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Las mejores prácticas para el rendimiento de almacenamiento de QNAP

Esta guía de buenas prácticas ofrece recomendaciones generales para la configuración de los sistemas de almacenamiento del NAS de QNAP para un óptimo rendimiento.

Objetivo:

Estas buenas prácticas están destinadas a usuarios, socios y clientes de QNAP que están considerando utilizar los sistemas NAS de QNAP. En esta guía de buenas prácticas vamos a ofrecer recomendaciones sobre cómo configurar el almacenamiento de QNAP para un rendimiento óptimo en función de su carga de trabajo.

Cómo conseguir el mejor rendimiento de almacenamiento posible:

La guía que mostramos a continuación presenta recomendaciones de configuración específicas que favorecen el buen rendimiento de un sistema de almacenamiento de QNAP.

  1. Elija un almacenamiento profesional NAS de QNAP adecuado. Las plataformas profesionales de alta gama están equipadas con una CPU, memoria, y especificación IO más rápidas. Más información
  2. Maximice el RAM del sistema de almacenamiento. Más información
  3. Use discos mSATA y SSD para la cache de Lectura/Escritura disponible en el QTS 4.2.0, utilizando 2 ó 4 SSD y cree RAID 1 o 10 como Pool de almacenamiento. Vea Fig. 1 & Fig. 2
  4. Elija la configuración adecuada para el RAID y el Volumen.
    • Cree un Pool de almacenamiento RAID 10. Véase el apéndice para una explicación.
    • Para un mejor rendimiento o uso, utilice "Volumen Estático” o "Thick Volume" en un Pool de almacenamiento. 
      • P.D La opción "Thin Volume" ofrece mayor flexibilidad, pero puede disminuir el rendimiento de almacenamiento en aplicaciones sensibles. Vea el ejemplo de la Fig. 4 y el apéndice para la explicación.
Fig. 1 Cache SSD de Lectura/Escritura
QNAP

Fig. 2 Pool de la caché SSD
QNAP

* Un ejemplo sobre cómo se accede al Pool de la caché SSD en un NAS de QNAP.


Como elegir su disco de almacenamiento:

Las pautas esenciales sobre cómo elegir el tipo adecuado de disco para su almacenamiento NAS de QNAP. Adapte el tipo de unidad correspondiente a la carga de trabajo prevista dentro de su entorno.

Funciones Discos duros tradicionales Discos duros SAS Discos duros SSD
Coste Bajo Medio Alto
Rendimiento Bajo Medio Alto
Capacidad Alto Medio Bajo

Las características de rendimiento más comunes que se miden son las operaciones secuenciales y aleatorias. Medimos el rendimiento del disco en IOPS o las Operaciones de entrada/salida por segundo. Una petición de lectura o de escritura = 1 IOPS. Cada disco en su sistema de almacenamiento puede proporcionar una cierta cantidad de IOPS basándose en la velocidad de rotación, la latencia media y tiempo medio de búsqueda.

Características generales de los IOPS del disco duro

Dispositivo Tipo IOPS Interfaz
Unidades de disco de 5400 RPM HDD ~75-100 IOPS SATA III
Unidades de disco de 7200 RPM HDD ~125-150 IOPS SATA III
Unidades de disco de 10.000 RPM  HDD ~140 IOPS SAS
Unidades de disco de 15.000 RPM  HDD ~175-210 IOPS SAS
Unidades de disco SSD  SSD ~40K-100K+ IOPS*  SATA III

*El rendimiento depende del chip del controlador SSD y de la memoria flash

Para hacer un cálculo básico de RAW IOPS para 4 discos duros a 7.200 RPM, podemos suponer que el total de RAW IOPS serán 500 IOPS. Podemos calcular esto tomando el número total de unidades multiplicadas por el número de RAW IOPS para cada unidad (4 HDD x 125 IOPS = 500 IOPS).

Acceso Aleatorio:

El acceso aleatorio significa que usted puede conseguir cualquier parte del archivo en el orden que quiera. Así, por ejemplo, puede leer la parte central antes que el inicio.

Los tipos de cargas de trabajo que son, en su mayoría, de acceso aleatorio

  • Acceso simultáneo de multiples clientes
  • Aplicación de bases de datos
  • Acceso a VM (Maquinas Virtuales) en un entorno de hyper-visor 
  • IP-SAN que utiliza datos basados en bloques

Acceso Secuencial:

Acceso Secuencial significa que debe leer primero la primera parte del archivo, antes de leer la segunda, la tercera, etc.

