O que é um VPS com SSD? Armazenamento flash

O que é um VPS com SSD?

Um VPS com SSD é um servidor privado virtual cujo disco utiliza memória flash em vez de um disco rígido magnético. SSD significa solid state drive: armazenamento baseado em chips de memória flash NAND, sem peças móveis no interior. VPS significa virtual private server: uma parte isolada de um servidor físico, que executa o seu próprio sistema operativo e é disponibilizada como se fosse um servidor completo. Juntando os dois conceitos, o nome promete uma coisa. Quando o servidor lê um bloco de dados, não é necessário mover primeiro nenhum componente mecânico.

Essa é toda a definição. O restante texto explica o que o nome não revela, porque as palavras "alojamento SSD" numa página de preços dizem muito pouco sobre a matriz de armazenamento utilizada.

Se ainda está a perceber em que medida um VPS difere de uma máquina virtual comum, a diferença entre um VPS, uma VM e uma VPC é a página mais indicada para ler primeiro.

Por que os hosts anunciam a velocidade do armazenamento em vez da capacidade

Uma página de planos lista núcleos de CPU, memória, capacidade do disco e largura de banda e depois acrescenta uma palavra sobre o disco que não indica uma capacidade. Os hosts fazem isso porque a capacidade deixou de ser o número mais importante do armazenamento há anos. Os dois números que determinam a capacidade de resposta de um servidor são IOPS (operações de entrada/saída por segundo) e latência (o tempo que uma operação demora a retornar).

A diferença mecânica explica o motivo. Um disco rígido mantém os dados em pratos rotativos e lê-os com uma cabeça montada num braço móvel. Para chegar a um bloco noutra posição do prato, o braço tem de procurar a faixa e depois o disco tem de rodar até o setor correto ficar sob a cabeça. A 7200 rotações por minuto, meia rotação demora em média cerca de 4 ms, e a procura acrescenta mais alguns milissegundos. O armazenamento flash não tem braço nem prato, por isso uma leitura é uma consulta elétrica que retorna em dezenas de microssegundos.

[
  {
    "device": "7200 rpm hard disk",
    "random_read_iops": "125",
    "read_latency_ms": 8
  },
  {
    "device": "SATA SSD",
    "random_read_iops": "90,000",
    "read_latency_ms": 0.15
  },
  {
    "device": "NVMe SSD",
    "random_read_iops": "600,000",
    "read_latency_ms": 0.08
  }
]

Um disco rígido de 7200 rpm tem uma especificação de aproximadamente 125 leituras aleatórias de 4k por segundo, e cada leitura demora cerca de 8 ms a retornar. Uma unidade NVMe tem uma especificação próxima de 600,000 das mesmas leituras, a cerca de 0.08 ms cada. O SSD SATA entre os dois tem uma especificação próxima de 90,000. Interprete estes valores como ordens de grandeza, não como uma percentagem de melhoria.

Há dois avisos sobre estes dados. São especificações publicadas para unidades completas de cada classe. Portanto, são valores das fichas técnicas dos fabricantes, não medições feitas numa VPS. Além disso, nunca recebe uma unidade completa: o seu volume é uma parte de um dispositivo ou de um array, juntamente com os volumes de outros clientes no mesmo hardware.

As duas colunas também respondem a perguntas diferentes, por isso devem ser analisadas em conjunto. A latência é o tempo que espera por uma operação. IOPS é o número de operações que a unidade consegue processar ao mesmo tempo. O armazenamento flash atinge valores elevados de IOPS através de paralelismo, porque muitos chips flash respondem a muitos pedidos em simultâneo enquanto uma fila profunda os mantém ocupados. Um programa de thread único que emite uma leitura, espera por ela e só depois emite a seguinte nunca verá o valor máximo desse gráfico. Verá a coluna da latência.

SSD, NVMe, SATA e PCIe: quatro termos em quatro camadas diferentes

Os compradores confundem estes termos porque cada um descreve uma parte diferente do sistema.

• SSD é o meio de armazenamento. Significa que os dados ficam armazenados em chips de memória flash NAND, e não em pratos magnéticos.
• SATA é uma interface concebida na era dos discos mecânicos. Tem um limite de 6 Gbit/s, o que corresponde a cerca de 550 MB/s de débito real, e a sua fila de comandos suporta 32 comandos pendentes.
• NVMe (non-volatile memory express) é um protocolo criado especificamente para memória flash. Suporta várias filas com milhares de comandos cada uma, permitindo que vários núcleos de CPU comuniquem com a unidade ao mesmo tempo sem partilharem uma única fila estreita.
• PCIe (peripheral component interconnect express) é o barramento sobre o qual o NVMe funciona, do mesmo tipo de vias onde é ligada uma placa gráfica.

Assim, um SSD SATA e um SSD NVMe armazenam ambos os dados em memória flash. A diferença está na interface utilizada. Um SSD SATA continua a ser muito mais rápido do que qualquer disco rígido, mas a fila de 32 comandos limita a quantidade de trabalho paralelo que consegue processar, e o processamento paralelo é precisamente uma das vantagens da memória flash. A escolha que justifica o investimento depende da carga de trabalho, e a decisão entre SSD NVMe e SSD SATA explica essa diferença em detalhe.

