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Mejores prácticas de desempeño del almacenamiento de QNAP

Esta guía de mejores prácticas provee recomendaciones generales para configurar los sistemas de almacenamiento NAS de QNAP para lograr el mejor desempeño.

Propósito:

Esta guía de mejores prácticas está dirigida a los usuarios, socios y clientes de QNAP que están considerando la posibilidad de utilizar los sistemas NAS de QNAP. En esta guía de mejores prácticas, proporcionaremos recomendaciones sobre cómo configurar el almacenamiento en QNAP para lograr un desempeño óptimo dependiendo de su carga de trabajo.

Cómo alcanzar el mejor desempeño posible del almacenamiento:

La siguiente guía presenta las recomendaciones para la configuración específica que permite el buen desempeño de un sistema de almacenamiento QNAP.

  1. Elija un almacenamiento NAS de QNAP apropiado para la empresa. La plataforma empresarial de alta capacidad está equipada con un CPU, memoria y especificación IO más rápidos. Más información
  2. Aproveche al máximo el RAM del sistema en el almacenamiento. Más información
  3. Utilice discos duros mSATA y SSD para el almacenamiento en caché de lectura y escritura en el QTS 4.2.0, con 2 o 4 SSD, y cree el RAID 1 o 10 como grupo de almacenamiento en caché. Vea las ilustraciones 1 y 2
  4. Elija la configuración correcta pare el RAID y el volumen.
    • Cree un grupo de almacenamiento RAID 10.Vaya al Apéndice para conocer la explicación.
    • Utilice el “volumen estático” para un mejor desempeño o utilice el "volumen grueso" en el grupo de almacenamiento.
      • P.S. La opción de "volumen ligero" ofrece mayor flexibilidad, pero puede disminuir el desempeño del almacenamiento en aplicaciones sensibles. Vea el ejemplo en la ilustración 4 y la explicación en el Apéndice.
Ilustración 1 Caché de lectura y escritura en el SSD
QNAP

Ilustración 2 Grupo de almacenamiento en caché
QNAP

* Dentro del NAS de QNAP se presenta un ejemplo sobre como realizar la agrupación de almacenamiento en caché de SSD.


Cómo elegir sus medios de almacenamiento:

Pautas esenciales para elegir el tipo de medio correcto para su almacenamiento en el NAS de QNAP. Relacione el tipo de unidad apropiado con la carga de trabajo prevista en su entorno.

Características Discos duros tradicionales Discos duros SAS Discos duros SSD
Costo Baja Media Alta
Desempeño Baja Media Alta
Capacidad Alta Media Baja

Las características de rendimiento más comunes que se midieron son operaciones en secuencia y aleatorias. Medimos el rendimiento del disco en IOPS o Entrada/Salida por segundo. Una solicitud de lectura o una solicitud de escritura = 1 IOPS. Cada disco de su sistema de almacenamiento puede proveer cierta cantidad de IOPS según la velocidad de rotación, el promedio de latencia y el tiempo promedio de búsqueda.

Características generales de IOPS del disco duro

Dispositivo Tipo IOPS Interfaz
Unidades de 5400 RPM Discos duros ~75-100 IOPS SATA III
Unidades de 7200 RPM Discos duros ~125-150 IOPS SATA III
Unidades de 10,000 RPM Discos duros ~140 IOPS SAS
Unidades de 15,000 RPM Discos duros ~175-210 IOPS SAS
Unidades SSD SSD ~40K-100K+ IOPS* SATA III

* El rendimiento depende del chip controlador del SSD y de la celda Flash

Para hacer un cálculo de IOPS en RAW de 4 discos duros a 7,200 RPM, podemos asumir que el total de IOPS en RAW es de 500 IOPS. Podemos calcularlo tomando el número total de discos duros, multiplicándolos por el número de IOPS en RAW de cada unidad (4 discos duros x 125 IOP = 500 IOPS).

Acceso aleatorio:

El acceso aleatorio significa que puede obtener cualquier parte del archivo en cualquier orden. Por lo tanto, por ejemplo, puede leer la parte central antes del inicio.

Patrón de cargas de trabajo más comunes con acceso aleatorio.

  • Acceso concurrente a múltiples clientes
  • Aplicación de la base de datos
  • Acceso a la VM en un entorno hiper visor
  • IP-SAN utilizando el datos basados en bloqueo

Acceso en secuencia:

La secuencia significa que primero debe leer la primera parte del archivo, antes de leer la segunda parte y después la tercera, etc.

