Configuración RAID NVMe y configuración RAID NVMe over Fabrics (el mejor RAID para NVMeoF)

Descubre cómo configurar RAID para NVMe over Fabrics (NVMe-oF) y maximizar así el rendimiento y la fiabilidad del almacenamiento. Esta guía ofrece pasos sencillos para configurar NVMe RAID, lo que mejora tus capacidades de gestión de datos con rapidez y eficiencia.

Cómo NVMe-oF cambia los requisitos de RAID

La integración de NVMe over Fabrics (NVMe-oF) en el ecosistema de almacenamiento altera fundamentalmente el enfoque de las configuraciones RAID. Al ampliar la velocidad vertiginosa y la baja latencia de NVMe a estructuras como Ethernet o Fibre Channel, NVMe-oF permite un almacenamiento conectado a la red que rivaliza y, a menudo, supera el rendimiento de los modelos tradicionales de almacenamiento conectado directamente.

Qué sucede cuando RAID se une a NVMe conectado a la red

Cuando RAID se combina con NVMe conectado a la red, se producen varios cambios clave:

• Cambio de paradigma en el rendimiento: NVMe-oF ofrece altas velocidades de transferencia de datos con latencias mínimas en todas las redes. Los niveles RAID tradicionales, que se optimizaron para unidades mecánicas con tiempos de acceso más lentos, deben adaptarse para aprovechar todo el potencial de estas velocidades. Esto a menudo significa revisar las configuraciones RAID para evitar que se conviertan en un cuello de botella para el rendimiento.
• Escalabilidad y flexibilidad: NVMe-oF permite soluciones de almacenamiento que no están limitadas por la ubicación física. Las configuraciones RAID ahora pueden abarcar matrices de almacenamiento distribuidas geográficamente, lo que ofrece niveles de flexibilidad y escalabilidad sin precedentes.

Latencia, profundidad de cola e impacto en el transporte de la estructura

• Latencia: la latencia ultrabaja de NVMe-oF permite leer y escribir datos a velocidades antes inalcanzables. Las configuraciones RAID deben ajustarse, ya que cualquier latencia añadida por la lógica RAID puede afectar significativamente al rendimiento general. Técnicas como el striping (RAID 0) o el uso de capas de caché basadas en NVMe pueden ayudar a mantener este entorno de baja latencia.
• Profundidad de cola: La capacidad de NVMe para manejar grandes volúmenes de operaciones de E/S en paralelo (una profundidad de cola alta) es sustancialmente mayor que la de las interfaces tradicionales. Las implementaciones RAID deben diseñarse para manejar mayores profundidades de cola y aprovechar las ventajas de NVMe, sin verse perjudicadas por la sobrecarga de RAID.
• Transporte de estructura: El tipo de protocolo de transporte de estructura utilizado (como RDMA, Fibre Channel o TCP) también afecta al rendimiento de las configuraciones RAID. Estos protocolos pueden introducir una latencia adicional o requerir estrategias de configuración específicas para lograr un rendimiento óptimo. Soluciones como RDMA ofrecen velocidades de acceso a la memoria casi directas, lo que impulsa la necesidad de configuraciones RAID altamente eficientes.

Por qué la lógica RAID tradicional tiene dificultades con las velocidades NVMe

Las arquitecturas RAID tradicionales suelen sufrir cuellos de botella ante las exigencias de alto rendimiento de NVMe:

• Cuellos de botella en el rendimiento: los mecanismos diseñados para optimizar las limitaciones de la tecnología HDD, como la comprobación exhaustiva de errores, el cálculo de paridad y los algoritmos de reconstrucción, pueden convertirse en cuellos de botella cuando se puede acceder a los datos con tanta rapidez.
• Limitaciones de hardware: es posible que los controladores RAID más antiguos no estén equipados para manejar las velocidades de flujo de datos de las unidades NVMe, lo que da lugar a un rendimiento subóptimo. Es esencial actualizar a controladores RAID modernos y optimizados para NVMe.
• Adaptaciones de software: la capa de software de RAID debe adaptarse o sustituirse por nuevos algoritmos y lógicas que se ajusten a las ventajas de NVMe. Esto incluye aprovechar características como el multihilo y las estrategias avanzadas de almacenamiento en caché para garantizar que la propia lógica RAID no obstaculice el rendimiento.

