Що таке SSD VPS і чим флеш-сховище краще

Що таке SSD VPS?

SSD VPS — це віртуальний приватний сервер, дискове сховище якого працює на флеш-пам’яті, а не на жорсткому диску з обертовими пластинами. SSD означає solid state drive — накопичувач на основі NAND-флеш-мікросхем без рухомих частин усередині. VPS означає virtual private server — ізольований сегмент фізичного хост-сервера, на якому працює власна операційна система. Такий сегмент продається як окремий сервер. Разом ці два поняття означають одне: коли сервер читає блок даних, механічним компонентам не потрібно спочатку переміщуватися.

Це повне визначення. Усе нижче стосується того, чого цей термін не пояснює, оскільки напис «SSD hosting» на сторінці з тарифами майже нічого не говорить про масив сховища, який за ним стоїть.

Якщо ви ще з’ясовуєте, чим VPS відрізняється від звичайної віртуальної машини, спочатку прочитайте про різницю між VPS, VM і VPC.

Чому хостинги вказують швидкість сховища, а не його обсяг

На сторінці тарифу вказано кількість ядер CPU, обсяг пам’яті, розмір диска та пропускну здатність, а потім додається одне слово про диск, яке взагалі не позначає його розмір. Хостинги роблять це тому, що обсяг сховища вже багато років не є найважливішим показником. Два параметри визначають, наскільки швидким здається сервер: IOPS (кількість операцій введення-виведення за секунду) і latency (час повернення результату однієї операції).

Причина полягає в механічній відмінності. Жорсткий диск зберігає дані на обертових пластинах і зчитує їх головкою на рухомому важелі. Щоб дістатися до блока в іншій частині пластини, важіль має виконати пошук, а потім диск має обертатися, доки потрібний сектор не опиниться під головкою. За швидкості 7200 обертів на хвилину половина оберту в середньому займає приблизно 4 ms, а пошук додає ще кілька мілісекунд. У flash-накопичувача немає важеля та пластини, тому зчитування є електричним зверненням і займає десятки мікросекунд.

[
  {
    "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
  }
]

Жорсткий диск зі швидкістю 7200 rpm розрахований приблизно на 125 довільних зчитувань блоків по 4k за секунду, а результат одного такого зчитування повертається приблизно за 8 ms. NVMe-накопичувач розрахований приблизно на 600,000 таких самих зчитувань, кожне з яких займає приблизно 0.08 ms. Показник SATA SSD між ними становить приблизно 90,000. Сприймайте ці значення як порядки величин, а не як відсоток покращення.

Щодо цих даних є два застереження. Це опубліковані характеристики цілих накопичувачів кожного класу, тобто значення з технічних описів виробників, а не результати вимірювань на VPS. Крім того, ви ніколи не отримуєте цілий накопичувач: ваш том є частиною одного пристрою або масиву, що працює поруч з іншими клієнтами на тому самому обладнанні.

Ці два стовпці також відповідають на різні запитання, тому їх потрібно читати разом. Latency — це час очікування однієї операції. IOPS — це кількість операцій, які накопичувач може обробляти одночасно. Flash досягає високих показників IOPS завдяки паралельності: багато мікросхем flash одночасно обробляють багато запитів, а глибока черга підтримує їх завантаженими. Однопотокова програма, яка виконує одне зчитування, чекає на його завершення, а потім виконує наступне, ніколи не досягне максимального показника з цієї таблиці. Вона працює на рівні стовпця latency.

SSD, NVMe, SATA і PCIe: чотири терміни на чотирьох різних рівнях

Покупці плутають ці терміни, оскільки кожен із них описує іншу частину системи.

• SSD — це носій. Дані зберігаються на мікросхемах NAND flash, а не на магнітних пластинах.
• SATA — це інтерфейс, розроблений ще в епоху механічних дисків. Його максимальна швидкість становить 6 Gbit/s, що відповідає приблизно 550 MB/s реальної пропускної здатності, а його черга команд вміщує 32 команди, що очікують виконання.
• NVMe (non-volatile memory express) — це протокол, розроблений спеціально для flash-накопичувачів. Він підтримує багато черг, кожна з яких може містити тисячі команд. Тому кілька ядер CPU можуть одночасно обмінюватися даними з накопичувачем без спільного використання однієї вузької черги.
• PCIe (peripheral component interconnect express) — це шина, через яку працює NVMe. Це той самий тип ліній, до яких підключають графічні карти.

Отже, і SATA SSD, і NVMe SSD зберігають дані на flash-пам’яті. Вони відрізняються інтерфейсом, яким обмінюються даними. SATA SSD все одно значно швидший за будь-який hard disk, але черга на 32 команди обмежує обсяг паралельної роботи, яку він може виконувати, а flash-накопичувачі особливо добре працюють саме з паралельними операціями. Який варіант виправданий для вашого навантаження, залежить від конкретних задач. Це детально розглянуто в матеріалі про вибір між NVMe і SATA SSD.

Локальне сховище чи мережеве сховище?

Під одним словом продаються два дуже різні варіанти.