Patrón de cargas de trabajo más comunes con acceso en secuencia.

  • Edición de videos (edición directa por medio del software de edición de videos desde una sola estación de trabajo)
  • Grabación de videos (un solo cliente, por ejemplo desde una cámara IP o una grabadora de video
  • Secuencias de video (ver un video desde un NAS)
  • Transferencia de archivos grandes
  • Tareas de respaldo de datos

Acceso aleatorio comparado con el acceso en secuencia:

La operación de búsqueda, que ocurre cuando la cabeza del disco se coloca en el cilindro del disco correcto para tener acceso a los datos solicitados, requiere más tiempo que cualquier otra parte del proceso de E/S.

Debido a la naturaleza de las unidades mecánicas, el acceso y escritura de los datos en secuencia es mucho más rápido que el acceso y escritura aleatorio, debido a la forma como funciona el hardware del disco. La entrada y salida en secuencia en las unidades mecánicas generalmente puede realizarse en una mayor producción porque existe menos operación de la cabeza del disco y al mismo tiempo pueden leerse o escribirse segmentos con datos más grandes durante una sola rotación de la base.

El acceso aleatorio involucra un mayor número de operaciones de búsqueda, lo cual implica una lectura aleatoria y, en especial, una escritura aleatoria que dará como resultado una menor velocidad de producción e IOPS. Durante la entrada y salida aleatoria, la posición de la cabeza del disco, el retraso rotatorio del disco de búsqueda y el tiempo de búsqueda causarán una disminución significativa del rendimiento.

Ilustración 3
QNAP

Ejemplo
Para los sistemas mecánicos basados en discos, donde cada búsqueda de disco requerirá aproximadamente 10 ms. La escritura de datos en secuencia en ese mismo disco requiere aproximadamente 30 ms por MB. Por lo tanto, si escribe 100 MB de datos en un disco en secuencia, requerirá aproximadamente 3 segundos. Pero si realiza 100 escrituras aleatorias de 1 MB cada una, requerirá un total de 4 segundos (3 segundos para la escritura real y 10 ms * 100 = 1 segundo para toda la búsqueda).

¿Por qué el almacenamiento en caché de la lectura y escritura Flash (SSD) mejora la IOPS aleatoria?

Debido a que las unidades flash no tienen una cabeza de disco física que gire, no se requieren los 10 ms de tiempo de búsqueda que ocurren en un disco mecánico.

La función de almacenamiento en caché de la lectura y escritura del SSD de QNAP ayuda al rendimiento de IOPS aleatoria al volver a organizar las direcciones del bloque (reduciendo la escritura) en la memoria caché para reducir la carga en los discos finales.

Impacto en el tamaño de la caché, mientras más grande mejor (para crear más oportunidades para la reorganización), pero prácticamente limitado por el costo ya que la escritura en caché es mucho más costosa que el disco final.

Características del RAID

El almacenamiento en NAS de QNAP admite diferentes tipos de niveles de RAID, cada nivel de RAID tiene diferentes capacidades y mediciones de rendimiento. Antes de implementar el almacenamiento, conozca el tipo de carga de trabajo que se deberá ejecutar su almacenamiento.

Determinar el tipo de RAID que va a utilizarse para construir una solución de almacenamiento, en general depende de dos cosas. La capacidad y el rendimiento.

Tipo de RAID # mínimo de unidades Tolerancia de fallas Capacidad Lectura aleatoria Escritura aleatoria Lectura secuencial Escritura secuencial
RAID 0 2 Ninguna 100% Alta Alta Alta Alta
RAID 1 2 Falla de disco 1 50% Alta Baja Alta Buena
RAID 5 3 Falla de disco 1 N - 1 Alta Baja Alta Buena
RAID 6 4 Falla de disco 2 N - 2 Alta Baja Alta Buena
RAID 10 4 Falla de disco 1 en cada RAID secundario 50% Alta Buena Alta Buena

RAID 10:
Trabaja mejor para cargas de trabajo pesadas en transacciones con gran cantidad de escritura aleatoria (mayor al 30%).

RAID 5:
Funciona mejor para un rendimiento medio, con objetivos generales y cargas de trabajo en secuencia. En general, se utilizará RAID 5 porque es una opción más económica, con sólo 1 unidad utilizada para la paridad. Para las aplicaciones que requieren mayor rendimiento, RAID 5 no es la mejor opción.