Principios básicos de RAID con NVMe-oF

A medida que NVMe over Fabrics (NVMe-oF) transforma el panorama del almacenamiento, comprender los principios básicos de RAID en este contexto se vuelve crucial para maximizar el rendimiento y la fiabilidad.

Compromisos entre rendimiento y latencia en NVMe Fabrics

En el mundo NVMe-oF, el rendimiento y la latencia son consideraciones críticas que a menudo requieren compensaciones:

• Rendimiento: se refiere al volumen total de datos que se pueden procesar en un periodo de tiempo determinado. NVMe-oF maximiza el rendimiento al permitir múltiples solicitudes paralelas, pero la configuración RAID debe optimizarse para gestionar esto sin crear cuellos de botella.
• Latencia: el tiempo que se tarda en procesar una sola solicitud de datos. NVMe-oF está diseñado para minimizar la latencia, pero las funciones RAID, como el cálculo de paridad o la reconstrucción, pueden aumentarla. Equilibrar estos factores implica elegir niveles RAID que se ajusten a las necesidades específicas de las aplicaciones: un mayor rendimiento puede implicar el uso de más unidades o centrarse en niveles RAID como RAID 0, mientras que la latencia mínima se puede abordar con configuraciones de menor sobrecarga.

Modelos de redundancia local frente a distribuida

La función principal de RAID incluye la redundancia de datos:

• Redundancia local: las configuraciones RAID tradicionales que utilizan unidades dentro de un único servidor o matriz de almacenamiento pueden proporcionar una alta velocidad debido a la proximidad, pero carecen de escalabilidad.
• Redundancia distribuida: con NVMe-oF, los modelos RAID pueden emplear redundancia distribuida en recursos NVMe en red. Esto permite una alta disponibilidad y protección de datos en múltiples ubicaciones, lo que hace posible mejorar tanto la resiliencia como el rendimiento con estrategias como la paridad distribuida o la codificación de borrado.

Ubicación del controlador: basado en host, basado en destino o capa SDS

La ubicación del controlador RAID influye en el rendimiento y la flexibilidad:

• Basada en el host: el procesamiento RAID se produce en el host, lo que permite un acceso directo y de baja latencia a los discos. Este modelo es eficiente para el almacenamiento local, pero puede introducir una sobrecarga al gestionar recursos en red.
• Basado en el destino: las funciones RAID son gestionadas por el destino de almacenamiento, lo que centraliza la lógica RAID y libera recursos del host. Esto es eficaz para numerosos clientes, pero puede requerir sistemas potentes para gestionar el aumento de la carga de trabajo.
• Capa de almacenamiento definido por software (SDS): emplea un enfoque más flexible al integrar la gestión RAID en una plataforma SDS global. Esto permite una asignación de recursos dinámica y escalable, así como funciones de gestión avanzadas, lo que se ajusta bien a la infraestructura en la nube.

Tipos de estructura: RDMA, TCP, RoCE y cómo afectan al diseño RAID

La elección de la estructura tiene un impacto significativo en el diseño RAID:

• RDMA (acceso directo a memoria remota): proporciona un acceso de baja latencia y alto rendimiento, pero requiere un soporte de hardware específico y una gestión cuidadosa de la lógica RAID para evitar retrasos por sobrecarga.
• TCP (Protocolo de control de transmisión): ofrece una amplia compatibilidad y facilidad de implementación a costa de una latencia ligeramente superior en comparación con protocolos más especializados. Las estrategias RAID pueden centrarse en la optimización de la volatilidad y la consistencia en lugar de la velocidad pura.
• RoCE (RDMA sobre Ethernet convergente): combina las ventajas de RDMA con el uso generalizado de Ethernet, lo que supone una opción equilibrada a la hora de diseñar configuraciones RAID que deben ser tanto de alto rendimiento como ampliamente implementables.

