Principy mezipaměti fondu úložiště

Platí pro: Azure Stack HCI, verze 22H2 a 21H2; Windows Server 2022, Windows Server 2019

Storage Spaces Direct, základní technologie virtualizace úložiště, která je základem pro Azure Stack HCI a Windows Server, nabízí integrovanou mezipaměť na straně serveru, která maximalizuje výkon úložiště a snižuje náklady. Jedná se o rozsáhlou, trvalou mezipaměť pro čtení a zápis v reálném čase, která se při nasazení konfiguruje automaticky. Ve většině případů není nutná žádná ruční správa. Způsob fungování mezipaměti závisí na typech přítomných disků.

Typy pohonů a možnosti nasazení

Storage Spaces Direct aktuálně funguje se čtyřmi typy disků:

Typ jednotky	Popis
	PMem označuje trvalou paměť, nový typ nízké latence a úložiště s vysokým výkonem.
	NVMe (Non-Volatile Memory Express) odkazuje na jednotky SSD, které jsou umístěné přímo na sběrnici PCIe. Běžné formáty jsou 2.5" U.2, PCIe Add-In-Card (AIC) a M.2. NVMe nabízí vyšší IOPS a vstupně-výstupní propustnost s nižší latencí než jakýkoli jiný typ jednotky, který dnes podporujeme s výjimkou PMem.
	SSD označuje polovodičové disky, které se připojují přes běžné SATA nebo SAS.
	HDD označuje rotační magnetické pevné disky, které nabízejí velkou kapacitu úložiště s nízkými náklady.

Ty se dají kombinovat různými způsoby, které seskupíme do dvou kategorií: "all-flash" a "hybrid". Nasazení se všemi pevnými disky se nepodporují.

Poznámka:

Tento článek popisuje konfigurace mezipaměti pomocí NVMe, SSD a HDD. Informace o používání trvalé paměti jako mezipaměti najdete v tématu Principy a nasazení trvalé paměti.

Možnosti nasazení „All-Flash“

Nasazení typu All-Flash cílí na maximalizaci výkonu úložiště a nezahrnují hdd.

Možnosti hybridního nasazení

Hybridní nasazení cílí na vyvážení výkonu a kapacity nebo maximalizace kapacity a zahrnují hdd.

Poznámka:

Hybridní nasazení není podporováno v konfiguraci jednoúčelového serveru. Všechny konfigurace typu plochého úložiště (například all-NVMe nebo all-SSD) jsou jediným podporovaným typem úložiště pro jeden server.

Jednotky mezipaměti se vyberou automaticky.

V nasazeních s více typy jednotek Storage Spaces Direct automaticky využívá všechny jednotky nejrychlejšího typu k ukládání do mezipaměti. Zbývající jednotky se použijí jako úložiště.

Který typ je "nejrychlejší" je určen podle následující hierarchie.

Pokud máte například NVMe a SSD, NVMe slouží jako mezipaměť pro disky SSD.

Pokud máte SSD a HDD disky, disky SSD slouží jako mezipaměť pro disky HDD.

Poznámka:

Jednotky mezipaměti nepřispívají využitelné kapacitě úložiště do clusteru. Všechna data uložená v mezipaměti se také ukládají jinde, nebo se použijí po jejich destage. To znamená, že celková hrubá kapacita úložiště vašeho clusteru je součet pouze kapacitních disků.

Pokud jsou všechny jednotky stejného typu, není automaticky nakonfigurována žádná mezipaměť. Máte možnost ručně nakonfigurovat jednotky s vyšší vytrvalostí pro ukládání do mezipaměti pro jednotky s nižší vytrvalostí stejného typu – postup najdete v části Ruční konfigurace .

Návod

V některých případech nedává používání cache úložiště smysl. Například v konfiguracích zahrnujících pouze NVMe nebo pouze SSD, zejména v velmi malém měřítku, kde nejsou jednotky využité jako mezipaměť, lze zvýšit efektivitu úložiště a maximalizovat výkon. Podobně může mít malé vzdálené nasazení nebo pobočka omezené místo pro disky pro mezipaměť.

Chování mezipaměti se nastavuje automaticky.

Chování mezipaměti se určuje automaticky na základě typů jednotek, pro které se mezipaměť ukládá. Při ukládání do mezipaměti pro flash disky (například ukládání do mezipaměti NVMe pro disky SSD) se ukládají jenom zápisy do mezipaměti. Při ukládání do mezipaměti pro mechanické pevné disky (jako je ukládání do mezipaměti pomocí SSD pro HDD) se ukládají do mezipaměti jak čtení, tak zápisy.