Los tipos de cargas de trabajo que son mayoritariamente de acceso secuencial:

  • Edición de Video (Edición directa usando el software de edición de video desde un solo puesto de trabajo)
  • Grabación de video (Un solo cliente, ej. desde una cámara IP o una grabadora de video)
  • Video streaming (Reproduciendo un video desde el NAS)
  • Transferencia de archivos de gran tamaño 
  • Tareas de copia de seguridad de los datos

Acceso Aleatorio frente a Acceso Secuencial:

La operación de búsqueda, que se produce cuando la cabeza del disco se posiciona en el cilindro del disco derecho para acceder a los datos solicitados, lleva más tiempo que cualquier otra parte del proceso de E/S.

Debido a la naturaleza de las unidades de disco mecánicas, el acceso/escritura de los datos de forma secuencial es mucho más rápido que acceder a ellos/escribirlos aleatoriamente debido a la forma en la que funciona el hardware del disco. En general se puede conseguir un caudal de datos mayor con la E/S secuencial en unidades mecánicas porque hay menos operaciones de búsqueda realizadas por la cabeza del disco y, al mismo tiempo se puede leer/escribir un segmento de datos más grande con cada rotación única del plato o disco.

El acceso aleatorio implica un mayor número de operaciones de búsqueda, lo que significa que la lectura aleatoria y especialmente la escritura aleatoria ofrecerán una menor tasa de caudal de datos e IOPS. Durante la E/S aleatoria, la posición de la cabeza del disco, el retraso en la rotación del disco y el tiempo de búsqueda causarán una importante reducción del rendimiento.

Fig. 3
QNAP

Ejemplo
Para sistemas mecánicos basados en discos, donde la búsqueda en cada disco llevará alrededor de 10 ms. Escribir los datos de forma secuencial en ese mismo disco tarda alrededor de unos 30 ms por MB. Así que si usted escribe secuencialmente 100 MB de datos en un disco, tardará alrededor de 3 segundos. Pero si hace 100 escrituras aleatorias de 1 MB cada una, eso tardará un total de 4 segundos (3 segundos para la escritura real, y 10 ms * 100 = 1 segundo para toda las búsquedas).

Porqué la caché de Lectura/Escritura Flash (SSD) mejora los IOPS aleatorios

Dado que las unidades flash no tienen una cabeza de disco física que deba moverse, no hay una penalización de tiempo de búsqueda de 10 ms como hay en un disco mecánico.

La función de caché de lectura/escritura de los SSD de QNAP ayuda al rendimiento de los IOPS aleatorios por la re-clasificación (reducción de escritura) de las direcciones de bloque en caché para reducir la carga en los discos ‘back-end’.

El impacto del tamaño de la caché es mejor cuando más grande (para crear más oportunidades para la re-clasificación), pero muy limitado por los costes, ya que escribir cachés es mucho más caro que los discos ‘back-end’.

Características RAID

El almacenamiento NAS de QNAP admite diferentes tipos de nivel RAID, cada nivel RAID tiene diferentes capacidades y métricas de rendimiento. Antes de implementar su almacenamiento, debe entender qué tipo de carga de trabajo se espera que realice su almacenamiento.

Al tratar de determinar qué tipo de RAID utilizar en la construcción de una solución de almacenamiento, por lo general depende de dos cosas: Capacidad y Rendimiento.

TIPO DE RAID Número mínimo de discos Tolerancia a los fallos Capacidad Lectura aleatoria Escritura aleatoria Lectura secuencial Escritura secuencial
RAID 0 2 Ninguna 100% Alta Alta Alta Alta
RAID 1 2 Fallo en un disco 50% Alta Baja Alta Buena
RAID 5 3 Fallo en un disco N - 1 Alto Baja Alta Buena
RAID 6 4 Fallo en dos discos N - 2 Alto Baja Alta Buena
RAID 10 4 Fallo de un disco en cada sub RAID 50% Alto Buena Alta Buena

RAID 10:
Funciona mejor para pesadas cargas de trabajo transaccionales con una escritura aleatoria elevada (mayor del 30%).

RAID 5:
Funciona mejor para un rendimiento medio, uso general y cargas de trabajo secuenciales. Normalmente se utiliza RAID 5 ya que es una opción más económica, con sólo 1 unidad utilizada para la paridad. Para aplicaciones con un rendimiento exigente, RAID 5 no es la mejor opción.

RAID 6:
Funciona mejor para cargas de trabajo sesgadas hacia la lectura, tales como tareas de archivado y copias de seguridad, pero no es la mejor opción para aplicaciones con un rendimiento exigente, especialmente para un entorno de escritura aleatoria intensiva.


