Введение

Продукт компьютерного хранения NetApp FAS — это продукт компьютерного хранения от NetApp, работающий под управлением операционной системы ONTAP; термины ONTAP, AFF, ASA, FAS часто используются как синонимы. "Файлер" также используется как синоним, хотя это не официальное название. Существует три типа систем FAS: гибридные, полностью флэш-памяти и All SAN Array:
Фирменные аппаратные устройства NetApp с жесткими дисками HDD или SSD, называемые гибридными хранилищами Fabric Attached Storage (или просто FAS).
Фирменные аппаратные устройства NetApp, оснащенные только SSD-накопителями и оптимизированной ONTAP для минимальной задержки, называемые ALL Flash FAS (или просто AFF).
All SAN Array, построенные на платформе AFF и обеспечивающие подключение только по протоколам SAN. ONTAP может предоставлять хранилище по сети, используя файловые протоколы, такие как NFS и SMB, а также блочные протоколы, такие как SCSI через протокол Fibre Channel в сети Fibre Channel, Fibre Channel over Ethernet (FCoE), iSCSI и транспортный уровень FC NVMe. Системы на базе ONTAP, которые могут обслуживать как протоколы SAN, так и NAS, называются Unified ONTAP, а системы AFF с идентификацией ASA — All SAN. Системы хранения NetApp, работающие под управлением ONTAP, реализуют свое физическое хранилище в больших дисковых массивах. В то время как большинство крупных систем хранения данных реализуются на базе стандартных компьютеров с операционной системой, такой как Microsoft Windows Server, VxWorks или настроенный Linux, аппаратные устройства на базе ONTAP используют высоконастраиваемое оборудование и проприетарную операционную систему Data ONTAP с файловой системой WAFL, изначально разработанные основателями NetApp Дэвидом Хитцем и Джеймсом Лау специально для обслуживания хранилищ данных. ONTAP — это внутренняя операционная система NetApp, специально оптимизированная для функций хранения на высоком и низком уровнях. Она загружается из FreeBSD как автономный модуль ядра и использует некоторые функции FreeBSD (например, интерпретатор команд и стек драйверов). Все аппаратные устройства NetApp на базе ONTAP оснащены энергонезависимой памятью с произвольным доступом или NVDIMM, называемой NVRAM или NVDIMM, что позволяет им быстрее, чем традиционным системам с только энергозависимой памятью, фиксировать записи в стабильное хранилище. Ранние системы хранения данных подключались к внешним дисковым корпусам через параллельный SCSI, в то время как современные модели используют протоколы передачи SCSI по волоконному каналу и SAS (Serial Attach SCSI). В дисковых корпусах (полочках) используются жесткие диски с волоконным каналом, а также параллельные ATA, последовательные ATA и Serial Attached SCSI. Начиная с AFF A800, карта NVRAM PCI больше не используется для NVLOG, она была заменена памятью NVDIMM, подключенной непосредственно к шине памяти. Разработчики часто объединяют две системы хранения в кластер высокой доступности с частным высокоскоростным каналом, таким как Fibre Channel, InfiniBand, 10 Gigabit Ethernet, 40 Gigabit Ethernet или 100 Gigabit Ethernet. Кроме того, такие кластеры можно объединить под единым пространством имен при работе в "кластерном режиме" операционной системы Data ONTAP 8.

Внутренняя архитектура

Современные системы NetApp FAS, AFF или ASA состоят из специализированных компьютеров с процессорами Intel, использующих шину PCI. Каждая система FAS, AFF или ASA оснащена энергонезависимой памятью с произвольным доступом (NVRAM) в виде проприетарного адаптера PCI NVRAM или памяти на основе NVDIMM, для журналирования всех операций записи с целью повышения производительности и восстановления данных из журнала в случае незапланированного отключения питания. Две системы хранения можно объединить в кластер, который NetApp (по состоянию на 2009 год) именует более однозначным термином "Активный/Активный".

Оборудование

Каждая модель системы хранения поставляется с фиксированной конфигурацией процессора, оперативной памяти и энергонезависимой памяти, которую пользователи не могут модернизировать после покупки. За исключением некоторых базовых контроллеров хранения, системы NetApp FAS, ASA и AFF обычно имеют как минимум один слот PCIe для подключения дополнительных сетевых интерфейсов, ленточных накопителей и/или дисков. В июне 2008 года NetApp представила модуль ускорения производительности (или PAM) для оптимизации работы приложений с высокой интенсивностью случайного чтения. Эта опциональная карта устанавливается в слот PCIe и предоставляет дополнительную память (или кэш) между дисками и кэшем системы хранения и системной памятью, тем самым повышая производительность.

