Giới thiệu về Storage Space Diect (S2D)

Storage Space Direct trong Windows server 2016 là một tính năng nâng cấp từ tính năng Storage Space ở Windows server 2012 R2, cung cấp khả năng Highly Available – Scalable Storage bằng việc sử dụng các Local Disk trên Server. Điều này giúp việc triển khai và vận hành Storage của Windows ở mức khái niệm Software-Defined Storage hiệu quả và tiết kiệm chi phí đầu tư hơn, đồng thời Storage Space Direct cho phép sử dụng nhiều loại thiết bị lưu trữ hơn như SATA SSD và NVMe disk ở hạ tầng Storage.

Windows Server 2016, Storage Spaces Direct đã xóa bỏ đi yêu cầu hạ tầng Storage phải là Shared Storage và network thông qua SAS fabric như Storage Spaces. SMB3 và SMB Direct (RDMA) với ưu thế tốc độ cao sẽ là giải pháp thay thế vì chi phí triển khai cũng như mức độ low-latency CPU ảnh hưởng đến Storage rất thấp, khi đó việc mở rộng và tăng I/O Performance chỉ đơn giản là thêm Node vào cluster Storage Windows.

Các điểm lợi ích nổi bật

Đơn giản. Để deploy Storage Spaces Direct chưa đầy 15 phút.

Hiệu năng cao. Với thiết kế ổ cứng all-flash hoặc hybrid thích hợp, Storage Space Direct dễ dàng đạt được 150,000 mixed 4K random IOPS trên mỗi server, độ trễ thấp nhờ kiến trúc hypervisor-embedded, built-in read/write cache, và đặc biệt S2D hỗ trợ thiết bị NVMe nhằm tăng thêm hiệu năng storage.

Khả năng chịu lỗi. Storage Spaces Direct có sẵn tính năng phục hồi xử lý đĩa hoặc server bị lỗi mà không ảnh hưởng đến dữ liệu. Trong môi trường triển khai lớn hơn, có thể cấu hình khả năng chịu lỗi ở mức chassic và rack.

Quản lý tài nguyên hiệu quả. Erasure Coding cung cấp không gian lưu trữ hiệu quả hơn lên đến 2.4x với cải tiến độc đáo như Local Reconstruction Codes và real-time tiering tăng khả năng khai thác những điểm lợi của ổ cứng, mixed hot/cold workloads, điều đó giúp giảm tiêu thụ CPU để phục vụ cho các tài nguyên khác như VM trên Hyper-V.

Khả năng quản lý. Sử dụng Storage QoS Control để quản lý IOPS cho từng VM và Scale-Out File Server roles. Healthy Service cung cấp tính năng sẵn có luôn monitoring và alerting, và APIs mới giúp dễ dàng thu thập số liệu về performace và capacity trên diện rộng.

Khả năng mở rộng. Cần tối thiểu 2 node và có thể mở rộng lên đến 16 node và 400 ổ cứng, dung lượng lưu trữ lên đến hàng petabytes trên mỗi cluster. Để mở rộng cluster, khá đơn giản chỉ cần thêm ổ cứng hay server, Storage Spaces Direct sẽ tự động tích hợp ổ cứng mới và tiến hành cân bằng tải chúng.

Mô hình triển khai

Storage Space Direct được thiết kế cho hai mô hình triển khai riêng biệt:

Coverged: Mô hình Converged phân tách tầng ảo hóa và storage ra riêng biệt, các node Hyper-V sẽ kết nối đến Storage thông qua  Scale-out File Server (SoFS). Điều này cho phép mở rộng  compute/workload độc lập với storage cluster, rất cần thiết cho môi trường triển khai lớn như Hyper-V IaaS dành cho các nhà cung cấp dịch vụ, các doanh nghiệp lớn. Tuy nhiên, với mô hình này sẽ đội thêm chi phí đầu tư hạ tầng.

Hyper-converged: Mô hình này cho phép chạy trực tiếp VM Hyper-V hoặc SQL Server trên storage cluster, lưu trữ file trên local volumes. Điều này giúp loại bỏ việc phải cấu hình quyền truy cập và phân quyền, giúp giảm chi phí đâu tư. Mô hình này thích hợp cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ, remote office/branch office.

 

 

Nguyên lý hoạt động Storage Spaces Direct

Storage Spaces Direct kết nối các ổ cứng local trên từng server thông qua Software Storage Bus được thiết kế bởi Microsoft, tạo nên một storage pool cơ bản. Nhà sản xuất khuyển cáo chỉ nên tạo một pool trên mỗi cluster.

Tầng Storage Spaces cung cấp tính năng bảo vệ virtual disk bằng cách sử dụng thuật toán mirror hoặc erasure coding hoặc cả hai.

Client sẽ truy cập đọc/ghi dữ liệu thông qua Cluster Share Volumes hoặc Scale-Out File Server (SOFS)

Storage Spaces Direct sử dụng SMB3, bao gồm SMB Direct và SMB Multichannel thông qua Ethernet. Vì vậy, khuyến cáo nên sử dụng card mạng 10+ GbE hỗ trợ remote-direct memory access (RDMA) hoặc iWARP hay RoCE để tăng performance và giảm latency.

Cơ chế bảo vệ dữ liệu (resiliency)

Trong windows server 2012 R2 và 2016, Microsoft cung cấp các thuật toán để đảm bảo mức độ an toàn cũng như khả năng phục hồi khi có sự cố: 

Mirror: Dữ liệu sẽ được chia nhỏ và nhân bản lên theo số lượng replicas qui định. Thuật toán Mirror đảm bảo an toàn và khả năng phục hồi khi một node nào đó trong cluster gặp sự cố, và bắt buộc phải có ít nhất 2 node trong cluster để enable Mirror Resiliency.

Two-way mirror: Đối với option này thì hệ thống sẽ có 2 bản dữ liệu nhân bản và có thể thể chịu lỗi với 1 đĩa hoặc server bị lỗi.

Three-way mirror: Đối với option này thì hệ thống sẽ có 3 bản dữ liệu nhân bản và có thể thể chịu lỗi với 2 server chết đột xuất.

Parity:

Dữ liệu sẽ được chia nhỏ và phân phối ra các server, đồng thời kèm theo phần parity (số lượng tùy theo ý muốn). Parity tương tự như RAID5 hoặc RAID6, đối với parity thì bắt buộc tối thiểu phải có 4 node trong cluster mới có thể enable Parity Resiliency.

• Single parity: Tương tự như RAID5. Đối với option này thì hệ thống sẽ có 1 bản parity và có thể thể chịu lỗi với một đĩa hoặc server lỗi.
• Dual parity: Tương tự RAID6. Đối với option này thì hệ thống sẽ có 2 bản parity, điều này nâng khả năng chịu lỗi với 2 đĩa hoặc server lỗi và khả năng phục hồi dữ liệu tốt hơn.

Triển khai Storage Spaces Direct

Storage Spaces Direct có thể triển khai để phục vụ cho có các môi workload khác nhau như sử dụng lưu trữ tập tin thông thường, Hyper-V, SQL Server, backup, cung cấp dịch vụ Storage thông qua iSCSI hoặc Scale-Out File Server.

Chú ý khi thiết kế S2D:

• Workload Pool

• HDD repair capacity/pool (TiB)
• SSD repair capacity/pool (TiB)

• Virtual Disks
• Virtual disk size
• HDD tier size
• SSD tier size
• Columns
• Write-back cache
• Resiliency type