Caso práctico 1: Identifica tu patrón de carga de trabajo

La separación de las máquinas virtuales (VMs) con diferentes patrones de IOPS en múltiples Pools de almacenamiento con diferentes características RAID mejorará significativamente el rendimiento y reducirá los atascos de E/S

Equipo utilizado:
TS-EC1680U-RP
https://www.qnap.com/i/es/product/model.php?II=126
16 Unidades de disco SATA de 6 TB

Un cliente tiene un entorno de TI con dos servidores host Vmware ESXi 6.0, es un clúster y necesita ejecutar 20 máquinas virtuales utilizando el NAS de QNAP como almacenamiento de back-end. El cliente hizo un estudio e hizo un inventario de todas sus máquinas virtuales, y encontró en su entorno el siguiente patrón de carga de trabajo.

1 MV --> Servidor de base de datos MSSQL de carga alta (30%+ E/S Aleatoria).
3 MV --> Servidores de aplicación de carga alta (30%+ E/S Aleatoria).
1 MV --> Servicios vCenter de carga baja (E/S mayoritariamente secuencial).
1 MV --> Controlador de dominios de carga baja (E/S mayoritariamente secuencial).
1 MV --> Servidor de copias de seguridad de carga baja (E/S mayoritariamente secuencial).
2 MV --> Servicios DNS de carga baja (E/S mayoritariamente secuencial).
2 MV --> Servidores web de carga media (15% E/S Aleatoria).
5 MV --> Escritorios virtuales de usuarios generales.
4 MV --> Servidores de desarrollo interno.

Configuración recomendada:

  • Crear un Pool de almacenamiento 1RAID 10 con volumen Estático usando 8 o más unidades de disco. 
  • Colocar las 4 MV de carga alta (30% E/S aleatoria) en el RAID 10 de alto rendimiento.
  • Crear un Pool de almacenamiento 2 RAID 6 con volumen Thick o Estático usando 4 o más unidades de disco duro.
  • Colocar las 5 MV de carga baja (E/S mayoritariamente secuencial) en este RAID 6.
  • Crear un Pool de almacenamiento 3 RAID 6 con volumen Thick o Estático usando 4 o más unidades de disco duro.
  • Colocar el resto de sus MV, Servidores web, escritorios virtuales de usuario, y servidores de desarrollo interno en este RAID 6.

Configuración alternativa:

  • Crear un Pool de almacenamiento 1RAID 10 con volumen Estático usando 4 o más unidades de disco SSD. 
  • Colocar todas las MV de carga alta y media en las unidades de disco SSD.
  • Crear un Pool de almacenamiento 2 RAID 6 con volumen Thick o Estático usando 8 o más unidades de disco duro.
  • Colocar el resto de sus MV (E/S mayoritariamente secuencial) en este RAID 6.

*Esto es aplicable a VMWare, Hyper-V, XenServer, y otros hyper-visors.

Caso práctico 2: El rendimiento más elevado posible de los IOPS

Use unidades de disco SSD de alto rendimiento para conseguir los mejores resultados.

Equipo utilizado:
TS-EC1680U-RP
https://www.qnap.com/i/es/product/model.php?II=126
16 Unidades de disco SSD SATA de 1 TB

La principal preocupación de los clientes es tener el mayor rendimiento de almacenamiento posible, mientras que la capacidad de almacenamiento no es su prioridad.

  • Crear un Pool de almacenamiento 1 RAID 10 con volumen Estático usando todas las unidades de disco SSD disponibles. Dado que las unidades de disco SSD no tienen ningún componente mecánico móvil, se pueden lograr IOPS altamente secuenciales y aleatorios.

Caso práctico 3: Acceso a los archivos Multi-Cliente

Múltiples lecturas/escrituras simultáneas en el almacenamiento significa más IOPS aleatorios.

Un cliente tiene un 'render farm' para gráficos con cerca de 50 nodos. Los 50 nodos leen simultáneamente la biblioteca de medios fuente desde el almacenamiento, renderiza los datos y luego escribe el resultado de nuevo en el almacenamiento para su posterior procesamiento. Ya que los 50 Nodos leen primero los archivos y luego escriben el resultado de nuevo en el almacenamiento al mismo tiempo, esto creó un enorme atasco de IOPS aleatorios usando todas las unidades de disco mecánicas. Dado que se necesita tanto un alto rendimiento como una gran capacidad de almacenamiento para el proceso de renderización de los gráficos, podemos optimizar el almacenamiento del NAS de QNAP de la siguiente manera.

