NVMe-RAID-Konfiguration und NVMe over Fabrics-RAID-Einrichtung (beste RAID-Konfiguration für NVMeoF)

Erfahre, wie du RAID für NVMe over Fabrics (NVMe-oF) einrichtest, um die Speicherleistung und Zuverlässigkeit zu maximieren. Dieser Leitfaden zeigt dir einfache Schritte zum Einrichten von NVMe-RAID, damit du deine Daten schneller und effizienter verarbeiten kannst.

Wie NVMe-oF die RAID-Anforderungen verändert

Die Integration von NVMe over Fabrics (NVMe-oF) in das Speicher-Ökosystem verändert den Ansatz für RAID-Konfigurationen grundlegend. Durch die Erweiterung der rasanten Geschwindigkeit und geringen Latenz von NVMe auf Fabrics wie Ethernet oder Fibre Channel ermöglicht NVMe-oF einen netzwerkgebundenen Speicher, der mit der Leistung herkömmlicher direkt angeschlossener Speichermodelle mithalten kann und diese oft sogar übertrifft.

Was passiert, wenn RAID auf netzwerkgebundenes NVMe trifft

Wenn RAID mit netzwerkgebundenem NVMe kombiniert wird, gibt es ein paar wichtige Änderungen:

• Paradigmenwechsel bei der Leistung: NVMe-oF bietet hohe Datenübertragungsraten mit minimalen Latenzen über Netzwerke hinweg. Herkömmliche RAID-Level, die für mechanische Laufwerke mit langsameren Zugriffszeiten optimiert wurden, müssen angepasst werden, um das volle Potenzial dieser Geschwindigkeiten auszuschöpfen. Das bedeutet oft, dass RAID-Konfigurationen überarbeitet werden müssen, um Leistungsengpässe zu vermeiden.
• Skalierbarkeit und Flexibilität: NVMe-oF ermöglicht Speicherlösungen, die nicht durch den physischen Standort eingeschränkt sind. RAID-Konfigurationen können nun über geografisch verteilte Speicher-Arrays hinweg angelegt werden und bieten so ein bisher unerreichtes Maß an Flexibilität und Skalierbarkeit.

Auswirkungen auf Latenz, Warteschlangentiefe und Fabric-Transport

• Latenz: Die extrem niedrige Latenz von NVMe-oF ermöglicht das Lesen und Schreiben von Daten mit bisher unerreichten Geschwindigkeiten. RAID-Konfigurationen müssen angepasst werden, da jede zusätzliche Latenz durch die RAID-Logik die Gesamtleistung erheblich beeinträchtigen kann. Techniken wie Striping (RAID 0) oder die Verwendung von NVMe-basierten Caching-Ebenen können dazu beitragen, diese Umgebung mit geringer Latenz aufrechtzuerhalten.
• Warteschlangentiefe: Die Fähigkeit von NVMe, große Mengen an E/A-Operationen parallel zu verarbeiten (eine hohe Warteschlangentiefe), ist wesentlich höher als bei herkömmlichen Schnittstellen. RAID-Implementierungen müssen so konzipiert sein, dass sie erhöhte Warteschlangentiefen verarbeiten können, um die Stärken von NVMe zu nutzen, ohne durch den RAID-Overhead beeinträchtigt zu werden.
• Fabric-Transport: Die Art des verwendeten Fabric-Transportprotokolls (wie RDMA, Fibre Channel oder TCP) beeinflusst auch die Leistung von RAID-Konfigurationen. Diese Protokolle können zusätzliche Latenzzeiten verursachen oder erfordern spezielle Konfigurationsstrategien, um eine optimale Leistung zu erzielen. Lösungen wie RDMA bieten nahezu direkte Speicherzugriffsgeschwindigkeiten und erfordern daher hocheffiziente RAID-Konfigurationen.

Warum traditionelle RAID-Logik bei NVMe-Geschwindigkeiten Probleme hat

Traditionelle RAID-Architekturen geraten oft unter den hohen Durchsatzanforderungen von NVMe in einen Engpass:

• Engpässe beim Durchsatz: Mechanismen, die zur Optimierung der Einschränkungen der HDD-Technologie entwickelt wurden, wie umfangreiche Fehlerprüfungen, Paritätsberechnungen und Wiederherstellungsalgorithmen, können zu Engpässen führen, wenn Daten so schnell abgerufen werden können.
• Hardware-Einschränkungen: Ältere RAID-Controller sind möglicherweise nicht für die Datenflussraten von NVMe-Laufwerken ausgelegt, was zu einer suboptimalen Leistung führt. Ein Upgrade auf moderne, für NVMe optimierte RAID-Controller ist daher unerlässlich.
• Softwareanpassungen: Die Softwareebene von RAID sollte angepasst oder durch neue Algorithmen und Logik ersetzt werden, die den Vorteilen von NVMe entsprechen. Dazu gehört die Nutzung von Funktionen wie Multithreading und fortschrittlichen Caching-Strategien, um sicherzustellen, dass die RAID-Logik selbst die Leistung nicht beeinträchtigt.