Локальне сховище означає, що flash-накопичувачі встановлені в тому самому фізичному хості, що й ваш VPS. Запит проходить через PCIe всередині однієї машини та одразу повертається. Саме тому затримка становить десятки мікросекунд.

Мережеве сховище означає, що ваш віртуальний диск розташований в окремому кластері зберігання, часто на базі Ceph або SAN (storage area network), і кожна операція читання та запису проходить через мережу. Провайдери зазвичай називають це «cloud block storage» або «elastic volumes». Flash-накопичувач справжній. Мережевий обмін також додає затримку до кожної операції, тому вона становить сотні мікросекунд або кілька мілісекунд, а не десятки мікросекунд.

Жоден із варіантів не є неправильним. Мережеве сховище переживає відмову хоста, оскільки дані ніколи не зберігалися на цьому хості: провайдер може запустити ваш сервер на іншому обладнанні, а диск буде доступний і там. Локальний NVMe швидший, але прив’язаний до однієї фізичної машини. Тому відмова обладнання означає відновлення з резервної копії. Запитайте, який варіант використовує конкретний тариф. Майже ніхто цього не робить.

Як це відчувається на реальному сервері

Робоче навантаження сервера переважно складається з невеликих довільних операцій читання та запису, а не з довгих послідовних передавань. Тому показник MB/s у рекламному описі є найменш корисним числом на сторінці.

• Фіксація транзакцій у базі даних. База даних, яка гарантує збереження даних, викликає fsync під час фіксації транзакції, а потім очікує, поки накопичувач підтвердить фактичний запис даних. На жорсткому диску це очікування триває мілісекунди, тому невелика база даних обмежена кількома сотнями фіксацій за секунду. На флеш-накопичувачі таке саме очікування триває частки мілісекунди. Саме тут різниця найбільша незалежно від того, використовуєте ви PostgreSQL, MySQL або SQLite як production-базу даних.
• Встановлення пакетів. apt install розпаковує тисячі невеликих файлів і в процесі синхронізує їх із диском. Майже жодна з цих операцій не є послідовною, тому продуктивність обмежується IOPS.
• Завантаження образів контейнерів. docker pull отримує стиснуті шари через мережу, а потім розпаковує їх у тисячі невеликих файлів. Завантаження обмежене пропускною здатністю мережі. Розпакування обмежене продуктивністю диска, і на повільному томі саме його завершення доводиться чекати.
• Завантаження та перезавантаження. Під час запуску зчитуються ядро та initramfs, а потім сотні невеликих unit-файлів і спільних бібліотек, розподілених по тому.

Жодна з цих операцій не є великим послідовним читанням. Том, який передає дані зі швидкістю 500 MB/s, але обробляє лише 3,000 IOPS, усе одно працюватиме повільно під час docker compose pull, оскільки час очікування визначається кількістю файлів, а не кількістю мегабайтів.

Чому напис «SSD cloud hosting» на сторінці з тарифами майже нічого не повідомляє

Це слово описує лише носій. Воно нічого не говорить про інтерфейс, із яким працює накопичувач, і про те, чи розташований він у тій самій машині, що й ваш сервер. Також воно нічого не говорить про максимальну продуктивність, доступну для вашого тарифу.

Саме це обмеження має найбільше значення, але його найрідше вказують у рекламі. Провайдери обмежують IOPS і пропускну здатність кожного тому, оскільки один хост обслуговує багатьох клієнтів, а необмежений сусідній навантажувач може вичерпати ресурси для інших. Обмеження на рівні кількох тисяч IOPS для обладнання, здатного забезпечити сотні тисяч IOPS, є нормальним і прозорим. У описі тарифу воно часто не зазначене. Два тарифи можуть містити слово «SSD», хоча в одному використовується локальний NVMe без обмеження на том, а в іншому — том у спільному кластері з лімітом 3,000 IOPS.

Обмеження бувають двох типів. Постійне обмеження встановлює фіксовану максимальну продуктивність, яка не змінюється. Burst-обмеження дає низький базовий рівень і кредити, що на певний час дають змогу перевищити його. Коли том простоює, кредити відновлюються. Burst-обмеження може показати чудовий результат у п’ятихвилинному тесті, а потім знизити продуктивність до базового рівня посеред імпорту бази даних або великого відновлення. Якщо провайдер указує велике значення, запитайте, як довго його можна підтримувати.

Як перевірити, що насправді надав ваш VPS

Усередині гостьової системи можна побачити лише те, що повідомляє гіпервізор.

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

Замініть vda назвою пристрою lsblk, виведеною для вашого диска. Для ROTA і файла rotational буде прочитано 0, якщо ядру повідомлено, що пристрій не є обертовим, і 1, якщо йому повідомлено протилежне. Віртуальний диск отримує цей прапорець зі значення, яке оголошує гіпервізор, тому він описує віртуальний пристрій, а не фізичне обладнання під ним. MODEL зазвичай порожній для virtio-диска, такого як vda, або містить загальний рядок, наприклад QEMU HARDDISK, на емульованому контролері SATA. Гостьові системи не повинні бачити масив хоста — і не бачать його.