El mejor RAID para NVMe-oF (sección de consulta principal)

Al integrar RAID con NVMe over Fabrics (NVMe-oF), es fundamental elegir el nivel RAID adecuado. Las diferentes configuraciones RAID ofrecen diversas ventajas y retos, dependiendo del caso de uso específico y los requisitos de rendimiento.

RAID 10: la base de referencia de rendimiento para NVMe-oF

RAID 10 combina las ventajas del striping (RAID 0) y el mirroring (RAID 1), lo que lo convierte en una excelente opción para entornos NVMe-oF:

• Alto paralelismo: RAID 10 permite el acceso simultáneo a varios discos, lo que permite un alto rendimiento de datos, que es una característica distintiva de NVMe-oF.
• Latencia predecible: al minimizar la sobrecarga computacional asociada a los cálculos de paridad, RAID 10 ofrece una latencia baja y constante, lo que se ajusta perfectamente a las capacidades de NVMe-oF.
• Reconstrucciones estables en todas las estructuras: la duplicación de RAID 10 garantiza que las reconstrucciones sean sencillas y más predecibles, incluso en redes de estructuras complejas.

RAID 1: para volúmenes de bajo nivel sensibles a la latencia

RAID 1, o duplicación, es especialmente adecuado para situaciones en las que la baja latencia y la redundancia son fundamentales:

• Ideal para metadatos o almacenes de registros: RAID 1 es perfecto para almacenar datos críticos, como metadatos o registros de transacciones, donde la velocidad y la fiabilidad son cruciales.
• Mínima sobrecarga: al no implicar cálculos de paridad, RAID 1 ofrece la menor sobrecarga, lo que lo hace ideal para aplicaciones sensibles a la latencia.

RAID 5: uso limitado en NVMe-oF

RAID 5 emplea striping con paridad, lo que plantea varios retos en entornos NVMe-oF de alta velocidad:

• Penalización por paridad amplificada a velocidades NVMe: la necesidad de calcular y almacenar datos de paridad afecta significativamente al rendimiento, más aún a las altas velocidades de NVMe.
• Alta carga de la CPU para la reconstrucción: la reconstrucción de datos implica un procesamiento intensivo de la CPU, lo que limita aún más la practicidad de RAID 5 en configuraciones NVMe-oF.

RAID 6: rara vez viable para NVMe conectado a la estructura

RAID 6 añade un nivel adicional de paridad para una protección extra, pero esto tiene un coste elevado:

• Doble coste de paridad + largas ventanas de reconstrucción: la paridad adicional no solo aumenta la sobrecarga de escritura, sino que también prolonga los tiempos de reconstrucción, lo que puede resultar especialmente complicado en las estructuras. Esto hace que RAID 6 sea una opción poco habitual para las implementaciones NVMe-oF.

Configuración de RAID NVMe Over Fabrics (sección de consulta principal)

La configuración de RAID en un entorno NVMe over Fabrics (NVMe-oF) abarca varias consideraciones clave, centradas en la asignación eficaz, la agrupación, la redundancia y la gestión de rutas.

Asignación de espacios de nombres NVMe en todas las estructuras

La asignación eficaz de espacios de nombres NVMe en todas las estructuras de red garantiza una utilización y accesibilidad óptimas:

• Coordinación de espacios de nombres: al alinear los espacios de nombres NVMe con la arquitectura de la estructura, puedes garantizar un acceso y una gestión de datos sin problemas. Esto implica configurar la red NVMe-oF para que reconozca y distribuya correctamente los espacios de nombres, lo que permite un uso eficiente del almacenamiento y una mayor escalabilidad.