Armazenamento flash local ou armazenamento ligado à rede?

Duas arquiteturas muito diferentes são vendidas com a mesma designação.

Armazenamento local significa que as unidades flash estão dentro do mesmo host físico que o seu VPS. Um pedido percorre o PCIe dentro de uma única máquina e regressa diretamente. É assim que a latência se mantém na ordem das dezenas de microssegundos.

Armazenamento ligado à rede significa que o seu disco virtual está num cluster de armazenamento separado, normalmente Ceph ou uma SAN (storage area network), e cada leitura e escrita atravessa a rede para chegar até ele. Os fornecedores costumam chamar-lhe "cloud block storage" ou "elastic volumes". A memória flash é real. O percurso pela rede também é real e é acrescentado a cada operação. Por isso, a latência fica nas centenas altas de microssegundos ou nos poucos milissegundos, em vez de ficar nas dezenas.

Nenhuma das opções é incorreta. O armazenamento ligado à rede sobrevive à falha de um host, porque os dados nunca estiveram nesse host: o fornecedor pode iniciar o seu servidor noutro hardware e o disco acompanha-o. O NVMe local é mais rápido e está associado a uma única máquina física. Por isso, uma falha de hardware nesse local exige uma recuperação a partir de backup. Pergunte qual das opções é usada pelo plano. Quase ninguém o faz.

Como é a diferença num servidor real

O trabalho num servidor consiste sobretudo em pequenas leituras e escritas aleatórias, não em transferências sequenciais longas. Por isso, o valor em MB/s apresentado no material de marketing é o número menos útil da página.

• Commits de bases de dados. Uma base de dados que garante durabilidade chama fsync quando uma transação é confirmada e aguarda que a unidade confirme que os dados foram realmente armazenados. Num disco rígido, essa espera é de milissegundos, o que limita uma base de dados pequena às poucas centenas de commits por segundo. Em armazenamento flash, a mesma espera corresponde a uma fração de milissegundo. É aqui que a diferença é maior, quer use PostgreSQL, MySQL ou SQLite como base de dados de produção.
• Instalações de pacotes. apt install descompacta milhares de ficheiros pequenos e sincroniza-os com o disco à medida que avança. Quase nenhuma dessas operações é sequencial, pelo que o desempenho fica limitado pelos IOPS.
• Transferências de imagens de contentores. docker pull obtém camadas comprimidas através da rede e extrai-as para milhares de ficheiros pequenos. A transferência fica limitada pela rede. A extração fica limitada pelo disco e, num volume lento, é nessa etapa que fica à espera.
• Arranque e reinício. O arranque lê um kernel e um initramfs, seguidos por centenas de ficheiros de unidades e bibliotecas partilhadas dispersos pelo volume.

Nada disso corresponde a uma leitura sequencial de grandes dimensões. Um volume que transmite dados a 500 MB/s mas fornece apenas 3,000 IOPS continuará a parecer lento durante um docker compose pull, porque a espera é contabilizada por ficheiro, não por megabyte.

Por que "alojamento cloud com SSD" numa página de preços quase não informa nada

A expressão descreve o meio de armazenamento e fica por aí. Não informa qual é a interface usada pela unidade, nem se essa unidade está na mesma máquina que o seu servidor. Também não informa qual é o limite que o seu plano pode atingir.

Esse limite é o mais importante e é o menos divulgado. Os fornecedores limitam as IOPS e o débito por volume, porque um único host serve muitos clientes e um vizinho sem limite pode esgotar os recursos dos restantes. Um limite de alguns milhares de IOPS num hardware capaz de centenas de milhares é normal e transparente, mas não aparece na descrição do plano. Dois planos podem indicar "SSD", enquanto um usa NVMe local sem limite por volume e o outro usa um volume partilhado num cluster, limitado a 3,000 IOPS.

Os limites existem em dois formatos. Um limite sustentado é um teto fixo que nunca muda. Um limite de burst fornece uma linha de base baixa e créditos que permitem ultrapassá-la durante algum tempo. Esses créditos são repostos enquanto o volume está inativo. Um limite de burst parece excelente num teste de cinco minutos, mas depois desce para a linha de base a meio de uma importação de base de dados ou de uma restauração grande. Se um fornecedor anunciar um valor elevado, pergunte durante quanto tempo pode mantê-lo.

Como verificar o que o seu VPS realmente disponibiliza

Dentro do guest, só é possível ver o que o hypervisor informa.

lsblk -d -o NAME,ROTA,MODEL,SIZE
cat /sys/block/vda/queue/rotational

Substitua vda pelo nome do dispositivo lsblk apresentado para o seu disco. ROTA e o ficheiro rotational leem 0 quando o kernel recebeu a indicação de que o dispositivo não é rotativo, e 1 quando recebeu a indicação oposta. Um disco virtual define esse sinalizador com base no que o hypervisor anuncia. Por isso, o sinalizador descreve o dispositivo virtual, não o hardware físico subjacente. MODEL normalmente está vazio num disco virtio como vda, ou contém uma cadeia genérica como QEMU HARDDISK num controlador SATA emulado. Os guests não devem conseguir ver a matriz de discos do host, e não conseguem.