Grundprinzipien von RAID mit NVMe-oF

Da NVMe over Fabrics (NVMe-oF) die Speicherlandschaft neu gestaltet, ist es wichtig, die Grundprinzipien von RAID in diesem Zusammenhang zu verstehen, um die Leistung und Zuverlässigkeit zu maximieren.

Kompromisse zwischen Durchsatz und Latenz in NVMe-Fabrics

In der NVMe-oF-Welt sind Durchsatz und Latenz wichtige Faktoren, die oft Kompromisse erfordern:

• Durchsatz: Bezieht sich auf die Gesamtmenge an Daten, die in einem bestimmten Zeitraum verarbeitet werden kann. NVMe-oF maximiert den Durchsatz, indem es mehrere parallele Anfragen zulässt, aber die RAID-Konfiguration muss optimiert werden, um dies ohne Engpässe zu bewältigen.
• Latenz: Die Zeit, die für die Verarbeitung einer einzelnen Datenanforderung benötigt wird. NVMe-oF ist darauf ausgelegt, die Latenz zu minimieren, aber RAID-Funktionen wie Paritätsberechnung oder Rekonstruktion können sie erhöhen. Um diese Faktoren auszugleichen, müssen RAID-Levels ausgewählt werden, die den spezifischen Anforderungen der Anwendungen entsprechen – ein höherer Durchsatz kann die Verwendung von mehr Laufwerken oder die Konzentration auf RAID-Levels wie RAID 0 erfordern, während eine minimale Latenz durch Konfigurationen mit geringerem Overhead erreicht werden kann.

Lokale vs. verteilte Redundanzmodelle

Die Kernfunktion von RAID umfasst Datenredundanz:

• Lokale Redundanz: Herkömmliche RAID-Konfigurationen, die Laufwerke innerhalb eines einzelnen Servers oder Speicher-Arrays nutzen, bieten aufgrund ihrer Nähe eine hohe Geschwindigkeit, sind jedoch nicht skalierbar.
• Verteilte Redundanz: Mit NVMe-oF können RAID-Modelle verteilte Redundanz über vernetzte NVMe-Ressourcen nutzen. Dies ermöglicht eine hohe Verfügbarkeit und Datensicherheit an mehreren Standorten, wodurch sowohl die Ausfallsicherheit als auch die Leistung mit Strategien wie verteilter Parität oder Löschcodierung verbessert werden können.

Controller-Platzierung: Host-basiert, zielbasiert oder SDS-Ebene

Die Platzierung des RAID-Controllers beeinflusst die Leistung und Flexibilität:

• Hostbasiert: Die RAID-Verarbeitung erfolgt auf dem Host, was einen direkten Zugriff auf Festplatten mit geringer Latenz ermöglicht. Dieses Modell ist für lokalen Speicher effizient, kann jedoch bei der Verwaltung vernetzter Ressourcen zu Overhead führen.
• Zielbasiert: RAID-Funktionen werden vom Speicherziel verwaltet, wodurch die RAID-Logik zentralisiert und Host-Ressourcen freigesetzt werden. Dies ist für zahlreiche Clients effektiv, erfordert jedoch möglicherweise leistungsstarke Systeme, um die erhöhte Arbeitslast zu bewältigen.
• Software-Defined Storage (SDS)-Ebene: Verwendet einen flexibleren Ansatz, indem die RAID-Verwaltung in eine übergreifende SDS-Plattform integriert wird. Dies ermöglicht eine dynamische und skalierbare Ressourcenzuweisung sowie erweiterte Verwaltungsfunktionen, die sich gut in die Cloud-Infrastruktur einfügen.