Ukládání do mezipaměti jen pro zápis pro nasazení typu all-flash

Ukládání do mezipaměti se dá použít ve scénáři typu all-flash, například pomocí NVMe jako mezipaměti ke zrychlení výkonu disků SSD. Při nasazení all-flash se do mezipaměti ukládají pouze zápisy. Tím se snižuje opotřebení kapacitních jednotek, protože mnoho zápisů a přepisů může sloučit v mezipaměti a poté uvolnit pouze podle potřeby, čímž se snižuje kumulativní zátěž na kapacitní jednotky a prodlužuje jejich životnost. Z tohoto důvodu doporučujeme vybrat pro mezipaměť jednotky s vyšší odolností a optimalizované pro zápis. Disky s velkou kapacitou mohou mít rozumně nižší výdrž zápisu.

Vzhledem k tomu, že čtení výrazně neovlivňuje životnost flash paměti a disky SSD univerzálně nabízejí nízkou latenci čtení, čtení se neuchovávají v mezipaměti: jsou zpracovávány přímo z kapacitních jednotek (s výjimkou případů, kdy byla data zapsána tak nedávno, že ještě nebyla převedena do hlavního úložiště). Díky tomu může být mezipaměť vyhrazená výhradně pro zápisy, což maximalizuje jeho efektivitu.

Výsledkem jsou charakteristiky zápisu, jako je latence zápisu, diktované jednotkami mezipaměti, zatímco charakteristiky čtení jsou diktovány kapacitou jednotek. Obě jsou konzistentní, předvídatelné a jednotné.

Ukládání do mezipaměti pro čtení a zápis pro hybridní nasazení

Při ukládání do mezipaměti pro HDD se čtení i zápisy ukládají do mezipaměti, aby se zajistila latence podobná flashi (často 10x lepší) pro obě. Mezipaměť pro čtení ukládá nedávno a často čtená data pro rychlý přístup a minimalizuje náhodný přístup na pevné disky. (Kvůli zpoždění při vyhledávání a otáčení je latence a ztráta času způsobená náhodným přístupem k pevnému disku značná.) Zápisy se ukládají do mezipaměti, aby absorbovaly špičky a stejně jako dříve, aby sjednotily zápisy a přepisy a minimalizovaly kumulativní zátěž na kapacitní jednotky.

Storage Spaces Direct implementuje algoritmus, který derandomizuje zápisy před jejich de-stagingem, aby emuloval I/O vzor na disk, který vypadá jako sekvenční, i když skutečné I/O operace přicházející z úlohy (například virtuální počítače) jsou náhodné. Tím se maximalizuje IOPS a propustnost HDD.

Ukládání do mezipaměti v nasazeních zahrnujících NVMe, SSD a HDD

Pokud existují jednotky všech tří typů, jednotky NVMe poskytují ukládání do mezipaměti pro disky SSD i pevné disky. Chování je popsané výše: Pro disky SSD se ukládají pouze zápisy do mezipaměti a pro pevné disky se ukládají do mezipaměti čtení i zápisy. Zatížení mezipaměti u pevných disků se rovnoměrně rozděluje mezi diskové jednotky mezipaměti.

Shrnutí

Tato tabulka shrnuje, které jednotky se používají k ukládání do mezipaměti, které se používají pro kapacitu, a jaké chování ukládání do mezipaměti je pro každou možnost nasazení.

Nasazení	Jednotky mezipaměti	Kapacitní disky	Chování mezipaměti (výchozí)
Všechny NVMe	Žádné (volitelné: ruční konfigurace)	NVMe	Pouze zápis (pokud je nakonfigurovaný)
Všechny disky SSD	Žádné (volitelné: ruční konfigurace)	SSD disk	Pouze zápis (pokud je nakonfigurovaný)
NVMe + SSD	NVMe	SSD disk	Jen pro zápis
NVMe + HDD	NVMe	HDD (pevný disk)	Čtení a zápis
SSD + HDD	SSD disk	HDD (pevný disk)	Čtení a zápis
NVMe + SSD + HDD	NVMe	SSD + HDD	Čtení a zápis pro HDD, pouze zápis pro SSD

Architektura na straně serveru

Vyrovnávací paměť je implementována na úrovni disku: jednotlivé disky vyrovnávací paměti v rámci jednoho serveru jsou vázány na jeden nebo mnoho kapacitních disků na stejném serveru.