RAID 6:
Funciona mejor para cargas de trabajo con tendencia de lectura como son el archivo y el respaldo, pero no es la mejor opción para aplicaciones que requieren mayor rendimiento; en especial, para un entorno intensivo de lectura aleatoria.


Caso de estudio 1: Identifique el patrón de su carga de trabajo

Separar las VM con diferentes patrones de IOPS en múltiples grupos de almacenamiento con distintas características de RAID mejorará de forma significativa el rendimiento y reducirá el embotellamiento de la entrada y salida.

Equipo supuesto que se utilizará:
TS-EC1680U-RP
https://www.qnap.com/i/mx/product/model.php?II=126
16 discos duros SATA de 6 TB

Un cliente tiene un entorno de TI con dos servidores anfitriones Vmware ESXi 6.0, es un conjunto, y necesita ejecutar 20 VM con el NAS de QNAP como almacenamiento final. El cliente realizó un estudio, tomó el inventario de todas sus VM y encontró el siguiente patrón de carga de trabajo en su entorno.

1 VM --> Servidor de la base de datos MSSQL con carga elevada (30% + entrada y salida aleatoria).
3 VM --> Servidores de aplicaciones con carga elevada (30% + entrada y salida aleatoria).
1 VM --> Servicios de vCenter con carga baja (entrada y salida en secuencia principalmente).
1 VM --> Controlador de dominio con carga baja (entrada y salida en secuencia principalmente).
1 VM --> Servidor de respaldo con carga baja (entrada y salida en secuencia principalmente).
2 VM --> Servicios DNS con carga baja (entrada y salida en secuencia principalmente).
2 VM --> Servidor web de carga media (15% de entrada y salida aleatoria).
5 VM --> Escritorios virtuales generales del usuario.
4 VM --> Servidores de desarrollo internos.

Configuración recomendada:

  • Cree un grupo de almacenamiento 1 en RAID 10 con volumen estático, utilizando 8 discos duros o más.
  • Coloque las 4 VM de carga alta (30% de entrada y salida aleatoria) en el RAID 10 de alto rendimiento.
  • Cree un grupo de almacenamiento 2 en RAID 6 con volumen grueso o estático, utilizando 4 discos duros o más.
  • Coloque 5 VM de carga baja (entrada y salida en secuencia principalmente) en este RAID 6.
  • Cree un grupo de almacenamiento 3 en RAID 6 con volumen grueso o estático, utilizando 4 discos duros o más.
  • Coloque el resto de sus VM, servidores web, escritorios virtuales de usuarios y servidores de desarrollo interno en este RAID 6.

Configuración alterna:

  • Cree un grupo de almacenamiento 1 en RAID 10 con volumen estático, utilizando 4 discos SSD o más.
  • Coloque todas las VM de carga alta y carga media en los discos duros SSD.
  • Cree un grupo de almacenamiento 2 en RAID 6 con volumen grueso o estático, utilizando 8 discos duros o más.
  • Coloque el resto de sus VM (entrada y salida en secuencia principalmente) a este RAID 6.

* Lo anterior aplica a VMWare, Hyper-V, XenServer y otros hiper visores.

Caso de estudio 2: Mayor rendimiento posible de las IOPS

Utilice discos duros SSD de alto rendimiento para obtener el mejor resultado.

Equipo supuesto que se utilizará:
TS-EC1680U-RP
https://www.qnap.com/i/mx/product/model.php?II=126
16 discos duros SSD SATA de 1TB

La preocupación primaria del cliente es obtener el mejor rendimiento de almacenamiento posible y la capacidad de almacenamiento no es el objetivo principal.

  • Cree un grupo de almacenamiento 1 en RAID 10 con volumen estático, utilizando todos los discos SSD disponibles. Los discos SSD silenciosos no tienen ningún componente mecánico que se mueve, realizan muchas tareas en secuencia y pueden lograrse IOPS de forma aleatoria.

Caso de estudio 3: Acceso a archivos de múltiples clientes

Múltiples lecturas y escrituras simultáneas en el almacenamiento implican más IOPS aleatorias.

Un cliente tiene una granja de generación de gráficos con aproximadamente 50 nodos. Los 50 nodos leerán simultáneamente la biblioteca multimedia origen desde el almacenamiento, generarán los datos y después escribirán los resultados en el almacenamiento para procesamiento adicional. Debido a que los 50 nodos primero leen los medios y después escriben los resultados en el almacenamiento de forma concurrente, se creó un gran embotellamiento de las IOPS aleatorias con todas las unidades mecánicas. Debido a que se requieren tanto el alto rendimiento como la gran capacidad de almacenamiento para poder ejecutar el proceso gráfico, podemos optimizar el almacenamiento del NAS de QNAP de la siguiente manera.