АФФ

Все флэш-ФАС, также известные как серия AFF. Как правило, AFF-системы построены на том же аппаратном обеспечении, что и FAS, но первая оптимизирована для работы исключительно с SSD-накопителями, а вторая может использовать HDD и SSD в качестве кэша: например, AFF A700 и FAS9000, A300 и FAS8200, A200 и FAS2600, A220 и FAS2700 используют одинаковое оборудование, однако AFF-системы не комплектуются картами Flash Cache. Кроме того, AFF-системы не поддерживают FlexArray с функциональностью виртуализации массивов хранения сторонних производителей. AFF – это унифицированная система, обеспечивающая подключение по протоколам SAN и NAS. В дополнение к традиционным протоколам SAN и NAS, используемым в системах FAS, AFF поддерживает блочный протокол NVMe/FC для систем с портами FC 32 Гбит/с. AFF и FAS используют единый образ прошивки, и большинство видимых пользователю функций идентичны для обеих систем хранения. Однако внутри ONTAP обработка и управление данными осуществляются по-разному. Например, в AFF-системах применяются отличные от FAS-систем алгоритмы распределения записи. Благодаря более высокой скорости базовых SSD-накопителей в AFF-системах, встроенная дедупликация данных в ONTAP практически незаметна (влияние на производительность составляет около 2% на системах начального уровня).

АСС

Все SAN-массивы, работающие под управлением ONTAP и основанные на платформе AFF, наследуют ее функции и возможности, а обработка и управление данными внутри них идентичны системам AFF. Все остальные аппаратные и программные платформы ONTAP могут быть обозначены как Unified ONTAP, что означает возможность обеспечения унифицированного доступа по протоколам SAN и NAS. Архитектура ONTAP в системах ASA идентична архитектуре FAS и AFF и не имеет изменений. Системы ASA используют то же самое изображение прошивки, что и системы AFF и FAS. ASA по сути является AFF, и единственное различие заключается в доступе к хранилищу по сети с использованием протоколов SAN: ASA обеспечивает симметричный активный/активный доступ к блочным устройствам (LUN или пространствам имен NVMe), в то время как системы Unified ONTAP продолжают использовать ALUA и ANA для блочных протоколов. Изначальная платформа ASA была впервые представлена в 2019 году и перезапущена в мае 2023 года.

Серия С

В феврале 2023 года NetApp представила новую линейку продуктов AFF под кодовым названием C Series. Эта платформа использует четырехбитные ячейки (QLC) NAND-флеш-памяти и предназначена для конкуренции с продуктами на основе QLC, уже представленными на рынке компанией Pure Storage (в частности, FlashArray//C). У серии C более высокая задержка, чем у типичных систем AFF – около 24 миллисекунд против 500 микросекунд у AFF, использующих трехбитные ячейки (TLC). Однако цель платформы – предложить более доступную цену для клиентов, которые в противном случае могли бы отказаться от полностью флеш-систем.

Хранение

NetApp использует дисковые накопители SATA, Fibre Channel, SAS или SSD, которые объединяются в RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks или Redundant Array of Independent Disks) группы до 28 дисков (26 дисков данных и 2 диска четности). Системы хранения NetApp FAS, содержащие только SSD-накопители с установленной ONTAP OS, оптимизированной для SSD, называются All Flash FAS (AFF).

Диски

Системы FAS, ASA и AFF используют жесткие диски и твердотельные накопители корпоративного уровня (т.е. NVMe SSD) с двумя портами, каждый из которых подключен к каждому контроллеру в паре высокой доступности (HA). Жесткие диски и SSD-накопители можно приобретать только у NetApp и устанавливать в дисковые полки NetApp для платформы FAS/AFF. Некоторые полки, такие как D4246, могут быть модернизированы с 6 Гбит/с до 12 Гбит/с с помощью обновления IOM 12. Физические жесткие диски и твердотельные накопители, разделы на них и LUN, импортированные из массивов других производителей с использованием функциональности FlexArray, рассматриваются в ONTAP как диски. В системах SDS, таких как ONTAP Select и ONTAP Cloud, логическое блочное хранилище, такое как виртуальный диск или RDM внутри ONTAP, также считается диском. Не следует путать общий термин "дисковый привод" и термин "диск", используемый в системе ONTAP, поскольку в ONTAP это может быть целый физический жесткий диск или SSD-накопитель, LUN или раздел на физическом жестком диске или SSD-накопителе. LUN, импортированные из массивов других производителей с использованием функциональности FlexArray в конфигурации пары HA, должны быть доступны с обоих узлов пары HA. Каждый диск имеет владельца, указывающего, какой контроллер владеет диском и обслуживает его. Агрегат может включать только диски, принадлежащие одному узлу, поэтому каждый агрегат, принадлежащий узлу, и любые объекты, созданные на его основе, такие как тома FlexVol, LUN и сетевые папки, обслуживаются одним контроллером. Каждый контроллер может иметь собственные диски и агрегировать их, при этом оба узла могут использоваться одновременно, даже если они не обслуживают одни и те же данные.