Тому сприймайте цей прапорець лише як орієнтир і вимірюйте решту параметрів. Запустіть тест випадкового читання або запису блоками 4k за допомогою fio для файла на томі, з такою глибиною черги, яку насправді використовує ваш застосунок, і достатньо довго, щоб використати весь burst credit. У матеріалі Як правильно тестувати VPS наведено команди fio та поширені помилки, через які результати здаються кращими, ніж є насправді.

Три запитання, які потрібно поставити провайдеру перед купівлею

1. Сховище локальне для hypervisor чи підключене через мережу? Відповідь визначає мінімальну затримку та те, що станеться з вашими даними в разі відмови фізичного хоста. Провайдер, який відповідає на це прямо, розуміє особливості рішення.
2. Який ліміт IOPS встановлено для мого тому? Попросіть назвати число. «Unlimited» і «enterprise grade» — це не числа. Якщо обмеження справді немає, запитайте, що завадить сусіду на тому самому хості використати весь масив під час резервного копіювання.
3. Цей ліміт є сталим чи burst? Якщо передбачено burst, запитайте базове значення та тривалість burst. Саме з базовим значенням працюватиме ваше нічне завдання, тому планувати потрібно з урахуванням нього.

Чи зношується flash-пам’ять і чи є це вашою проблемою?

Комірки flash-пам’яті витримують обмежену кількість циклів запису, тому для дисків указують ресурс у TBW (terabytes written) або DWPD (drive writes per day). Диск рівномірно розподіляє операції запису між комірками. Це називається wear levelling. Також він зберігає резервні блоки для заміни комірок, що вийшли з ладу. На VPS зношення є проблемою провайдера: він контролює лічильники SMART на власних дисках і замінює обладнання до вичерпання заявленого ресурсу. Ваша проблема існувала ще до появи flash-пам’яті. Диск не є резервною копією. Надлишковість на рівні тому також не є резервною копією, оскільки вона так само точно копіює видалення, як і дані.

Насправді ви обираєте співвідношення ціни та місткості. Flash-пам’ять коштує дорожче за гігабайт, ніж диски з магнітними пластинами, тому тариф із SSD зазвичай пропонує меншу місткість, ніж тариф із жорстким диском за ту саму ціну. Якщо вам потрібен великий обсяг для медіафайлів або архівів, залиште швидкий том невеликим, а основний обсяг розмістіть у дешевшому сховищі. Це також правильна схема для зберігання резервних копій поза сервером. Щоб зрозуміти, як сховище впливає на загальну вартість, у матеріалі скільки насправді коштує VPS розглянуто окремі складові ціни.

FAQ

SSD VPS — це те саме, що й NVMe VPS?

Кожен NVMe VPS є SSD VPS, оскільки NVMe-накопичувачі використовують flash-пам’ять. Зворотне твердження неправильне. План із позначкою "SSD" може використовувати SATA SSD — flash-накопичувач з інтерфейсом, розрахованим на механічні диски, чергою з 32 команд і граничною швидкістю близько 550 MB/s. Обидва варіанти значно швидші за жорсткий диск. Якщо для вашого навантаження ця різниця має значення, уточніть у провайдера, який тип накопичувача використовується в плані, замість того щоб робити висновок із назви плану.

Чи зробить SSD VPS мій вебсайт швидшим?

Він прискорює дискові операції, і лише їх. Сторінка, яка виконує кілька запитів до бази даних на кожен запит користувача, завантажується швидше, оскільки ці запити та їхні операції commit є невеликими операціями випадкового I/O. Сторінка, яку віддають із пам’яті або кешу, під час передавання не звертається до диска, тому зміни будуть мінімальними. Перед оплатою сховища перевірте, яка частина обробки запиту працює повільно.

Як перевірити, чи мій VPS справді використовує SSD-сховище?

Зсередини гостьової системи неможливо перевірити фізичне обладнання. lsblk -d -o NAME,ROTA показує заявлені властивості віртуального пристрою, але це значення визначає гіпервізор, тому 0 є лише ознакою, а не доказом. Практичний спосіб — вимірювання: запустіть fio із навантаженням випадкового читання блоків розміром 4k на кілька хвилин і перегляньте показану затримку. Випадкове читання з однозначною затримкою в мілісекундах вказує на диски з обертовими пластинами або перевантажений мережевий том. Десятки мікросекунд вказують на локальну flash-пам’ять.

Чи мережеве SSD-сховище гірше за локальне NVMe?

Для кожної операції воно повільніше, а відмовляє інакше. Мережева затримка додається до кожного читання та запису, тому затримка вища, хоча обидва варіанти використовують flash-пам’ять. Натомість дані не зберігаються на одному фізичному хості, тому відмова хоста не виводить том з ладу, а snapshots і live migration простіше реалізувати провайдеру. Обирайте локальну flash-пам’ять для бази даних, чутливої до затримок. Обирайте мережеве сховище, якщо збереження тому важливіше за мікросекунди.