Fabric-Typen: RDMA, TCP, RoCE und ihre Auswirkungen auf das RAID-Design

Die Wahl der Fabric hat erhebliche Auswirkungen auf das RAID-Design:

• RDMA (Remote Direct Memory Access): Bietet Zugriff mit geringer Latenz und hohem Durchsatz, erfordert aber spezielle Hardwareunterstützung und sorgfältiges Management der RAID-Logik, um Overhead-Verzögerungen zu vermeiden.
• TCP (Transmission Control Protocol): Bietet breite Kompatibilität und einfache Implementierung, hat aber im Vergleich zu spezialisierteren Protokollen eine etwas höhere Latenz. RAID-Strategien könnten sich eher auf die Optimierung der Volatilität und Konsistenz als auf reine Geschwindigkeit konzentrieren.
• RoCE (RDMA over Converged Ethernet): Kombiniert die Vorteile von RDMA mit der weit verbreiteten Nutzung von Ethernet und stellt eine ausgewogene Option für die Gestaltung von RAID-Konfigurationen dar, die sowohl eine hohe Leistung als auch eine breite Einsatzmöglichkeit erfordern.

Das beste RAID für NVMe-oF (primärer Abfragebereich)

Bei der Integration von RAID mit NVMe over Fabrics (NVMe-oF) ist die Wahl des richtigen RAID-Levels entscheidend. Verschiedene RAID-Konfigurationen bieten unterschiedliche Vorteile und Herausforderungen, je nach Anwendungsfall und Leistungsanforderungen.

RAID 10 – Die Leistungsbasis für NVMe-oF

RAID 10 vereint die Vorteile von Striping (RAID 0) und Spiegelung (RAID 1) und ist damit eine super Wahl für NVMe-oF-Umgebungen:

• Hohe Parallelität: RAID 10 ermöglicht den gleichzeitigen Zugriff auf mehrere Festplatten und sorgt so für einen hohen Datendurchsatz, was ein Markenzeichen von NVMe-oF ist.
• Vorhersehbare Latenz: Durch die Minimierung des mit Paritätsberechnungen verbundenen Rechenaufwands bietet RAID 10 eine konsistente und niedrige Latenz, die perfekt zu den Fähigkeiten von NVMe-oF passt.
• Stabile Wiederherstellungen über Fabrics hinweg: Die Spiegelung von RAID 10 sorgt dafür, dass Wiederherstellungen einfach und vorhersehbar sind, selbst in komplexen Fabric-Netzwerken.

RAID 1 – für latenzempfindliche Volumes mit niedriger Kapazität

RAID 1 oder Spiegelung eignet sich besonders für Szenarien, in denen niedrige Latenz und Redundanz von größter Bedeutung sind:

• Ideal für Metadaten oder Protokollspeicher: RAID 1 eignet sich perfekt für die Speicherung kritischer Daten wie Metadaten oder Transaktionsprotokolle, bei denen Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit entscheidend sind.
• Geringster Overhead: Da keine Paritätsberechnungen erforderlich sind, bietet RAID 1 den geringsten Overhead und ist damit ideal für latenzempfindliche Anwendungen.

RAID 5 – Eingeschränkte Verwendung in NVMe-oF

RAID 5 nutzt Striping mit Parität, was in schnellen NVMe-oF-Umgebungen einige Herausforderungen mit sich bringt:

• Paritätsverlust bei NVMe-Geschwindigkeiten: Die Notwendigkeit, Paritätsdaten zu berechnen und zu speichern, wirkt sich erheblich auf die Leistung aus, insbesondere bei den hohen Geschwindigkeiten von NVMe.
• Hohe CPU-Auslastung für die Rekonstruktion: Die Rekonstruktion von Daten erfordert eine hohe CPU-Verarbeitung, was die Praktikabilität von RAID 5 in NVMe-oF-Konfigurationen weiter einschränkt.

RAID 6 – selten praktikabel für Fabric-Attached NVMe

RAID 6 bietet durch eine zusätzliche Paritätsebene einen höheren Schutz, was jedoch mit hohen Kosten verbunden ist:

• Doppelte Paritätskosten + lange Wiederherstellungsfenster: Die zusätzliche Parität erhöht nicht nur den Schreibaufwand, sondern verlängert auch die Wiederherstellungszeiten, was insbesondere bei Fabrics eine Herausforderung darstellen kann. Daher wird RAID 6 nur selten für NVMe-oF-Implementierungen gewählt.

NVMe Over Fabrics RAID-Einrichtung (Hauptabschnitt der Abfrage)

Die Einrichtung von RAID in einer NVMe over Fabrics (NVMe-oF)-Umgebung umfasst mehrere wichtige Überlegungen, wobei der Schwerpunkt auf effektiver Zuordnung, Pooling, Redundanz und Pfadverwaltung liegt.

