Ускоряем HDD или использование Windows Storage Spaces для создания tiered drives (иерархичных дисков)

ssd, hddSSD-диски все еще дороги. Цена на них постепенно понижается, но на единицу хранения они пока еще не могут конкурировать с традиционными HDD. Последние, кстати, вовсе не собираются сдавать свои позиции. И дело не только во все увеличивающихся объемах хранения и снижающейся стоимостью записи на HDD. Традиционные HDD обеспечивают куда большую надежность хранения данных на протяжении длительного времени и существенно большую износостойкость в плане записи. И эти свойства HDD появились не вчера, их планомерно развивали в течение десятилетий. К надежности хранения данных на HDD можно привести множество примеров, когда в различных НИИ и замшелых банках все еще используются жесткие диски выпущенные десятки лет тому назад. И при этом они полностью сохранили свою работоспособность. Кстати, ленточные накопители тоже остались у дел, в тех же банках, финансовых компаниях, замшелых НИИ. Магнитные ленты отлично выполняют функции по архивному хранению информации, например, резервных копий и по самой минимальной стоимости при высочайшей надежности.

Но есть у HDD и неоспоримые недостатки. Это все, что связано со временем доступа и вообще скоростью чтения и записи данных. Конечно, HDD почти что космические ракеты, если сравнить их с решениями на магнитной ленте, но скорости HDD, в нынешних реалиях, все равно недостаточно. По сути, это самый медленный компонент современного ПК. Именно по этой причине на свет появились SSD. Они лишены механической части и соответственно недостатков, связанных со временем доступа и скоростями чтения/записи. В SSD все эти операции происходят «мгновенно» и с максимально доступной производительностью.

А можно ли совместить достоинства HDD и SSD дабы нивелировать их недостатки? Как оказывается можно. Еще до появления SSD обычные HDD уже оснащались крупными буферами из оперативной памяти для ускорения операций чтения-записи. Данная технология помогала лишь отчасти, в основном для операций связанных с записью данных, либо на очень медленных компьютерах, где интерфейс не мог переварить поставляемый жестким диском объем данных. Чуть позже появились комбинации, когда HDD дооснащался еще и небольшим встроенным SSD. SSD-часть в этом случае использовалась как SSD-кэш. Большой популярности подобные решения не нашли, так как объемы SSD встраивались небольшие, а износу они подвергались существенному. Но производители пошли дальше.

На сцену вышла концепция, декларирующая ранжирование данных на дисковом массиве по важности быстрого доступа к ним. Ведь какие-то фотографии с позапрошлогоднего отпуска, можно вполне себе хранить хоть на ленте, а вот файл динамичной игры должен подгружать как можно быстрее. В этой стезе засветилась корпорация Intel, разработавшая совместно с Micron новый вид памяти для твердотельных дисков. Для конечного потребителя новинка предстала под торговой маркой Optane и предназначалась как раз для ускорения операций ввода-вывода традиционных HDD. Иначе работала как «умный» SSD-кэш. Да, кстати, объемы Optane-дисков, как правило, были небольшими, а стоимость соответствовала амбициям электронных гигантов.

Но технологии не стоят на месте, а неумолимо приближаются к технологической сингулярности. Усилиями многих производителей SSD-диски становятся все дешевле и быстрее. И вот в некоторых компьютерах есть только просто SSD-диск и больше ничего. Но, а в мощных рабочих станциях, игровых ПК, да и в большинстве ПК, что стоят на производствах, в офисах и просто по домам разнокалиберных граждан, по-прежнему присутствуют HDD. И вроде бы компьютеры не старые, вполне рабочие, но дисковая подсистема основанная на HDD оставляет желать лучшего, а выкинуть вполне еще рабочий HDD на терабайт, ну просто, рука не поднимается. Но и тут есть решение. Можно использовать технологию по созданию автоматических tiered drives (или иерархичных дисков, лучшего русскоязычного термина я не подобрал). В основе технологии tiered drives лежит объединение быстрых, но небольших SSD-дисков, и медленных, но надежных и объемных HDD-дисков, в один виртуальный пул, тем самым устраняя недостатки каждой из технологий хранения данных.