АДП

Advanced Drive Partitioning (ADP) может использоваться в системах на базе ONTAP в зависимости от платформы и сценария использования. ADP поддерживается только с дисками NetApp Disk Shelves, технология FlexArray не поддерживает ADP. ADP также поддерживается с дисками сторонних производителей в ONTAP Select. Эта технология в основном используется для соблюдения определенных архитектурных требований и уменьшения количества дисков в системах на базе ONTAP. Существуют три типа ADP: разделение корневого раздела; разделение корневого раздела данных (RD2, также известный как ADPv2); пул хранения. Разделение корневого раздела может использоваться в системах FAS и AFF для создания небольших корневых разделов на дисках, чтобы использовать их для создания корневых агрегатов системы и, таким образом, не выделять под это три диска целиком. Большая часть диска в этом случае используется для агрегатов данных. Разделение корневого раздела данных используется только в системах AFF по той же причине, что и разделение корневого раздела, но с той разницей, что большая часть диска, оставшаяся после разделения корневого раздела, делится поровну на два дополнительных раздела, которые обычно назначаются каждому из двух контроллеров. Это позволяет уменьшить минимальное количество дисков, необходимых для системы AFF, и сократить неэффективное использование дорогостоящего SSD-пространства. Технология разделов Storage Pool используется в системах FAS для равномерного разделения каждого SSD-накопителя на четыре части, которые затем могут быть использованы для ускорения кэша FlashPool. При использовании Storage Pool небольшое количество SSD-накопителей может быть разделено на до четырех агрегатов данных, которые смогут воспользоваться преимуществами технологии кэширования FlashCache, уменьшая минимальное необходимое количество SSD-накопителей для этой технологии.

Флэш-пуль

NetApp Flash Pool — это функция гибридных систем NetApp FAS, позволяющая создавать гибридный агрегат с использованием жестких дисков (HDD) и твердотельных накопителей (SSD) в едином агрегате данных. Как HDD, так и SSD формируют отдельные группы RAID. Поскольку SSD также используются для операций записи, им требуется избыточность RAID, в отличие от Flash Cache, но это позволяет использовать различные типы RAID для HDD и SSD; например, можно использовать 20 HDD объемом 8 ТБ в RAID-TEC и 4 SSD объемом 960 ГБ в RAID-DP в одном агрегате. RAID-массив SSD используется в качестве кэша и повышает производительность операций чтения и записи для томов FlexVol в агрегате, где SSD добавлены в качестве кэша. Как и Flash Cache, Flash Pool имеет политики для операций чтения, но также включает политики для операций записи, которые могут применяться отдельно к каждому тому FlexVol, расположенному в агрегате; поэтому его можно отключить для некоторых томов, в то время как другие могут воспользоваться кэшем SSD. FlashCache и FlashPool могут использоваться одновременно для кэширования данных из одного тома FlexVol, чтобы обеспечить работу агрегата с технологией Flash Pool, для чего требуется минимум 4 SSD-диска (2 диска для данных, 1 для четности и 1 горячий запасной). Также можно использовать технологию ADP для разделения SSD на 4 части (Storage Pool) и распределения этих частей между двумя контроллерами, чтобы каждый контроллер мог использовать кэш SSD при небольшом количестве SSD. Flash Pool недоступен с FlexArray и поддерживается только с использованием нативных дисков NetApp FAS в дисковых полках NetApp.