Vzhledem k tomu, že mezipaměť je nižší než zbytek softwarově definovaného zásobníku úložiště Windows, nepotřebuje ani žádné povědomí o konceptech, jako jsou Prostory úložiště nebo odolnost proti chybám. Můžete si to představit jako "hybridní" (část flash, část disk) jednotky, které jsou pak prezentovány operačnímu systému. Stejně jako u skutečného hybridního disku je pohyb horkých a studených dat v reálném čase mezi rychlejšími a pomalejšími částmi fyzického média téměř neviditelný pro vnější.

Vzhledem k tomu, že odolnost prostorů úložiště s přímým přístupem je alespoň na úrovni serveru (to znamená, že kopie dat se vždy zapisují na různé servery; maximálně jedna kopie na server), data v mezipaměti využívají stejnou odolnost jako data, která nejsou v mezipaměti.

Například při použití třícestného zrcadlení se tři kopie všech dat zapisují na různé servery, kde se nacházejí v mezipaměti. Bez ohledu na to, zda jsou později odstraněny nebo ne, vždy existují tři kopie.

Vazby jednotek jsou dynamické.

Vazba mezi mezipamětí a kapacitními jednotkami může mít libovolný poměr od 1:1 do 1:12 a vyšší. Dynamicky se upravuje při každém přidání nebo odebrání diskových jednotek, například při škálování směrem nahoru nebo po selhání. To znamená, že jednotky mezipaměti nebo úložné jednotky můžete přidávat nezávisle, kdykoli budete chtít.

Pro symetrii doporučujeme nastavit počet jednotek kapacity na násobek počtu jednotek mezipaměti. Pokud máte například 4 jednotky mezipaměti, dosáhnete rovnoměrnějšího výkonu s osmi kapacitními jednotkami (poměr 1:2) než se sedmi nebo devíti.

Zpracování selhání jednotek cache

Když selže cache disk, všechny zápisy, které ještě nebyly převedeny, jsou ztraceny pro místní server, což znamená, že existují pouze na ostatních kopiích (na jiných serverech). Stejně jako po selhání jiné jednotky se Prostory úložiště automaticky obnoví pomocí přeživších kopií.

Na krátkou dobu se kapacitní disky, které byly vázané na ztracenou jednotku mezipaměti, jeví jako ve špatném stavu. Jakmile dojde k opětovnému připojení mezipaměti (automatickému) a dokončení opravy dat (automatickému), budou opět zobrazeny jako zdravé.

Tento scénář je důvodem, proč se pro zachování výkonu vyžaduje minimálně dvě jednotky mezipaměti na server.

Jednotku mezipaměti pak můžete nahradit stejně jako jakoukoli jinou jednotku.

Poznámka:

Možná budete muset vypnout zařízení, abyste mohli bezpečně nahradit NVMe ve formátu Add-In Karta (AIC) nebo M.2.

Vztah k jiným mezipamětem

V softwarově definovaném zásobníku úložiště pro Windows existuje několik dalších nesouvisejících mezipamětí. Mezi příklady patří mezipaměť pro zpětný zápis Prostorů úložiště a mezipaměť pro čtení sdíleného svazku clusteru (CSV) v paměti.

S Azure Stack HCI by se vyrovnávací paměť pro zpětný zápis Úložných prostor neměla měnit z výchozího chování. Například parametry, jako -WriteCacheSize u rutiny New-Volume, by se neměly používat.

Můžete se rozhodnout, zda použijete mezipaměť CSV, nebo ne – je to na vás. Služba Azure Stack HCI je ve výchozím nastavení zapnutá, ale není v konfliktu s mezipamětí popsanou v tomto tématu. V určitých scénářích může poskytovat cenné zvýšení výkonu. Další informace najdete v tématu Použití cache čtení v paměti CSV se službou Azure Stack HCI.

Ruční konfigurace

U většiny nasazení není nutná ruční konfigurace. Pokud ho potřebujete, přečtěte si následující části.

Pokud potřebujete po nastavení provést změny modelu zařízení mezipaměti, upravte dokument podpůrných komponent služby Health Service, jak je popsáno v přehledu služby Health Service.