Автоматичность в случае с tiered drivers означает, что система сама, самостоятельно, без всякого AI, SMS и регистраций, будет определять, какие данные следует помещать на быструю часть (SSD), а какие разумнее оставить на HDD. В некоторых реализациях можно дополнительно «привязывать» те или иные файлы к быстрой части виртуального пула или медленного. Кроме того, некоторые производители дополнительно оснащают свои программные решения по организации tiered drives еще и дополнительным кэшем в оперативной памяти, для еще большей производительности. Но, прежде чем перейти к разбору программным продуктов «без SMS и регистраций», необходимо разобраться в отличиях между SSD-cache, RAID-массивами и tiered drives.

SSD-cache – простой механизм по прозрачному кэшированию данных на быстром SSD-диске перед их записью на медленный HDD-диск, либо аналогичное кэширование данных при чтении. Все зависит от реализации. Технология интересная, но особого признания не нашла в силу очень узкой специализации. Небольшое количество данных она запишет быстро, а вот с чем покрупнее никакого преимущества уже не будет.

RAID-массив — механизм объединения нескольких физических дисков в единый пул. Способ объединения зависит от потребности, но в основном используется в промышленных системах хранения данных, где требуется высокая надежность хранения и низкий процент отказов с нулевым простоем. Как правило в массив объединяются одинаковые по характеристикам диски.

Tiered drive — механизм разделения данных на требующих и не требующих быстрого доступа с соответствующим местом хранения на SSD или HDD.

AMD StoreMI

Мое первое знакомство с tiered drives началось с AMD StoreMI. Еще с первой версии, перелицованной enmotus FuzeDrive. Перейдя с Intel на платформу AMD, я с удовольствием обнаружил, что весь мой парк старых HDD можно безболезненно использовать с моим новым ПК, а заодно и ускорить их до самого доступного максимума при помощи освободившихся SATA SSD (а основными рабочими дисками у меня стали NVME PCI накопители).

Первая версия StoreMI имела существенные ограничения, так, например, можно было использовать для создания tiered drive SSD размером не более 256 Гб. Хорошо, что у меня был именно такой диск. Система tiered drive собралась оперативно, скорость работы с HDD выросла до адекватных показаний, все бегало и приятно урчало. Но локальный праздник жизни был омрачен двумя факторами:

  1. Система падала из-за StoreMI при высокой нагрузке. Например, при копировании данных с HDD на tiered drive от StoreMI.
  2. Спустя некоторое время AMD убрала StoreMI первой версии из открытого доступа, а никакой замены не предложила. Другими словами, если вам потребовалось восстановить систему, в которой присутствует tiered drive StoreMI, то все данные вы потеряете на этом диске, так как подключиться к нему никак.

В качестве дополнительного удобства я несколько раз получал заблокированный tiered drive, так как StoreMI не могла проверить свою лицензию. Ну и полностью отсутствующая поддержка по продукту означала, что использовать его можно только на свой страх и риск. Из плюсов, что были в первой версии StoreMI, можно отметить лишь наличие дополнительно кэша в оперативной памяти, что несколько ускоряло работу всей связки.

Чуть позже AMD выпустила вторую версию StoreMI уже без всяких ограничений на объемы дисков и прочей ереси в виде лицензий. Вторая версия оказалась несовместимой с первой. Провести апгрейд — нельзя. По всей видимости это связано с тем, что вторая версия StoreMI уже была написана без специалистов enmotus. Интерфейс хоть и стал чуть более лицеприятным, но все также отдавал Delphi.

Вторую версию StoreMI я установил на свой второй компьютер, первую установить я на него не успел, апгрейд закончился позже, чем появилась обновленная StoreMI. Установку удалось завершить далеко не с первой попытки. Пришлось ждать около полугода, пока появятся исправления и StoreMI наконец-то заработает и на моем втором ПК.