FlexArray (полное соединение)

FlexArray — это функциональность NetApp FAS, позволяющая отображать сторонние системы хранения и другие системы хранения NetApp по протоколам SAN и использовать их вместо дисковых полок NetApp. При использовании функциональности FlexArray защита RAID должна обеспечиваться сторонним массивом хранения, поэтому RAID 4, RAID DP и RAID TEC NetApp не используются в таких конфигурациях. Один или несколько LUN со сторонних массивов могут быть добавлены в единый агрегат аналогично RAID 0. FlexArray — это лицензируемая функция.

Шифрование хранилища NetApp

NetApp Storage Encryption (NSE) использует специализированные диски с аппаратным полнодисковым шифрованием (FDE/SED) низкого уровня, а также поддерживает самозашифрованные диски, сертифицированные по стандарту FIPS. NSE совместим практически со всеми функциями и протоколами NetApp ONTAP, но не поддерживает MetroCluster. Функция NSE практически не оказывает влияния на производительность системы хранения данных. Как и NetApp Volume Encryption (NVE) в системах хранения, работающих под управлением ONTAP, функция NSE позволяет хранить ключи шифрования локально в Onboard Key Manager или на выделенных системах управления ключами с использованием протокола KMIP, таких как IBM Security Key Lifecycle Manager и SafeNet KeySecure. NSE обеспечивает шифрование данных в состоянии покоя, то есть защищает только от физической кражи дисков и не предоставляет дополнительный уровень защиты данных в нормально функционирующей системе. NetApp успешно прошла программу валидации криптографических модулей NIST (NIST Cryptographic Module Validation Program) для NetApp CryptoMod (TPM) в ONTAP 9.2.

Метрокластер

MetroCluster (MC) – это бесплатная функциональность для систем FAS и AFF, обеспечивающая метро-устойчивость с синхронной репликацией между двумя площадками, для которой требуется дополнительное оборудование. Доступна в обоих режимах: 7-Mode (старая ОС) и Cluster Mode (или cDOT – более новая версия ОС ONTAP). MetroCluster в Cluster Mode известен как MCC. MetroCluster использует RAID SyncMirror (RSM) и технологию plex, где на одной площадке диски объединяются в одну или несколько RAID-групп, агрегированных в plex, а на второй площадке имеется такое же количество дисков того же типа и с той же конфигурацией RAID, а также служба репликации конфигураций (CRS) и репликация NVLog. Один plex синхронно реплицируется в другой, совместно с энергонезависимой памятью. Два plex образуют агрегат, в котором хранятся данные, и в случае аварии на одной площадке вторая площадка обеспечивает доступ на чтение и запись к этим данным. MetroCluster поддерживает технологию FlexArray. Конфигурации MetroCluster возможны только с моделями среднего и высокого уровня, которые позволяют установить дополнительные сетевые карты, необходимые для работы MC.

МКК

С MetroCluster можно использовать один или несколько узлов хранения на площадке для формирования кластера или кластеризованного MetroCluster (MCC). Удалённый и локальный узлы высокой доступности (HA) должны быть одной модели. MCC состоит из двух кластеров, каждый из которых расположен на одной из двух площадок. Допускается только две площадки. В конфигурации MCC каждый удалённый и один локальный узел хранения образуют пару Metro HA или аварийного восстановления (DR Pair) между двумя площадками, в то время как два локальных узла (при наличии партнёра) образуют локальную пару HA. Таким образом, каждый узел синхронно реплицирует данные в энергонезависимую память на два узла: один удалённый и один локальный (при наличии). На каждой площадке можно использовать только один узел хранения (два одноузловых кластера), сконфигурированных как MCC. 8-узловой MCC состоит из двух кластеров по 4 узла каждый (2 пары HA), при этом каждый узел хранения имеет только одного удалённого партнёра и только одного локального партнёра HA. В такой конфигурации кластеры на каждой площадке могут состоять из двух разных моделей узлов хранения. Для небольших расстояний MetroCluster требует как минимум одной карты FC VI или более новой карты iWARP на узел. Системы FAS и AFF с версиями программного обеспечения ONTAP 9.2 и более ранними используют карты FC VI, а для больших расстояний требуется 4 выделенных коммутатора Fibre Channel (2 на каждой площадке) и 2 моста FC SAS на каждый стек дисковых полок, то есть минимум 4 моста для 2 площадок и минимум 2 линии ISL с темным волокном с опциональными DWDM для больших расстояний. Объёмы данных, LUN и LIF могут онлайн мигрировать между узлами хранения в кластере только в пределах одной площадки, откуда они были созданы. Невозможно мигрировать отдельные объёмы, LUN или LIF с использованием возможностей кластера между площадками, если не использовать операцию переключения MetroCluster, которая отключает половину кластера на площадке и прозрачно для клиентов и приложений переключает доступ ко всем данным на другую площадку.