Configuración recomendada:

Equipo supuesto que se utilizará:
2 x TS-EC1680U-RP
https://www.qnap.com/i/mx/product/model.php?II=126
16 discos duros SATA de 6 TB

  • Cree un grupo de almacenamiento 1 en RAID 10 con volumen grueso o estático, utilizando 10 discos o más.
  • Escriba todos los resultados en este grupo de almacenamiento para aprovechar las ventajas de las características del RAID 10.
  • Cree un grupo de almacenamiento 2 en RAID 5 o 6 con volumen grueso o estático, utilizando 10 discos o más.
  • Lea todos los datos desde este grupo de almacenamiento.

Configuración alterna:

  • Complete un NAS de QNAP 1 con todas las unidades SSD y cree un solo grupo de almacenamiento 1 de gran tamaño.
  • Escriba todos los resultados en este NAS, debido a su naturaleza de escrituras concurrentes, los resultados deben considerarse IOPS aleatorios.
  • Complete un segundo NAS de QNAP 2 con todas las unidades mecánicas y cree un grupo de almacenamiento 1 de gran tamaño.
  • Lea todos los datos desde este NAS.

APÉNDICE:

La aplicación del NAS de QNAP utiliza tecnología avanzada de grupos de almacenamiento para ofrecer a los usuarios tanto flexibilidad como rendimiento.

Ilustración 4 Grupo de almacenamiento
QNAP

Grupo de almacenamiento con LVM
Puede utilizar la administración de volumen flexible de QNAP para administrar mejor su capacidad de almacenamiento. El grupo de almacenamiento agrega los discos duros en un mayor espacio de almacenamiento y con la capacidad de admitir múltiples grupos RAID; el grupo de almacenamiento puede ofrecer protección más redundante y reducir el riesgo de pérdida de datos.

Una vez que se haya creado el grupo de almacenamiento, puede elegir entre tres métodos distintos para crear su volumen en la parte superior del grupo. El tipo de volumen que desea crear depende si desea flexibilidad o rendimiento.

Volumen estático:
El volumen estático tomará todo el espacio disponible dentro del grupo de almacenamiento, asigna y prepara previamente el espacio para tener un acceso óptimo para la lectura y escritura. Debido a que el volumen estático toma todo el espacio del grupo de almacenamiento, no puede crear múltiples volúmenes con el mismo grupo.

Volumen grueso:
El volumen grueso ofrece una combinación de la flexibilidad del espacio y el rendimiento, puede elegir cuánto espacio del grupo de almacenamiento se va a asignar a un volumen grueso. Esto significa que puede crear múltiples volúmenes gruesos o ligeros dentro del mismo grupo de almacenamiento. Una vez que haya elegido el tamaño deseado del volumen grueso, asignará y preparará previamente el espacio para el acceso a la lectura y escritura.

Volumen ligero:
El aprovisionamiento ligero permite utilizar el espacio de almacenamiento con mayor flexibilidad. El volumen ligero en realidad no utiliza un espacio de almacenamiento físico durante la creación del volumen, sino que sólo utiliza el espacio físico durante la asignación para escritura. Esto significa que usted puede proveer un tamaño de volumen ligero superior al tamaño de almacenamiento físico. Puede crear múltiples volúmenes ligeros dentro del mismo grupo de almacenamiento. Debido a la flexibilidad del espacio en el volumen ligero, existe un impacto en el rendimiento durante la carga de trabajo.

Aceleración de la memoria caché para lectura y escritura en mSATA y SSD:
La tecnología de caché en discos en estado sólido (SSD) está basada en cachés de lectura de entrada y salida del disco. Cuando las aplicaciones del Turbo NAS acceden a los disco(s) duro(s), los datos se almacenarán en el SSD. Cuando nuevamente se tiene acceso a los mismos datos por medio de las aplicaciones, éstos se leerán y escribirán desde el caché de SSD en lugar del disco(s) duro(s). Los datos de acceso común se almacenan en la caché de SSD. Sólo se tendrá acceso a los discos duros cuando no sea posible encontrar los datos en el SSD.

Método tradicional de acceso a los datos
QNAP

Método de acceso a los datos por medio de la caché de 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 liberación: 2015-09-17
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