Určení modelu jednotky mezipaměti

V nasazeních, kde jsou všechny jednotky stejného typu, například nasazení typu all-NVMe nebo all-SSD, není nakonfigurovaná žádná mezipaměť, protože Systém Windows nedokáže rozlišovat charakteristiky, jako je vytrvalost zápisu automaticky mezi jednotkami stejného typu.

Chcete-li použít jednotky s vyšší odolností k ukládání do mezipaměti pro jednotky stejného typu s nižší odolností, můžete určit, který model jednotky se má použít s parametrem -CacheDeviceModel rutiny Enable-ClusterS2D. Všechny jednotky tohoto modelu se používají k ukládání do mezipaměti.

Návod

Ujistěte se, že odpovídá řetězci modelu přesně tak, jak se zobrazuje ve výstupu Get-PhysicalDisk.

Příklad

Nejprve získejte seznam fyzických disků:

Get-PhysicalDisk | Group Model -NoElement

Tady je příklad výstupu:

Count Name
----- ----
    8 FABRIKAM NVME-1710
   16 CONTOSO NVME-1520

Pak zadejte následující příkaz a zadejte model zařízení mezipaměti:

Enable-ClusterS2D -CacheDeviceModel "FABRIKAM NVME-1710"

Jednotky, které jste chtěli použít pro cachování, můžete ověřit spuštěním Get-PhysicalDisk v PowerShellu a ověřením, že jejich vlastnost Využití je Deník.

Možnosti ručního nasazení

Ruční konfigurace umožňuje následující možnosti nasazení:

Nastavit chování mezipaměti

Výchozí chování mezipaměti je možné přepsat. Můžete ho například nastavit tak, aby ukládal čtení do mezipaměti i v all-flash nasazení. Nedoporučujeme měnit chování, pokud si nejste jistí, že výchozí nastavení nevyhovuje vaší úloze.

K přepsání chování použijte rutinu Set-ClusterStorageSpacesDirect a její parametry -CacheModeSSD a -CacheModeHDD. Parametr CacheModeSSD nastavuje chování mezipaměti při ukládání do mezipaměti pro SSD. Parametr CacheModeHDD nastavuje chování při ukládání do mezipaměti pro HDD.

K ověření nastavení chování můžete použít Get-ClusterStorageSpacesDirect .

Příklad

Nejprve získejte nastavení Storage Spaces Direct:

Get-ClusterStorageSpacesDirect

Tady je příklad výstupu:

CacheModeHDD : ReadWrite
CacheModeSSD : WriteOnly

Pak udělejte toto:

Set-ClusterStorageSpacesDirect -CacheModeSSD ReadWrite

Get-ClusterS2D

Tady je příklad výstupu:

CacheModeHDD : ReadWrite
CacheModeSSD : ReadWrite

Určení velikosti mezipaměti

Mezipaměť by měla mít velikost tak, aby vyhovovala pracovní sadě (data, která se v daném okamžiku aktivně čtou nebo zapisují) vašich aplikací a úloh.

To je zvlášť důležité v hybridních nasazeních s pevnými disky. Pokud aktivní pracovní sada překročí velikost mezipaměti nebo pokud se aktivní pracovní sada posune příliš rychle, zvýší se počet chyb při čtení z mezipaměti a zápisy musí být agresivněji přenášeny mimo mezipaměť, což snižuje celkový výkon.

Pomocí integrovaného nástroje Sledování výkonu (PerfMon.exe) ve Windows můžete zkontrolovat rychlost chybějících mezipamětí. Konkrétně můžete porovnat čtení při selhání mezipaměti za sekundu z čítače hybridního disku úložiště clusteru ve vztahu k celkovému počtu čtecích IOPS vašeho nasazení. Každý hybridní disk odpovídá jedné jednotce kapacity.

Například 2 jednotky mezipaměti vázané na 4 úložné jednotky vedou k 4 instancím objektů hybridního disku na server.

Neexistuje žádné univerzální pravidlo, ale pokud je příliš mnoho čtení, která chybí v mezipaměti, může být mezipaměť příliš malá a měli byste zvážit přidání cache disků k rozšíření kapacity mezipaměti. Jednotky mezipaměti nebo úložné jednotky můžete přidávat nezávisle na sobě, kdykoli budete chtít.

Další kroky

Další znalosti o úložišti najdete také:

• Odolnost proti chybám a efektivita úložiště
• Kvorum clusteru a fondu