Вообще, драйвера дисковых подсистем штука до крайности важная. Они не должны содержать никаких ошибок, а их код должен быть «вылизан» программистами и тестировщиками до последнего байта. Ведь малейшая, даже самая крохотная ошибка в программном обеспечении дисковой подсистемы способна привести к краху ценных данных. Ваших данных. И именно по этой причине, мы меняем программное обеспечение как перчатки, но все еще продолжаем работать с файловыми системами, разработанными в прошлом веке. Лучше оставаться на проверенной системе, хоть и чуть медленнее, чем терять свои данные.

Но вернемся к StoreMI второй версии. Через некоторое время использования я с удивлением заметил, что некоторые фотографии, которые я синхронизирую с компьютером оказываются испорченными. Хотя на всех других устройствах они открываются и читаются без особых проблем. Фотографии, как не трудно догадаться, хранятся как раз на диске StoreMI. Дабы отвести напрасные мысли о ненадежности второй версии StoreMI, я решил переустановить Windows.

Но, после первой же перезагрузки после установки второй версии StoreMI (и даже без создания tiered drive) моя установка Windows становилась полностью неработоспособной. UEFI (BIOS) напрочь отказывался видеть загрузочный диск, а инсталляционная утилита Windows не обнаруживала никаких признаков установленной операционки для восстановления. Проведя подряд 7 переустановок операционной системы, я окончательно убедился, что проблема как раз в StoreMI от AMD.

В общем, пришлось идти, искать альтернативу. Ведь к хорошему быстро привыкаешь.

enmotus FuzeDrive

Естественным первым порывом стало желание посмотреть на родную утилиту для организации tiered drives от производителя первой версии StoreMI. Ведь она худо, но все же продолжала работать, тянуть мой домашний комп.

Неоспоримым преимуществом FuzeDrive является наличие RAM-кэша, который дополнительно ускоряет операции записи в системе. Данные сначала записываются в быструю оперативную память, а потом уже отправляются на tiered-диск по мере возможности. Но мой опыт работы с первой версией StoreMI, проблемы с лицензией и аварийные остановки операционные системы при высокой нагрузке на дисковую подсистему несколько охладили мой пыл в отношении FuzeDrive. Пошли искать альтернативу дальше.

ROMEX PrimoCache

Альтернативой FuzeDrive для Windows можно считать PrimoCache от ROMEX. Утилита PrimoCache — применяется как продвинутое решение для кэширования данных при чтении или записи с медленных устройств. В качестве быстрых устройств, используемых для кэширования, в PrimoCache можно применять ОЗУ, SSD-диск и даже Flash-диски. Кстати, в Windows уже есть технология по ускорению медленных накопителей за счет использования кэширования на USB Flash-дисках. Но решение ReadyBoost, опять же, не стало популярным. Ускорение за счет USB-флешки медленного HDD, установленного в медленном компьютере, обычно приводило к еще большим тормозам, так как на обработку данных с Flash-дисков тратились дополнительные ресурсы, которых и так было мало.

Но вернемся к PromiCache. Тут следует учитывать, что это именно кэш, т.к. данные всегда проходят через «быстрое» устройство.

Благодаря такому активному кэшированию при помощи PrimoCache можно получать фантастические скорости общения с жестким диском. Еще одним преимуществом PrimoCache можно считать отсутствие необходимости в переносе данных с «медленного» носителя перед включением его кэширования. Т.е. установка утилиты — максимально безопасна. Кстати, PrimoCache можно скачать на попробовать, в приложении присутствует «триальный» период.

К сожалению, никакой функции по ранжированию данных по иерархии хранения в PrimoCache нет, поэтому ее не следует рассматривать как прямого конкурента StoreMI или FuzeDrive.

При дальнейшем исследовании можно обнаружить, что на рынке присутствует некоторое количество RAM-cache утилит, предоставляющих примерно один и тот же сервис под разными названиями. Не будем их всех перечислять, а перейдем сразу к герою настоящей статьи, а именно…

Windows Storage Spaces

Служба Storage Spaces появилась в Windows Server 2012 как способ объединения физических дисков в единые пулы, на основе которых могут быть организованы виртуальные диски. Данная же технология мигрировала с Windows Server 2012 и на Windows 8.

