QNAP Systems, Inc. - Network Attached Storage (NAS)

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Meilleure pratique Performances du stockage QNAP

Ce guide de meilleure pratique fournit des recommandations générales pour configurer les systèmes de stockage QNAP NAS et en tirer les meilleures performances possibles.

Objectif :

Cette meilleure pratique est destinée aux utilisateurs, partenaires et clients de QNAP qui envisagent d'utiliser des systèmes QNAP NAS. Dans cette meilleure pratique, nous vous fournirons des recommandations pour configurer le stockage QNAP pour en optimiser les performances selon votre charge de travail.

Comment obtenir les meilleures performances de stockage possibles :

Les consignes ci-dessous introduisent des recommandations de configuration spécifiques qui permettent de tirer de bonnes performances des systèmes QNAP.

  1. Choisissez un système de stockage QNAP NAS Entreprise approprié. Les plateformes Entreprise de plus haute gamme sont équipées d'un processeur et d'une RAM plus rapides, et leurs lectures/écritures sont également plus rapides. Informations complémentaires
  2. Maximisez la RAM système du système de stockage. Informations complémentaires
  3. Utilisez des disques mSATA et SSD pour ma mise en cache des lectures/écritures disponible sous QTS 4.2.0. Vous pouvez employer 2 ou 4 SSD et créer un RAID 1 ou 10 comme pool de cache. Voir Fig. 1 et Fig. 2
  4. Choisissez la bonne configuration de RAID et de Volume.
    • Créez un pool de stockage RAID 10. Reportez-vous à l'Annexe pour obtenir des explications.
    • Utilisez « Volume statitque » pour obtenir les meilleures performances possibles, ou utilisez « Volume lourd » dans un pool de stockage. 
      • P.S. L'option « Volume léger » offre plus de flexibilité, mais peut réduire les performances de stockage pour les applications sensibles. Reportez-vous à l'exemple de la Fig. 4 et à l'Annexe pour obtenir des explications.
Fig. 1 Cache de lecture/écriture de SSD
QNAP

Fig. 2 Pool de cache SSD
QNAP

* Un exemple illustrant comment l'accès au pool de cache SSD s'effectue sur un QNAP NAS.


Comment choisir votre support de stockage :

Consignes essentielles au choix du bon support de stockage pour votre QNAP NAS. Choisissez le type de disque approprié à la charge de travail attendue dans votre environnement.

Fonctions Disques durs traditionnels Disques durs SAS Disques durs SSD
Coût Faible Moyen Élevé
Performances Faible Moyen Élevé
Capacité Élevé Moyen Faible

Les caractéristiques de performances les plus courantes sont mesurées pour des opérations séquentielles et aléatoires. Nous évaluons les performances des disques en termes d'IOPS (Lectures/écritures par seconde). Une requête de lecture ou une requête d'écriture = 1 IOPS. Chaque disque de votre système de stockage peut se charger d'un certain nombre d'IOPS dépendant de la vitesse de rotation du disque, de sa latence moyenne et de son temps de recherche moyen.

Caractéristiques générales d'IOPS des disques durs

Appareil Type IOPS Interface
Disques 5 400 TPM HDD ~75 à 100 IOPS SATA III
Disques 7 200 TPM HDD ~125 à 150 IOPS SATA III
Disques 10 000 TPM HDD ~140 IOPS SAS
Disques 15 000 TPM HDD ~175 à 210 IOPS SAS
Disques SSD SSD ~40K à 100K IOPS ou plus*  SATA III

* Les performances dépendent de la puce de contrôleur et de la cellule flash du SSD

Si nous effectuons un calcul de base des IOPS BRUTES pour 4 disques durs 7 200 TPM, nous pouvons supposer que le total des IOPS BRUTES sera de 500. Nous obtenons ce total en prenant en compte le nombre total de disques et en le multipliant par le nombre d'IOPS BRUTES de chaque disque (4 HDD x 125 IOPS = 500 IOPS).

Accès aléatoire :

Avec l'accès aléatoire, vous pouvez obtenir n'importe quelle partie du fichier, dans n'importe quel ordre. Vous pouvez donc par exemple lire le milieu du fichier avant son début.

Types de charge de travail impliquant principalement des accès aléatoires.

  • Accès simultané à plusieurs clients
  • Application de base de données
  • Accès à des VM dans un environnement hyperviseur
  • IP-SAN utilisant des données basées sur des blocs

Accès séquentiel :

Avec l'accès séquentiel, vous devez d'abord lire la première partie du fichier avant de lire la deuxième, lire la deuxième avant de lire la troisième, etc.