Zuordnung von NVMe-Namespaces über Fabrics

Die effektive Zuordnung von NVMe-Namespaces über Netzwerk-Fabrics hinweg sorgt für optimale Nutzung und Zugänglichkeit:

• Namespace-Koordination: Durch die Abstimmung der NVMe-Namespaces auf die Architektur der Fabric kannst du einen nahtlosen Datenzugriff und eine reibungslose Verwaltung sicherstellen. Dazu muss das NVMe-oF-Netzwerk so konfiguriert werden, dass es Namespaces erkennt und richtig verteilt, was eine effiziente Speichernutzung und Skalierbarkeit ermöglicht.

Erstellen virtueller RAID-Gruppen für verteilte NVMe-Pools

Virtuelle RAID-Gruppen ermöglichen eine effiziente Organisation und Verwaltung verteilter NVMe-Ressourcen:

• Verteilte Speicherorganisation: Das Erstellen virtueller RAID-Gruppen über mehrere NVMe-Pools hinweg ermöglicht eine flexible und effiziente Nutzung der Ressourcen. Diese Konfiguration ermöglicht die Verteilung von Daten über verschiedene physische Standorte hinweg und verbessert so die Redundanz und Parallelität.
• Ressourcenzuweisung: Die Virtualisierung von RAID-Gruppen hilft bei der Zuweisung von Speicherplatz basierend auf den Anforderungen der Anwendung und stellt sicher, dass die Anforderungen an Leistung und Redundanz erfüllt werden, während die hohen Geschwindigkeiten von NVMe genutzt werden.

Ausgleich der Redundanz über Ziele und Pfade

Die Gewährleistung der Datenredundanz über verschiedene Netzwerkpfade und Speicherziele hinweg ist für die Zuverlässigkeit unerlässlich:

• Zielübergreifende Redundanz: Die Implementierung von Redundanzstrategien, die mehrere Speicherziele berücksichtigen, gewährleistet die Datenverfügbarkeit auch bei einem Ausfall eines Ziels. Dazu gehört die Entwicklung von Redundanzmechanismen, die alle potenziellen Fehlerquellen innerhalb der Netzwerkstruktur abdecken.
• Pfadredundanz: Mehrere Pfade zu jedem Speicherziel verringern das Risiko von Datenzugriffsstörungen aufgrund von Netzwerkproblemen, gleichen die Last aus und sorgen für einen konsistenten Datenfluss im gesamten System.

Integration von Multipathing in das RAID-Design

Die Einbindung von Multipathing-Strategien ist entscheidend für die Optimierung des Datenzugriffs und der Fehlertoleranz:

• Verbesserte Datenpfadeffizienz: Multipathing ermöglicht mehrere Datenpfade zwischen Speicher und Clients, was für Lastenausgleich und erhöhte Fehlertoleranz sorgt. Wenn es in das RAID-Design integriert wird, verbessert es die Ausfallsicherheit des Systems gegenüber Pfadausfällen oder Überlastungen.
• Failover und Wiederherstellung: Die Implementierung von Multipathing-Techniken in RAID-Konfigurationen sorgt für automatische Failover-Funktionen, minimiert Ausfallzeiten und gewährleistet einen kontinuierlichen Datenzugriff, selbst wenn ein Pfad nicht verfügbar ist.

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RAID für NVMe-over-Fabrics-Speicher

Die Auswahl der richtigen RAID-Konfiguration für NVMe over Fabrics (NVMe-oF)-Speicher ist wichtig, um bestimmte Workload-Anforderungen zu erfüllen und gleichzeitig die Leistung und Effizienz zu optimieren.

Workloads mit hoher IOPS

Diese Workloads profitieren von RAID-Konfigurationen, die viele Lese- und Schreibvorgänge schnell verarbeiten können:

• Datenbanken: Mit ihren hohen Anforderungen an Lese- und Schreibvorgänge profitieren Datenbanken von RAID-Konfigurationen wie RAID 10, die eine hohe E/A-Leistung und Redundanz bieten, was für die Datenintegrität entscheidend ist.
• Analytik-Engines: Da Analytik-Engines Daten schnell verarbeiten müssen, ist eine hohe IOPS-Leistung wichtig, die durch RAID-Konfigurationen unterstützt wird, bei denen es vor allem auf Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit ankommt.
• Hochfrequenzhandel: Hochfrequenzhandelssysteme brauchen extrem schnelle Transaktionsgeschwindigkeiten und brauchen daher RAID-Lösungen, die die Latenz minimieren, wie RAID 1 oder 10, um Datenkonsistenz und schnellen Zugriff zu gewährleisten.