Изначально в Storage Spaces были доступны следующие варианты объединения:

  • Simple — дисковое пространство всех дисков объединяется в одно.
  • Two-way mirror — обычное зеркалирование данных по дискам, всего хранится две копии.
  • Three-way mirror — усиленное зеркалирование данных по дискам, всего хранится три копии.

Получался эдакий аналог программного RAID встроенного в операционную систему. Позже, с выходом Windows Server 2012 R2 появились дополнительные виды объединения дисков:

  • Parity — хранение данных с избыточной информацией необходимой для восстановления. Данные «размазываются» сразу по нескольким дискам и в случае выхода из строя части дисков, данные все равно можно будет восстановить благодаря избыточности.
  • Tiered — как раз интересующий нас случай с поддержкой иерархического хранения и сегрегации данных на быстрые и медленные носители.
storage spaces

Состояние дисковой подсистемы после создания Tiered Drive из двух дисков

Последняя редакция также была перенесена в десктопные решения. Создание и управление пулами дисков и виртуальными дисками под Windows 10 (Widows 8 рассматривать уже не будем по причине старости) доступно через апплет (оснастку) Storage Spaces, либо через команды в среде Windows PowerShell. К сожалению, в оснастке Storage Spaces доступны все варианты создания объединения, за исключением Tiered. Он доступен только через команды в PowerShell.

disk management, storage spaces

Как выглядит созданный виртуальный диск в оснастке Disk Management

Как работает механизм сегрегации данных в tiered варианте объединения? Новые данные обычно записываются на HDD, а затем, если к ним часто и много обращаются, то перемещаются уже на SSD. Если же системе требуется записать большое количество небольших и случайных изменений данных, то такие изменения записываются в первую очередь на SSD (используется механизм кэширования на SSD), с последующим перенесением на HDD если это необходимо. Все перемещения между слоями (иерархиями) дисков происходят либо автоматически (если такая опция была выбрана при создании пула дисков), либо во время обслуживания виртуального диска (та самая дефрагментация), либо командами через PowerShell.

Можно ли добавлять диски к пулу после его создания? Да, можно. Причем проделать эту процедуру можно уже в оснастке Storage Spaces. В целом Windows позволяет добавлять в пул более, чем достаточное количество дисков. Общее пространство можно разделять между различными виртуальными дисками. Виртуальные диски можно делать даже больше, чем есть физического места для хранения. В случае исчерпания свободного места на диске он переводится в режим Read Only до тех пор, пока не будет добавлен новый диск в пул дисков.

При использовании хранения данных одновременно на нескольких дисках увеличивается вероятность потери данных по причине выхода из строя накопителя или сразу нескольких. Опытные системные администраторы сразу же упомя́нут, что ценные данные вообще-то нужно периодически резервировать на сменных носителях (те самые магнитные ленты) и хранить их в отдельном помещении или лучше здании (городе, стране и т.п.). Но можно попробовать поднять надежность хранения данных и в случае использования tiered disk при использовании Storage spaces. Во-первых, совершенно никто не мешает организовать аппаратное зеркалирование на уровне UEFI (BIOS) и включать в пул дисков уже зеркалированные диски. Во-вторых, согласно документации от Microsoft, создав пул из hdd и sdd (и соответственно tiered drive) у нас есть возможность создавать на его основе и так называемые вложенные (nested) виды объединения, которые уже могут зеркалироваться или иметь избыточность. Однако, данное действие имеет смысл только при наличии действительно достаточного количества физических дисков для организации зеркалирования или избыточности.

Кстати, даже при использовании обычного tiered объединения некоторые диски можно исключать из пула для их замены (однако, для их замены они должны быть настроены в системе как извлекаемые (hot swap)).

Итак, для добавления своего tiered пула в Windows 10 можно воспользоваться либо командами в PowerShell (в документации Microsoft достаточно подробно описана пошаговая процедура создания tiered drive через PowerShell), либо воспользоваться скриптами win10-storage-spaces от freemansoft специально предназначенными для автоматизации создания Tiered Storage.

storgae spaces

Возможность создания Nested Drives на свободном месте Storage Spaces

Процедура использования скриптов достаточно проста, требуется подредактировать скрипт создания пула, изменить наименование пула и виртуального диска, подумать над буквой, которая будет назначена виртуальному диску. Затем освободить диски от разделов и запустить скрипт создания. Он автоматически добавит в пул все свободные от разделов диски, исправит неверные или отсутствующие идентификаторы у HDD-дисков, создаст один виртуальный диск по всему размеру всех подключенных дисков.