Types de charge de travail impliquant principalement des accès séquentiels.

  • Édition vidéo (édition directe à l'aide d'un logiciel d'édition vidéo exécuté sur un seul poste de travail)
  • Enregistrement vidéo (un seul client, p. ex. à partir d'une caméra IP ou d'un enregistreur vidéo)
  • Diffusion vidéo (visionnage d'une vidéo à partir du NAS)
  • Transfert de gros fichiers 
  • Tâche de sauvegarde de données

accès aléatoire par rapport à l'accès séquentiel :

L'opération de recherche, qui intervient lorsque la tête du disque se positionne au niveau du cylindre de disque approprié pour accéder aux données demandées, est l'opération qui prend le plus de temps que toute autre partie du processus de lecture/écriture.

De par la nature des disques mécaniques, il est bien plus rapide d'accéder aux données/de les écrire de manière séquentielle que de manière aléatoire. Cela est lié à la manière dont le matériel du disque fonctionne. Les lectures/écritures séquentielles des disques mécaniques délivrent généralement un débit plus élevé, car la tête de disque effectue moins d'opérations de recherche, alors que dans le même temps, de plus gros segments de données peuvent être lus/écrits durant une seule rotation de plateau.

L'accès aléatoire implique un plus grand nombre d'opérations de recherche, le débit et le nombre d'IOPS seront donc plus faibles pour la lecture aléatoire et le seront encore plus pour l'écriture aléatoire. durant les lectures/écritures aléatoires, le positionnement de la tête de disque, le délai de rotation pour la recherche sur disque et le temps de recherche pénaliseront considérablement les performances.

Fig. 3
QNAP

Exemple
Pour les systèmes reposant sur des disques mécaniques, la recherche sur chaque disque prendra environ 10 ms. L'écriture séquentielle de données sur le disque concerné prendra 30 ms par Mo. Donc si vous écrivez 100 Mo de données sur un disque de manière séquentielle, cela prendra environ 3 secondes. Mais si vous avez recours à 100 écritures aléatoires de 1 Mo chacune, cela prendra au total 4 secondes (3 secondes pour l'écriture en elle-même, et 10 ms * 100 = 1 seconde pour toutes les recherches).

Pourquoi la mise en cache Flash (SSD) des lectures/écritures améliore-t-elle les IOPS aléatoires

Étant donné que les disques flash ne sont pas munis d'une tête de disque physique devant se déplacer en leur sein, la pénalité de 10 ms liée au temps de recherche des disques mécaniques n'intervient plus.

La fonctionnalité de mise en cache des lectures/écritures de SSD de QNAP améliore les performances des IOPS aléatoires en retriant les blocs d'adresse du cache (ce qui réduit les écritures) pour réduire la charge des disques back-end.

Impact de la taille du cache : plus elle est importante, mieux c'est (pour créer davantage d'opportunités de retri), mais en pratique, cette taille est limitée par le coût, car les caches d'écritures sont bien plus onéreux qu'un disque back-end. 

Caractéristiques RAID

Le système de stockage QNAP NAS prend en charge différents types de niveau de RAID, et les capacités et indicateurs de performances de chacun de ces types sont différents. Avant de déployer votre système de stockage, déterminez le type de charge de travail qu'il devrait gérer.

Lorsque vous essayez de déterminer le type de RAID à utiliser en constituant votre solution de stockage, ce type dépend généralement de deux choses : Capacité et Performances.

Type de RAID Nombre minimal de disques Tolérance aux défaillances Capacité Lecture aléatoire Écriture aléatoire Lecture séquentielle Écriture séquentielle
RAID 0 2 Aucun 100% Élevé Élevé Élevé Élevé
RAID 1 2 1 défaillance de disque 50% Élevé Faible Élevé Bon
RAID 5 3 1 défaillance de disque N - 1 Élevé Faible Élevé Bon
RAID 6 4 2 défaillance de disque N - 2 Élevé Faible Élevé Bon
RAID 10 4 1 défaillance de disque dans chaque sous-RAID 50% Élevé Bon Élevé Bon

RAID 10 :
Le plus efficace pour les grosses charges de travail transactionnel requérant beaucoup d'écritures aléatoires (supérieures à 30 %).

RAID 5 :
Le plus efficace pour des performances moyennes et des charges de travail séquentielles généralistes. En principe, le RAID 5 sera utilisé car c'est un choix plus économique. En effet, avec le RAID 5, seul un disque est utilisé pour la parité. Le RAID 5 n'est pas le meilleur choix pour les applications gourmandes en performances.