Workloads mit hohem Durchsatz

Diese Szenarien erfordern RAID-Konfigurationen, die für die Verarbeitung großer Datenmengen im System optimiert sind:

• Medienverarbeitung: Mediendateien brauchen oft den anhaltenden Durchsatz, den RAID-Konfigurationen wie RAID 0 bieten können, was sie für nicht kritische Daten geeignet macht, bei denen Redundanz nicht im Vordergrund steht.
• KI-Training: KI-Workloads profitieren von RAID-Konfigurationen, die den Datenfluss für einen hohen Durchsatz optimieren, wie RAID 5 oder 6, und trotz Paritäts-Overhead ein Gleichgewicht zwischen Speichereffizienz und Datenschutz herstellen.
• Wissenschaftliches Rechnen: RAID-Konfigurationen in diesem Bereich legen den Schwerpunkt auf Durchsatz, um riesige Datensätze zu verarbeiten, und zielen auf Lösungen wie RAID 0 ab, die in bestimmten Szenarien die Geschwindigkeit gegenüber der Redundanz maximieren.

Wann man RAID komplett vermeiden sollte

In bestimmten Situationen und Architekturen kann es sinnvoll sein, RAID zugunsten alternativer Datenverwaltungsstrategien zu umgehen:

• Zustandslose Verarbeitungsknoten: Wenn Knoten nicht auf persistenten Speicher angewiesen sind, kann die Verwendung von RAID unnötig sein. Zustandslose Architekturen konzentrieren sich auf Leistung und schnelle Bereitstellung ohne die Redundanz, die RAID bietet.
• Caching-Ebenen: Da Caches vorübergehende Daten speichern, sind die Redundanzvorteile von RAID hier oft überflüssig. Stattdessen hat die Maximierung der Reaktionsgeschwindigkeit Vorrang vor der Datenintegrität.
• Replikationsorientierte Architekturen: In Umgebungen, in denen Daten aus Redundanzgründen kontinuierlich über Systeme hinweg repliziert werden, kann die Nutzung von RAID überflüssig sein. Cloud-native Designs priorisieren häufig die Replikation gegenüber traditionellen Redundanzmethoden wie RAID.

RAID Recovery in NVMe-oF-Umgebungen

Die RAID Recovery in NVMe-over-Fabrics-Umgebungen (NVMe-oF) bringt wegen der besonderen Ausfallmuster und Architektur ganz eigene Herausforderungen und Chancen mit sich.

Für NVMe-oF typische Ausfallmuster

RAID-Konfigurationen in NVMe-oF-Umgebungen können mit bestimmten Ausfallmodi konfrontiert sein:

• Verlust des Namespace: Der Verlust oder die Beschädigung von NVMe-Namespaces kann aufgrund verschiedener Netzwerk- oder Hardwareprobleme auftreten und den Zugriff auf Daten beeinträchtigen.
• Instabilität der Pfade: Schwankungen der Netzwerkpfade können zu Inkonsistenzen im Datenfluss führen, was Störungen und potenzielle Zugriffsprobleme verursacht.
• Multi-Target-Desynchronisation: Wenn Daten auf mehrere Speicherziele verteilt sind, kann es zu Synchronisationsproblemen kommen, die zu inkonsistenten Datenzuständen und Wiederherstellungsproblemen führen.

Wann sollte DiskInternals RAID Recovery™ verwendet werden?

DiskInternals RAID Recovery™ bietet spezielle Lösungen für die RAID-Wiederherstellung in NVMe-oF-Umgebungen:

• Beschädigte RAID-Metadaten auf NVMe-Knoten: Wenn RAID-Metadaten beschädigt werden, kann das Tool dabei helfen, die Datenintegrität auf den betroffenen Knoten wiederherzustellen und wieder aufzubauen.
• Fehlgeschlagene Wiederherstellungen über Fabric-Knoten hinweg: Aufgrund der vernetzten Natur von NVMe-oF kann es zu Fehlschlägen bei der Wiederherstellung kommen. DiskInternals RAID Recovery™ hilft bei der Behebung dieser Fehler, indem es Daten präzise rekonstruiert.
• Versehentliches Entfernen von Namespaces: Das versehentliche Löschen von Namespaces kann zu Datenverlusten führen. Das Tool bietet Mechanismen, um solche Namespaces effektiv wiederherzustellen.
• Unterstützt RAID 0/1/10/5/6 und hybride Topologien: DiskInternals RAID Recovery™ ist mit einer Vielzahl von RAID-Konfigurationen und hybriden Setups kompatibel und gewährleistet so eine vielseitige Anwendung in unterschiedlichen Umgebungen.

Mehr erfahren:

• Was ist eine RAID-Festplatte?
• Einrichten von RAID-Laufwerken
• RAID-Wiederherstellungssoftware
• RAID-Array wiederherstellen