Если вдруг, по каким-то причинам, касающимся безопасности, скрипт не будет исполняться, то необходимо изменить настройки безопасности для скриптов и запустить процедуру заново.

После создания пула им уже можно управлять через оснастку Storage Spaces. Например, в пул можно добавить еще дисков. Однако, если изначально у нас создавался tiered пул на двух дисках (т.е. сформирован Simple пул), то его нельзя будет переконвертировать в Two-way Mirror пул, хотя можно будет организовать Nested Two-way Mirror диск при создании нового виртуального диска.

storage spaces, disk optimization

Storage Spaces после добавления в пул еше одного SSD и проведения оптимизации

При добавлении нового физического диска в пул система сразу предлагает провести оптимизацию. Я добавил к системе еще один 120 Гб SSD-диск (к уже добавленному 240 Гб SSD и 1 Тб HDD) и после оптимизации я получил загрузку в 74% 240 Гб SSD и 50% от 120 Гб SSD. Таким образом, на обоих SSD осталось примерно поровну не назначенного в пул места. И именно это место я могу использовать в качестве пространства для создания нового Storage Space (по сути, это и есть виртуальный диск).

После добавления нового диска и оптимизации можно провести изменение размера виртуального диска. Осуществить эту операцию через оснастку Storage Spaces нельзя, система возвращает ошибку. Дело в том, что легкого способа увеличить размер виртуального диска не существует. Проблема кроется в том, как организуются пулы в Storage Spaces. Все дело в так называемом Number of Columns, а именно в количестве физических дисков, на которых физически располагается виртуальный диск. И для успешного изменения размера виртуального диска необходимо добавить в пул количество диско равное Number of Columns. Звучит немного странно, но таковы ограничения. Однако, в моем случае, Tiered disk создался с пустым количеством Columns, т.к. у меня, при создании пула был только один SSD и один HDD. В общем и целом, мне не удалось увеличить размер общего пула после добавления дополнительного SSD-диска в пул. Тем не менее, оба диска работают в пуле совместно. О проблемах с увеличением или уменьшением места в Storage Pool сообщают пользователи и серверных операционных систем. Не помогает в том числе и ручное создание пулов с несколькими разнокалиберными дисками. Так что экспериментировать со Storage Spaces еще есть куда.

disk mark, storage spaces

Данные по работе виртуального диска (отображается производительность моего SSD-диска)

Для измерения полученного результата можно воспользоваться как обычными средствами типа Crystal Disk Mark или же использоваться специализированное средство от Microsoft DiskSpd. Disk Mark, как и положено будет давать результаты с SSD-диска, так как он первым воспринимает удар синтетической цифровой стихии, а DiskSpd дает более интересный результат, но его нужно еще правильно интерпретировать.

Полезные ссылки:

  1. Intel Optane
  2. RAID
  3. AMD StoreMI
  4. enmotus FuzeDrive
  5. Delphi
  6. ROMEX PrimoCache
  7. Статья на Habr об использовании Storage Spaces
  8. Storage Spaces на Microsoft Docs
  9. Описание утилиты DiskSpd и ее репозиторий на GitHub
  10. Использование DiskSpd
  11. Скрипты win10-storage-spaces
  12. Страница на GitHub Joe Freeman-а, автора скриптов по автоматизации
  13. Оригинальная запись блога Nils Schimmelmann-а, который провел изыскания по включение tiered pool в Win10
  14. Настройка политики запуска скриптов в PowerShell
  15. Использование tiering на LVM под Linux при помощи LVM-Cache
  16. Storage Spaces: Understanding Storage Pool Expansion
  17. Cannot Extend Simple Virtual Disk in Windows Server 2012 R2
  18. Storage Spaces: Understanding Storage Pool Expansion
  19. ReadyBoost


Добавить комментарий