RAID 6 :
Le plus efficace pour les charges de travail favorisant la lecture, par exemple, l'archivage ou la sauvegarde, mais ce n'est pas le meilleur choix pour les applications gourmandes en performances, tout particulièrement pour un environnement requérant beaucoup d'écritures aléatoires.


Étude de cas 1 : identifier votre type de charge de travail

Séparer les VM employant différents types d'IOPS en plusieurs pools de stockage aux caractéristiques RAID différentes améliorera considérablement les performances et réduira les goulots d'étrangement en lecture/écriture.

Équipement supposé :
TS-EC1680U-RP
https://www.qnap.com/i/fr/product/model.php?II=126
16 disques durs SATA de 6 To

L'environnement informatique d'un client comprend deux serveurs hôtes Vmware ESXi 6.0 en grappes, et ce client doit exécuter 20 VM en utilisant le QNAP NAS comme back-end de stockage. Le client a recensé et créé un inventaire comprenant toutes ses VM et a identifié le type de charge de travail suivant pour son environnement.

1 VM --> Serveur de base de données MSSQL à charge de travail élevée (plus de 30 % de lectures/écritures aléatoires).
3 VM --> Serveurs d'application à charge de travail élevée (plus de 30 % de lectures/écritures aléatoires).
1 VM --> Services vCenter à faible charge de travail (principalement des lectures/écritures séquentielles).
1 VM --> Contrôleur de domaine à faible charge de travail (principalement des lectures/écritures séquentielles).
1 VM --> Serveur de sauvegarde à faible charge de travail (principalement des lectures/écritures séquentielles).
2 VM --> Services DNS à faible charge de travail (principalement des lectures/écritures séquentielles).
2 VM --> Serveurs web à charge moyenne (15 % de lectures/écritures aléatoires).
5 VM --> Bureaux virtuels grand public.
4 VM --> Serveurs de développement internes.

Configuration recommandée :

  • Créer un 1er pool de stockage RAID 10 avec Volume statique utilisant 8 disques durs ou plus. 
  • Inclure les 4 VM à charge de travail élevée (30 % de lectures/écritures aléatoires) dans le RAID 10 hautes performances.
  • Créer un 2ème pool de stockage RAID 6 avec Volume lourd ou statique utilisant 4 disques durs ou plus.
  • Inclure les 5 VM à faible charge de travail (principalement des lectures/écritures séquentielles) dans ce RAID 6.
  • Créer un 3ème pool de stockage RAID 6 avec Volume lourd ou statique utilisant 4 disques durs ou plus.
  • Inclure le reste des VM, serveurs web, bureaux virtuels d'utilisateur et serveurs de développement internes dans ce RAID 6.

Configuration alternative :

  • Créer un 1er pool de stockage RAID 10 avec Volume statique utilisant 4 disques SSD ou plus. 
  • Placer toutes les VM à charges de travail moyennes et élevées sur les disques SSD.
  • Créer un 2ème pool de stockage RAID 6 avec Volume lourd ou statique utilisant 8 disques durs ou plus.
  • Inclure le reste des VM (utilisant principalement des lectures/écritures séquentielles) dans ce RAID 6.

* Cela s'applique à VMWare, Hyper-V, XenServer et autres hyperviseurs.

Étude de cas 2 : performances d'IOPS les plus élevées possibles

Utiliser des SSD hautes performances pour obtenir le meilleur résultat.

Équipement supposé :
TS-EC1680U-RP
https://www.qnap.com/i/fr/product/model.php?II=126
16 disques SSD SATA de 1 To

Le client souhaitait principalement bénéficier des meilleures performances de stockage possibles, la capacité de stockage n'étant pas sa principale préoccupation.

  • Créer un 1er pool de stockage RAID 10 avec Volume statique utilisant tous les SSD disponibles. Étant donné que les SSD ne comportent pas de composants mécaniques mobiles, ils peuvent procéder très rapidement à un grand nombre de lectures/écritures aléatoires et séquentielles.

Étude de cas 3 : accès aux fichiers par plusieurs clients

Pour le système de stockage, les multiples lectures/écritures simultanées impliquent davantage d'IOPS.

Le client disposait d'une Render Farm graphique comprenant environ 50 nœuds. La totalité de ces 50 nœuds lisent simultanément la bibliothèque multimédia source du système de stockage, produit les données, puis les exporte en les écrivant sur le système de stockage pour un traitement ultérieur. Étant donné que les 50 nœuds commencent par lire le contenu multimédia puis écrivent les résultats sur le système de stockage, et du fait qu'ils effectuent ces opérations simultanément, l'utilisation simultanée de tous les disques mécaniques crée un important goulot d'étranglement d'IOPS aléatoires. Les hautes performances et la grande capacité étant toutes deux nécessaires pour le processus de rendu graphique, il est possible d'optimiser le système de stockage QNAP NAS de la manière suivante.