MCC-IP

Начиная с ONTAP 9.3, MetroCluster over IP (MCC IP) был представлен без необходимости в выделенных коммутаторах Fibre Channel, мостах FC SAS и выделенных темных волокнах ISL, которые ранее требовались для конфигурации MetroCluster. Первоначально поддержку MCC IP имели только системы A700 и FAS9000. MCC IP доступен только в конфигурациях из 4 узлов: система высокой доступности из 2 узлов на каждом сайте, с двумя сайтами в общей сложности. С ONTAP 9.4 MCC IP поддерживает систему A800 и расшиленное разделение дисков в виде разделения Rood Data Data (RD2), также известного как ADPv2. ADPv2 поддерживается только на полностью флэш-системах. Конфигурации MCC IP поддерживают использование одной полки дисков, где SSD-накопители разделены с помощью ADPv2. MetroCluster over IP требует Ethernet-коммутаторов кластера с установленной ISL и использует карты iWARP в каждом контроллере хранения для синхронной репликации. Начиная с ONTAP 9.5, MCC IP поддерживает расстояния до 700 км и начинает поддерживать функцию SVM DR, AFF A300 и системы FAS8200.

Операционная система

Системы хранения данных NetApp, использующие собственную ОС под названием ONTAP (ранее Data ONTAP). Основная задача операционной системы в системе хранения – предоставлять клиентам доступ к данным бесперебойно, используя необходимые им протоколы, а также обеспечивать дополнительную ценность благодаря функциям, таким как высокая доступность, аварийное восстановление и резервное копирование данных. ОС ONTAP предоставляет функции управления данными корпоративного уровня, такие как FlexClone, SnapMirror, SnapLock, MetroCluster и другие, большинство из которых основаны на возможностях файловой системы WAFL, реализующих технологию снимков.

ВАЛФ

WAFL, как надежная файловая система с возможностью версионного управления в проприетарной ОС NetApp ONTAP, предоставляет снимки, позволяющие конечным пользователям просматривать предыдущие версии файлов в файловой системе. Снимки отображаются в скрытой директории: ~snapshot для Windows (SMB) или snapshot для Unix (NFS). Для любого традиционного или гибкого тома можно создать до 1024 снимков. Снимки доступны только для чтения, однако ONTAP предоставляет дополнительную возможность создания записываемых "виртуальных клонов", основанных на технологии "WAFL снимков", известных как "FlexClones". ONTAP реализует снимки, отслеживая изменения блоков данных на диске между операциями создания снимков. Создание снимков занимает считанные секунды, поскольку требуется лишь скопировать корневой inode файловой системы. Это отличается от снимков, предлагаемых некоторыми другими поставщиками систем хранения, где необходимо копировать каждый блок данных, что может занять много часов.

Предыдущие ограничения

До выхода ONTAP 8 размер отдельных агрегатов был ограничен максимум 2 ТБ для моделей FAS250 и 16 ТБ для всех остальных моделей. Это ограничение размера агрегатов, в сочетании с растущей плотностью дисковых накопителей, ограничивало производительность всей системы. NetApp, как и большинство производителей систем хранения, повышает общую производительность системы, параллелизуя операции записи на диски на множество шпинделей (дисковых накопителей). Диски большой емкости, таким образом, ограничивают количество шпинделей, которые можно добавить в один агрегат, и, следовательно, ограничивают производительность агрегата. Каждый агрегат также имеет накладные расходы на емкость хранения, составляющие примерно 7–11%, в зависимости от типа диска. В системах с большим количеством агрегатов это может привести к потере полезной емкости хранения. Однако эти накладные расходы обусловлены дополнительной контрольной суммой блоков на уровне диска, а также обычными накладными расходами файловой системы, аналогичными тем, что наблюдаются в файловых системах, таких как NTFS или EXT3. Контрольная сумма блоков помогает гарантировать, что ошибки данных на уровне диска не приведут к потере данных. Data ONTAP 8.0 использует новый 64-битный формат агрегатов, который увеличивает максимальный размер FlexVolume примерно до 100 ТБ (в зависимости от платформы хранения) и увеличивает максимальный размер агрегатов до более чем 100 ТБ на новых моделях (в зависимости от платформы хранения), восстанавливая тем самым возможность настройки большого количества шпинделей для повышения производительности и эффективности хранения.