Creación de grupos RAID virtuales para grupos NVMe distribuidos

Los grupos RAID virtuales permiten una organización y gestión eficientes de los recursos NVMe distribuidos:

• Organización del almacenamiento distribuido: la creación de grupos RAID virtuales en varios grupos NVMe permite un uso flexible y eficiente de los recursos. Esta configuración permite distribuir los datos en diferentes ubicaciones físicas, lo que mejora la redundancia y el paralelismo.
• Asignación de recursos: la virtualización de grupos RAID ayuda a asignar el almacenamiento en función de los requisitos de las aplicaciones, lo que garantiza que se satisfagan las necesidades de rendimiento y redundancia al tiempo que se aprovechan las capacidades de alta velocidad de NVMe.

Equilibrio de la redundancia entre destinos y rutas

Garantizar la redundancia de datos entre diferentes rutas de red y destinos de almacenamiento es esencial para la fiabilidad:

• Redundancia entre destinos: la implementación de estrategias de redundancia que tengan en cuenta múltiples destinos de almacenamiento garantiza la disponibilidad de los datos incluso en caso de fallo del destino. Esto implica diseñar mecanismos de redundancia que cubran todos los posibles puntos de fallo dentro de la estructura de la red.
• Redundancia de rutas: disponer de múltiples rutas a cada destino de almacenamiento reduce el riesgo de interrupciones en el acceso a los datos causadas por problemas de red, equilibrando la carga y manteniendo la coherencia del flujo de datos en todo el sistema.

Integración de múltiples rutas en el diseño RAID

La incorporación de estrategias de múltiples rutas es crucial para optimizar el acceso a los datos y la tolerancia a fallos:

• Mayor eficiencia de la ruta de datos: las rutas múltiples permiten múltiples vías de datos entre el almacenamiento y los clientes, lo que garantiza el equilibrio de la carga y una mayor tolerancia a fallos. Cuando se integra en el diseño RAID, mejora la resistencia del sistema frente a fallos o congestión de las rutas.
• Conmutación por error y recuperación: la implementación de técnicas de múltiples rutas en las configuraciones RAID garantiza capacidades de conmutación por error automáticas, lo que minimiza el tiempo de inactividad y garantiza el acceso continuo a los datos, incluso si una ruta deja de estar disponible.

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RAID para almacenamiento NVMe Over Fabrics

Seleccionar la configuración RAID adecuada para el almacenamiento NVMe over Fabrics (NVMe-oF) es esencial para satisfacer los requisitos específicos de la carga de trabajo y optimizar el rendimiento y la eficiencia.

Cargas de trabajo con alto IOPS

Estas cargas de trabajo se benefician de configuraciones RAID que pueden manejar numerosas operaciones de lectura y escritura rápidamente:

• Bases de datos: con sus intensos requisitos de lectura/escritura, las bases de datos se benefician de configuraciones RAID como RAID 10, que ofrece un alto rendimiento de E/S y la redundancia crucial para la integridad de los datos.
• Motores de análisis: la necesidad de un procesamiento rápido de datos en los motores de análisis hace que las altas IOPS sean una prioridad, respaldadas por configuraciones RAID que se reducen a velocidad y fiabilidad.
• Operaciones bursátiles de alta frecuencia: los sistemas de operaciones bursátiles de alta frecuencia, que exigen velocidades de transacción ultrarrápidas, requieren soluciones RAID que minimicen la latencia, como RAID 1 o 10, para garantizar la coherencia de los datos y un acceso rápido.