 

Configuración recomendada:

Equipo utilizado:
2 x TS-EC1680U-RP
https://www.qnap.com/i/es/product/model.php?II=126
16 Unidades de disco duro SATA x 6 TB

  • Crear un Pool de almacenamiento 1RAID 10 con volumen Thick o Estático usando 10 o más unidades de disco. 
  • Escribir todo el resultado en este Pool de almacenamiento para aprovechar de las características de RAID 10.
  • Crear un Pool de almacenamiento 2 RAID 5 ó 6 con volumen Thick o Estático usando 10 o más unidades de disco. 
  • Leer todos los datos desde este Pool de almacenamiento.

Configuración Alternativa:

  • Llenar un NAS 1 de QNAP con todas las unidades SSD y crear un único gran Pool de almacenamiento 1.
  • Escribir todos los resultados en este NAS, debido a la naturaleza de las escrituras simultáneas, los resultados deberían ser considerados IOPS aleatorios.
  • Llenar un segundo NAS 2 de QNAP con todas las unidades mecánicas y crear un gran Pool de almacenamiento 1.
  • Leer todos los datos desde este NAS.

 

APÉNDICE:

El dispositivo NAS de QNAP utiliza la avanzada tecnología de Pool de almacenamiento para ofrecer a los usuarios tanto flexibilidad como rendimiento.

Fig. 4 Pool de almacenamiento
QNAP

Pool de almacenamiento que utiliza LVM
Puede utilizar la gestión de volumen flexible de QNAP para administrar mejor su capacidad de almacenamiento. El Pool de almacenamiento agrega discos duros en un espacio de almacenamiento más grande, y con la capacidad de soportar múltiples grupos RAID, el Pool de almacenamiento puede ofrecer una protección más redundante y reducir el riesgo de pérdida de datos.

Una vez que se ha creado un Pool de almacenamiento, puede elegir entre tres métodos diferentes para crear su volumen en la parte superior del Pool. El tipo de volumen que desea crear depende de si lo que desea es flexibilidad o rendimiento.

Volumen estático:
El volumen estático ocupará todo el espacio disponible dentro del Pool de almacenamiento, pre-asigna y prepara con antelación el espacio para un acceso óptimo a la lectura/escritura. Ya que el volumen estático ocupa todo el espacio del Pool de almacenamiento, no puede crear varios volúmenes múltiples dentro del mismo Pool.

Volumen Thick:
El volumen Thick ofrece una combinación de flexibilidad de espacio y rendimiento, de modo que usted puede elegir cuanto espacio asignar a un volumen Thick del Pool de almacenamiento. Esto significa que puede crear múltiples volúmenes Thick o Thin dentro del mismo Pool de almacenamiento. Una vez que se ha elegido el volumen Thick deseado, se pre-asigna y prepara con antelación el espacio para el acceso de lectura/escritura.

Thin Volume:
El Thin provisioning permite que el espacio de almacenamiento se utilice con mayor flexibilidad. El Volumen Thin no utiliza realmente el espacio de almacenamiento físico durante la creación de volumen, sólo se usa más espacio físico durante la asignación de escritura. Esto significa que usted puede aprovisionar un tamaño de volumen Thin que es mayor que su tamaño de almacenamiento físico. Puede crear volúmenes Thin múltiples dentro del mismo Pool de almacenamiento. Debido a la flexibilidad del espacio de volumen Thin, hay un impacto en el rendimiento durante la carga de trabajo.

Aceleración de la cache de lectura/escritura mSATA y SSD:
La tecnología de caché de la unidad de disco en estado sólido (SSD) se basa en cachés de lectura de E/S del disco. Cuando las aplicaciones del Turbo NAS acceden al disco duro(s), los datos se almacenarán en el disco SSD. Cuando se accede a los mismos datos de nuevo mediante las aplicaciones, se leerán/escribirán desde la memoria caché SSD en lugar de la unidad de disco duro(s). Los datos a los que se acceden de forma frecuente se almacenan en la memoria caché SSD. Sólo se accede a la unidad de disco duro(s) cuando no pueden encontrarse los datos desde el SSD.

Método tradicional de acceso a los datos
QNAP

Método de acceso a los datos de caché SSD
QNAP

Fuentes de referencia:
https://en.wikipedia.org/wiki/Random_access
https://en.wikipedia.org/wiki/Sequential_access
https://en.wikipedia.org/wiki/IOPS

Fecha de lanzamiento: 2015-09-17
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