[XF 專題] 搭載 ZFS 檔案系統,QNAP 全新作業系統 QuTS hero 全面睇

- 18座大王 - 2020-11-16

QuTS hero 功能特色

QNAP QuTS hero 作業系統當然並不是單純改用 ZFS 檔案系統這麼簡單,除了原生 ZFS 提供的進階功能外,QNAP 也額外地基於 ZFS 檔案系統上自行實作更多的進階功能,進一步強化空間使用率、寫入效率等,也為用家提供更彈性的設定,讓用家能更深入的設定整套儲存系統,也使 QuTS hero 更能切合企業用戶的需求。

支援 Inline Data Compaction 資料縮減技術

除了在前文提到兩大 ZFS 資料縮減技術「在線資料壓縮」(Inline Data Compression) 及「在線重複資料刪減」(Inline Data Deduplication) 外,QNAP 還為 QuTS hero 加入「在線資料壓實」(Inline Data Compaction) 技術,進一步把資料減量,節省儲存空間。當數據寫入時,系統會先把數據壓縮,因數據壓縮後往往都未能用盡一整個區塊空間(一般是 4KB),這時候「在線資料壓實」技術就能把細小的數據合併到同一區塊,即用最少的區塊塞入最多的數據,提升空間利用率。在「在線資料壓實」步驟完成後,會再執行「在線重複資料刪減」,達到最佳的儲存效率。

Compression、Compaction、Deduplication 運作示意圖

Write Coalescing 演算法強化隨機寫入效能

除了「在線資料壓縮」(Inline Data Compression) 、「在線資料壓實」(Inline Data Compaction) 及「在線重複資料刪減」(Inline Data Deduplication) 技術可以透過減低數據寫入量來節省相對昂貴 SSD 的儲存空間及延長 SSD 的壽命外,QNAP 還加入了寫入聚合 (Write Coalescing) 演算法來強化隨機讀寫性能。當出現隨機讀寫 I/O 時,QuTS hero 會針對隨機寫入的數據進行循序整理,並合併寫入區塊,進而減少 I/O 數量。讓系統對 SSD 的隨機寫入行為將大幅降低,不僅可顯著提升 SSD 的寫入效能,還可以降低 SSD 寫入放大 (Write Amplification) 的負面影響,對 SSD 的耐用性與使用壽命帶來正面影響。

Write Coalescing 運作原理

QSAL (QNAP SSD Antiwear Leveling) 專利技術防止 SSD 同時損壞

不少用家都會為儲存系統導入 SSD 來增加存取速度,但因 SSD 的先天性限制,NAND Flash 存在著寫入次數上限,當 SSD 數據寫入量達到 NAND Flash 寫入次數上限後,SSD 就會損壞,危及資料安全。在 SSD 成本持續降低下,有不少對效能有要求的用家會導入全快閃(All Flash)儲存系統,在 SSD 數量眾多的情況下,難免需要配搭 RAID 5 / 6 / 50 / 60 / TP 使用,假如有數個 SSD 同時損壞,又或是在 RAID 重建過程中有更多的 SSD 損壞,整組 RAID 群組就會離線,造成災難性的結果。QuTS hero 透過 QSAL (QNAP SSD Antiwear Leveling) 專利技術,以專利演算法會自動定期偵測 SSD 壽命與耐用度,再從各個 SSD 中動態調配超額預留空間(Over Provisioning),故意把更多數據寫進某幾個 SSD,讓單隻 SSD 提早到達壽命終點,提供時間讓系統可以在下一個 SSD 損壞前完整 RAID 重建工作,避免因 SSD 同時間損壞而造成災難,雖然這個技術在啟用後會對效能造成輕微負面影響,但整體而言能提高資料保護性,讓用家用得更安心。

QNAP QSAL 專利動憑分布技術,能錯開 SSD 損壞時間,提供一個安全的 Rebuild Window

Storage Pool Over Provisioning 以容量換取效能

跟所有採用 COW (Copy On Write, 寫入時複製) 為基礎的檔案系統一樣,因每次修改數據都是寫在空白的地方,完成更新 Metadata 後才釋放舊區塊,會讓儲存空間可能出現碎片化的情況。尤其是當儲存空間不足時,系統會因可用空間過度零碎,沒有足夠的連續空白區塊寫入數據而對影響效能表現。為解決這個問題,QuTS hero 引入儲存池超額配置 (Storage Pool Over Provisioning) 功能,讓用家可以在儲存池保留部分空間,確保在儲存池有足夠的連續空白區塊供數據寫入,即是以儲存空間作為代價,換取更佳及更穩定的效能表現。同時,也因更多儲存空間被保留,當你使用 SSD 作為儲存空間,這樣也可以降低寫入放大的負面影響,延長 SSD 的壽命。

Pool Over-provisioning 示意圖,預留連續的大區塊作寫入,避免破碎化

SnapSync 區塊層級數據同步

受惠於採用 ZFS 檔案系統,QNAP 基於 ZFS 為 QuTS hero 開發出 SnapSync 數據同步功能,作為備份、數據保護和災難恢復解決方案。SnapSync 功能需要兩台採用 QNAP QuTS hero 或 QES 作業系統的 QNAP NAS,透過設定對應的共用資料夾或 LUN ,即可啟用 SnapSync 數據同步功能,把兩邊的共用資料夾及 LUN 進行鏡像同步,以便有問題出現時可以立即進行轉移,維持服務正常。

SnapSync 是區塊層級的數據同步功能,他只會傳輸已被修改的區塊進行同步,並不會傳送相同的數據,以節省頻寬,也縮短了同步所需的時間,以更有效率的方式完成同步任務。但要注意,SnapSync 備份目的地(即備援 NAS )會自動設定為唯讀模式,如果是 LUN 的話也無法被 iSCSI initator 掛載,直到 SnapSync 任務被解除。因此,假如需要進行故障轉移,只需要把備份用的 QNAP NAS 解除 SnapSync 同步任務,即可以轉換為正常讀寫模式,即可立即把備份機器上線維持服務。

除了排程同步模式外,SnapSync 更支援即時同步 (Real-Time SnapSync) 模式,讓兩台 NAS 的數據維修在同步狀態,讓重要的數據可以在最短的時間更新到備援 NAS ,達到最新及最完整的備份,確保企業的服務不會被中斷。

Real-Time SnapSync 即時快照同步功能讓每一次寫入主要 NAS 的新資料皆即時同步到備援 NAS,使主要 NAS 與備援 NAS 達到 1 : 1 的資料完全同步

Storage QoS 確保關鍵應用效能

QuTS hero 也將會跟 QNAP 企業級作業系統 QES 一樣支援 Storage QoS (Quality of Service) 功能,在儲存系統在同一時間被多個應用程式存取時,能透過針對個別共用資料夾及 LUN 設定的 I/O 資源限制,妥善分配效能資源,確保對效能有需求的應用程式及關鍵的應用程式有足夠的效能,避免相鄰干擾 (Noisy Neighbor) 影響效能和穩定性。

透過 Storage QoS 功能,可以確保關鍵應用有足夠的 I/O 效能

  1. 第1頁 : QNAP NAS 作業系統一覽
  2. 第2頁 : ZFS 檔案系統主要功能特色
  3. 第3頁 : QuTS hero 功能特色
  4. 第4頁 : NAS 作業系統比較