Cargas de trabajo de alto rendimiento

Estos escenarios requieren configuraciones RAID optimizadas para manejar grandes cantidades de datos que se mueven a través del sistema:

• Procesamiento de medios: Los archivos multimedia suelen requerir el rendimiento sostenido que pueden proporcionar configuraciones RAID como RAID 0, lo que las hace adecuadas para datos no críticos en los que la redundancia no es la principal preocupación.
• Formación en IA: Las cargas de trabajo de IA se benefician de configuraciones RAID que optimizan el flujo de datos para un alto rendimiento, como RAID 5 o 6, equilibrando la eficiencia del almacenamiento y la protección de datos a pesar de la sobrecarga de paridad.
• Computación científica: las configuraciones RAID en este sector dan prioridad al rendimiento para manejar conjuntos de datos masivos, buscando soluciones como RAID 0 que maximizan la velocidad por encima de la redundancia en ciertos escenarios.

Cuándo evitar por completo el RAID

Ciertas situaciones y arquitecturas pueden beneficiarse de evitar el RAID en favor de estrategias alternativas de gestión de datos:

• Nodos de procesamiento sin estado: cuando los nodos no dependen del almacenamiento persistente, el uso de RAID puede ser innecesario. Las arquitecturas sin estado se centran en el rendimiento y la rápida implementación sin la redundancia que proporciona RAID.
• Niveles de almacenamiento en caché: dado que las cachés almacenan datos transitorios, las ventajas de la redundancia de RAID suelen ser redundantes en este caso. En su lugar, maximizar la velocidad de respuesta tiene prioridad sobre la integridad de los datos.
• Arquitecturas que priorizan la replicación: en entornos en los que los datos se replican continuamente entre sistemas para garantizar la redundancia, el uso de RAID puede resultar superfluo. Los diseños nativos de la nube suelen dar prioridad a la replicación frente a los métodos de redundancia tradicionales, como RAID.

RAID Recovery en entornos NVMe-oF

RAID Recovery en entornos NVMe over Fabrics (NVMe-oF) presenta retos y oportunidades únicos debido a los distintos patrones de fallo y a la arquitectura.

Patrones de fallo exclusivos de NVMe-oF

Las configuraciones RAID en entornos NVMe-oF pueden encontrarse con modos de fallo específicos:

• Pérdida del espacio de nombres: la pérdida o corrupción de los espacios de nombres NVMe puede producirse debido a diversos problemas de red o hardware, lo que afecta al acceso a los datos.
• Inestabilidad de la ruta: Las fluctuaciones de la ruta de red pueden provocar inconsistencias en el flujo de datos, lo que causa interrupciones y posibles problemas de acceso.
• Desincronización de múltiples destinos: cuando los datos se distribuyen entre varios destinos de almacenamiento, pueden surgir problemas de sincronización, lo que da lugar a estados de datos incoherentes y dificultades de recuperación.

Cuándo utilizar DiskInternals RAID Recovery™

DiskInternals RAID Recovery™ ofrece soluciones especializadas para la recuperación de RAID en entornos NVMe-oF:

• Metadatos RAID dañados en nodos NVMe: si los metadatos RAID se dañan, la herramienta puede ayudar a recuperar y reconstruir la integridad de los datos en los nodos afectados.
• Reconstrucciones fallidas en los nodos de la estructura: pueden producirse fallos en la reconstrucción debido a la naturaleza en red de NVMe-oF. DiskInternals RAID Recovery™ ayuda a solucionar estos fallos reconstruyendo los datos con precisión.
• Eliminación accidental del espacio de nombres: la eliminación involuntaria de espacios de nombres puede provocar la pérdida de datos. La herramienta proporciona mecanismos para recuperar dichos espacios de nombres de forma eficaz.
• Compatible con RAID 0/1/10/5/6 y topologías híbridas: DiskInternals RAID Recovery™ es compatible con una amplia gama de configuraciones RAID y configuraciones híbridas, lo que garantiza una aplicación versátil en diversos entornos.

Más información:

• ¿Qué es un disco duro RAID?
• Configuración de unidades RAID
• Software de restauración RAID
• Recuperar matriz RAID