 

Configuration recommandée :

Équipement supposé :
2 x TS-EC1680U-RP
https://www.qnap.com/i/fr/product/model.php?II=126
16 disques durs SATA de 6 To

  • Créer un 1er pool de stockage RAID 10 avec Volume lourd ou statique utilisant 10 disques ou plus. 
  • Écrire tous les résultats dans ce pool de stockage pour profiter des caractéristiques du RAID 10.
  • Créer un 2ème pool de stockage RAID 5 ou 6 avec Volume lourd ou statique utilisant 10 disques ou plus. 
  • Lire toutes les données à partir de ce pool de stockage.

Configuration alternative :

  • Équiper un 1er QNAP NAS de la totalité des SSD et créer un seul grand pool de stockage.
  • Écrire tous les résultats sur ce NAS. De par la nature des écritures simultanées, les résultats doivent être considérés comme étant des IOPS aléatoires.
  • Équiper un 2ème QNAP NAS de la totalité des disques mécaniques et créer un 1er grand pool de stockage.
  • Lire toutes les données à partir de ce NAS.

 

ANNEXE :

Les QNAP NAS emploient une technologie avancée de pool de stockage pour que les utilisateurs bénéficient à la fois de flexibilité et de performances.

Fig. 4 Pool de stockage
QNAP

Pool de stockage utilisant LVM
Vous pouvez utiliser la gestion des volumes flexibles de QNAP pour mieux gérer votre capacité de stockage. Le pool de stockage rassemble les disques durs en un espace de stockage plus grand. Avec sa capacité à prendre en charge plusieurs groupes RAID, le pool de stockage peut offrir une protection plus redondante et réduire le risque d'anomalies de données. 

Une fois que vous avez créé votre pool de stockage, vous pouvez choisir entre trois méthodes différentes pour créer le volume de ce pool. Le type de volume que vous choisirez dépendra de ce que vous préférez privilégier : la flexibilité ou les performances.

Volume statique :
Le volume statique occupera tout l'espace disponible du pool de stockage. Il préallouera et commencera à préparer l'espace pour un accès optimal en lecture/écriture. Étant donné que le volume statique occupe tout l'espace du pool de stockage, vous ne pourrez pas créer plusieurs volumes dans un même pool. 

Volume lourd :
Le Volume lourd offre une alliance entre flexibilité et performances. Vous pouvez choisir la quantité d'espace à attribuer au Volume lourd dans le pool de stockage. Cela signifie que vous pouvez créer plusieurs volumes légers ou lourds dans un même pool de stockage. Une fois que vous avez choisi la taille de Volume lourd souhaitée, il préalloue et commence à préparer l'espace pour l'accès en lecture/écriture.

Volume léger :
Le Thin provisioning permet d'utiliser l'espace de stockage d'une manière plus flexible. Le Volume léger n'utilise pas véritablement l'espace de stockage physique durant sa création. Au lieu de cela, l'espace physique est uniquement utilisé durant l'allocation d'écriture. Cela signifie que vous pouvez allouer une taille de Volume léger supérieure à la taille de votre espace de stockage physique. Vous pouvez créer plusieurs Volumes légers dans un même pool de stockage. Du fait de la flexibilité d'espace des Volumes légers, la charge de travail impacte les performances. 

Accélération du cache de lecture/écriture des disques mSATA et SSD :
La technologie de cache des disques à semi-conducteurs (SSD) repose sur les caches des lectures/écritures. Lorsque les applications du Turbo NAS accèderont au(x) disque(s) dur(s), les données seront stockées sur le SSD. Lorsque ces applications accèderont une nouvelle fois à ces données, elles seront lues/écrites à partir du cache SSD au lieu de l'être à partir du ou des disques durs. Les données auxquelles vous accédez fréquemment sont stockées dans le cache SSD. L'accès au(x) disque(s) dur(s) n'aura lieu que lorsque les données seront introuvables sur le SSD

Méthode traditionnelle d'accès aux données
QNAP

Méthode d'accès aux données de cache SSD
QNAP

Sources de référence :
https://en.wikipedia.org/wiki/Random_access
https://en.wikipedia.org/wiki/Sequential_access
https://en.wikipedia.org/wiki/IOPS

Date de sortie: 2015-09-17
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