在「伺服器等級」SSD 固態硬碟當中,則透過「電容 (Capacitor)」以提供電源保護機制。


舊式企業級 SSD」(Older Enterprise-Grade SSD),具備可拆卸及更換的「內建電池」提供電源保護機制。


新式企業級 SSD」(Newer Enterprise-Grade SSD),則是使用「電容 (Capacitor)」也就是下圖中 3 顆黃色顆粒裝置以便提供電源保護機制。


那麼,倘若在 S2D 軟體定義儲存的運作環境當中採用「消費者等級 SSD 固態硬碟」時會發生什麼事? 下列,便是採用 1TB SATA SSD (5 年保固)消費者等級的 SSD 固態硬碟進行實驗:
  • QD32 4K Read: 95,000 IOPS
  • QD32 4K Write: 90,000 IOPS
  • 資料儲存耐用性: 185 TB 


根據上述消費者等級的 SSD 固態硬碟效能數據及資料儲存耐用性,我們來估算一下這樣的消費者等級 SSD 固態硬碟其「DWPD (Device Writes per Day)」數值:
  • 185 TB / (365 days x 5 years = 1825 days) = ~ 100 GB writable per day
  • 100 GB / 1 TB total capacity = 0.10 DWPD


首先,透過 Diskspd 用「8 Threads - QD8 70 (Read):30 (Write) 4KB」的資料讀寫工作負載測試:
diskspd.exe -t8 -b4k -r4k -o1 -w30 -Su -D -L -d1800 -Rxml Z:\load.bin

可以看到測試長度為「30 分鐘」,但是從測試數據中可以看到在資料存取不到「3 分鐘」之後 IOPS 突然「下降 10,000 IOPS」,這對於消費者等級的 SSD 固態硬碟來說是非常正常的現象。因為 FTL 已經用完預設準備給 NAND 的寫入空間了,所以導致資料存取速度變得非常的慢,因為整個資料存取動作已經中斷並且必須重新準備。


同樣的工作負載,再次透過 Diskspd 用「8 Threads - QD8 70 (Read):30 (Write) 4KB」的資料讀寫工作負載測試,但是加上「Write-Through」的動作 (參數 -Suw),讓整個 NAND 的延遲時間及 FTL/Buffer 真正顯現出來。從下圖中可以看到,IOPS 效能數據的結果非常差:
diskspd.exe -t8 -b4k -r4k -o1 -w30 -Suw -D -L -d1800 -Rxml Z:\load.bin



結論

因此,在 Windows Server 2016 所建構的 S2D 軟體定義儲存環境中,應該選擇及採用具備「Non-Volatile Write Cache」及「Enterprise-Grade SSD」特性的企業級 SSD 固態硬碟。那麼,該如何確認選擇的企業級 SSD 固態硬碟支援「Non-Volatile Write Cache」機制?
  • 在 DataSheet 中看到「PLP (Power Loss Protection)」字眼,例如,Samsung SM863、Toshiba HK4E…等。
  • 在  DataSheet 中看到「Enhanced Power Loss Data Protection」字眼,例如,Intel S3510、S3610、S3710、P3700…等。




參考資源

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