Por isso, trate o sinalizador como uma indicação e meça o resto. Execute um teste aleatório de 4k com fio contra um ficheiro no volume, usando a profundidade de fila que a sua aplicação realmente utiliza, e execute-o durante tempo suficiente para consumir qualquer crédito de burst. Como fazer corretamente o benchmark de um VPS contém os comandos do fio e os erros comuns que produzem resultados excessivamente favoráveis.

Três perguntas a fazer ao fornecedor antes de comprar

1. O armazenamento é local ao hypervisor ou está ligado pela rede? A resposta define a latência mínima e determina o que acontece aos seus dados quando um host físico falha. Um fornecedor que responda claramente já pensou no assunto.
2. Qual é o limite de IOPS do meu volume? Peça um número. "Unlimited" e "enterprise grade" não são números. Se não existir realmente um limite, pergunte o que impede um vizinho no mesmo host de consumir todo o array durante a janela de backup.
3. Esse limite é sustentado ou burst? Se existir burst, peça o valor de base e a duração do burst. O valor de base é aquele com que o seu job noturno vai funcionar, por isso é o valor que deve orientar o planeamento.

O flash se desgasta e isso é um problema seu?

As células flash aceitam um número limitado de ciclos de escrita, por isso as unidades publicam uma classificação de resistência em TBW (terabytes escritos) ou DWPD (escritas da unidade por dia). A unidade distribui as escritas uniformemente pelas células. Este processo chama-se nivelamento de desgaste. A unidade também mantém blocos sobressalentes para substituir células que falhem. Numa VPS, o desgaste é um problema do fornecedor: este monitoriza os contadores SMART das próprias unidades e substitui o hardware antes de a classificação de resistência se esgotar. O seu problema é mais antigo do que o flash. Uma unidade não é uma cópia de segurança, e a redundância no volume também não é uma cópia de segurança, porque replica uma eliminação com a mesma fidelidade com que replica os dados.

A escolha que está realmente a fazer é o preço por gigabyte. O flash custa mais por gigabyte do que os discos magnéticos, por isso um plano com SSD normalmente oferece menos capacidade do que um plano com disco rígido pelo mesmo preço. Se precisar de muito espaço para multimédia ou arquivos, mantenha o volume rápido pequeno e coloque o volume de dados num armazenamento mais barato. Esta também é a abordagem adequada para manter as cópias de segurança fora do servidor. Para saber como o armazenamento se integra no resto da fatura, quanto custa realmente uma VPS detalha os itens individuais.

FAQ

Um VPS com SSD é a mesma coisa que um VPS com NVMe?

Todos os VPS com NVMe são VPS com SSD, porque as unidades NVMe usam memória flash. O inverso não se aplica. Um plano anunciado como "SSD" pode usar um SSD SATA, que é memória flash através de uma interface concebida para discos mecânicos, com uma fila de 32 comandos e um limite próximo de 550 MB/s. Ambos são muito mais rápidos do que um disco rígido. Se a diferença for relevante para a sua carga de trabalho, pergunte ao fornecedor qual dos dois o plano utiliza, em vez de tentar deduzir isso pelo nome do plano.

Um VPS com SSD torna o meu site mais rápido?

Torna as operações de disco mais rápidas, e apenas essas operações. Uma página que executa várias consultas à base de dados por pedido fica mais rápida, porque essas consultas e os respetivos commits são operações de E/S aleatórias pequenas. Uma página servida a partir da memória ou de uma cache não acede ao disco durante o envio, por isso a alteração é mínima. Meça qual parte do pedido está lenta antes de pagar por armazenamento para corrigir o problema.

Como posso verificar se o meu VPS utiliza realmente armazenamento SSD?

A partir do guest, não é possível verificar o hardware físico. lsblk -d -o NAME,ROTA mostra o que o dispositivo virtual anuncia, e o hypervisor decide esse valor; por isso, um 0 nesse campo é uma indicação, não uma prova. A verificação prática é fazer uma medição: execute fio com uma carga de trabalho de leitura aleatória de 4k durante vários minutos e analise a latência apresentada. Leituras aleatórias com latência de um único dígito em milissegundos apontam para discos magnéticos ou para um volume de rede congestionado. Latências de dezenas de microssegundos apontam para memória flash local.

O armazenamento SSD ligado por rede é pior do que o NVMe local?

É mais lento por operação e apresenta falhas de forma diferente. O tempo de ida e volta da rede é acrescentado a cada leitura e escrita, por isso a latência é maior, embora ambos utilizem memória flash. Em contrapartida, os seus dados não ficam num único host físico. Assim, uma falha do host não leva o volume consigo, e os snapshots e a migração em direto são mais fáceis para o fornecedor. Escolha memória flash local para uma base de dados sensível à latência. Escolha armazenamento de rede quando a preservação do volume for mais importante do que microssegundos.