Izgradnja skalabilnih i pouzdanih sustava za pohranu: Sveobuhvatan vodič

U današnjem svijetu vođenom podacima, sposobnost pohrane, upravljanja i pristupa ogromnim količinama informacija ključna je za organizacije svih veličina. Od malih startupova do multinacionalnih korporacija, potreba za robusnim i skalabilnim sustavima za pohranu je najvažnija. Ovaj sveobuhvatni vodič istražuje principe, arhitekture, tehnologije i najbolje prakse za izgradnju rješenja za pohranu koja mogu zadovoljiti sve veće zahtjeve modernih aplikacija i radnih opterećenja. Pokrit ćemo različite aspekte, osiguravajući da čitatelji s različitim tehničkim pozadinama mogu shvatiti osnovne koncepte i primijeniti ih na svoje specifične potrebe.

Razumijevanje osnova sustava za pohranu

Prije nego što zaronimo u specifičnosti izgradnje sustava za pohranu, bitno je razumjeti temeljne koncepte i terminologiju. Ovaj odjeljak pokrit će ključne komponente i karakteristike koje definiraju sustav za pohranu.

Ključne komponente sustava za pohranu

• Mediji za pohranu: Fizički medij koji se koristi za pohranu podataka, kao što su tvrdi diskovi (HDD), solid-state diskovi (SSD) i magnetske trake. Izbor medija ovisi o faktorima kao što su trošak, performanse i trajnost.
• Kontroleri za pohranu: Sučelje između medija za pohranu i glavnog sustava. Kontroleri upravljaju pristupom podacima, ispravljanjem pogrešaka i drugim operacijama niske razine. Primjeri uključuju RAID kontrolere, SAS kontrolere i SATA kontrolere.
• Mrežna infrastruktura: Mrežna infrastruktura koja povezuje sustav za pohranu s glavnim sustavima. Uobičajene mrežne tehnologije uključuju Ethernet, Fibre Channel i InfiniBand. Izbor ovisi o zahtjevima za propusnošću i ograničenjima latencije.
• Softver za pohranu: Softver koji upravlja sustavom za pohranu, uključujući operativne sustave, datotečne sustave, upravitelje volumena i alate za upravljanje podacima. Ovaj softver pruža značajke kao što su zaštita podataka, replikacija i kontrola pristupa.

Ključne karakteristike sustava za pohranu

• Kapacitet: Ukupna količina podataka koju sustav za pohranu može držati, mjerena u bajtovima (npr. terabajti, petabajti).
• Performanse: Brzina kojom se podaci mogu čitati i pisati u sustav za pohranu, mjerena u I/O operacijama u sekundi (IOPS) i propusnosti (MB/s).
• Pouzdanost: Sposobnost sustava za pohranu da radi bez kvarova i da štiti podatke od gubitka ili oštećenja. Mjeri se metrikama kao što je Srednje vrijeme između kvarova (MTBF).
• Dostupnost: Postotak vremena u kojem je sustav za pohranu operativan i dostupan. Sustavi visoke dostupnosti dizajnirani su da minimiziraju vrijeme zastoja.
• Skalabilnost: Sposobnost sustava za pohranu da raste u kapacitetu i performansama prema potrebi. Skalabilnost se može postići tehnikama kao što su dodavanje više medija za pohranu, nadogradnja kontrolera ili distribucija sustava za pohranu na više čvorova.
• Trošak: Ukupni trošak vlasništva (TCO) sustava za pohranu, uključujući hardver, softver, održavanje i operativne troškove.
• Sigurnost: Sposobnost zaštite podataka od neovlaštenog pristupa i izmjena, uključujući kontrole pristupa, enkripciju i maskiranje podataka.
• Upravljivost: Lakoća s kojom se sustavom za pohranu može upravljati, nadzirati i održavati, uključujući značajke kao što su daljinsko upravljanje, automatizacija i izvještavanje.

Arhitekture pohrane: Odabir pravog pristupa

Različite arhitekture pohrane nude različite kompromise u pogledu performansi, skalabilnosti, pouzdanosti i troškova. Razumijevanje ovih arhitektura ključno je za odabir pravog rješenja za danu aplikaciju ili radno opterećenje.

Izravno priključena pohrana (DAS)

DAS je tradicionalna arhitektura pohrane gdje su uređaji za pohranu izravno povezani s glavnim poslužiteljem. Ovo je jednostavno i isplativo rješenje za implementacije malog opsega, ali mu nedostaju mogućnosti skaliranja i dijeljenja.

Prednosti DAS-a:

• Jednostavno za postavljanje i upravljanje
• Niska latencija
• Isplativo za male implementacije

Nedostaci DAS-a:

• Ograničena skalabilnost
• Nema mogućnosti dijeljenja
• Jedna točka kvara
• Teško za upravljanje u velikim okruženjima

Mrežno priključena pohrana (NAS)

NAS je arhitektura pohrane na razini datoteka gdje su uređaji za pohranu povezani na mrežu, a klijenti im pristupaju koristeći protokole za dijeljenje datoteka kao što su NFS (Network File System) i SMB/CIFS (Server Message Block/Common Internet File System). NAS pruža centraliziranu pohranu i mogućnosti dijeljenja, što ga čini pogodnim za posluživanje datoteka, sigurnosno kopiranje i arhiviranje.

Prednosti NAS-a:

• Centralizirana pohrana i dijeljenje
• Jednostavno za upravljanje
• Relativno niski trošak
• Dobro za posluživanje datoteka i sigurnosno kopiranje

Nedostaci NAS-a:

• Ograničene performanse za aplikacije s visokim zahtjevima
• Može biti usko grlo za mrežni promet
• Manje fleksibilno od SAN-a

Mreža za pohranu podataka (SAN)

SAN je arhitektura pohrane na razini blokova gdje su uređaji za pohranu povezani na namjensku mrežu, a poslužitelji im pristupaju koristeći protokole na razini blokova kao što su Fibre Channel (FC) i iSCSI (Internet Small Computer System Interface). SAN pruža visoke performanse i skalabilnost, što ga čini pogodnim za zahtjevne aplikacije kao što su baze podataka, virtualizacija i video uređivanje.

Prednosti SAN-a:

• Visoke performanse
• Skalabilnost
• Fleksibilnost
• Centralizirano upravljanje

Nedostaci SAN-a:

• Složeno za postavljanje i upravljanje
• Visoki trošak
• Zahtijeva specijalizirano znanje

Objektna pohrana

Objektna pohrana je arhitektura pohrane gdje se podaci pohranjuju kao objekti, a ne kao datoteke ili blokovi. Svaki objekt identificiran je jedinstvenim ID-om i sadrži metapodatke koji opisuju objekt. Objektna pohrana je visoko skalabilna i trajna, što je čini pogodnom za pohranu velikih količina nestrukturiranih podataka, kao što su slike, videozapisi i dokumenti. Usluge pohrane u oblaku poput Amazon S3, Google Cloud Storage i Azure Blob Storage temelje se na objektnoj pohrani.

Prednosti objektne pohrane:

• Visoka skalabilnost
• Visoka trajnost
• Isplativo za velike količine podataka
• Dobro za nestrukturirane podatke

Nedostaci objektne pohrane:

• Nije pogodno za transakcijska radna opterećenja
• Ograničene performanse za male objekte
• Zahtijeva specijalizirane API-je

Hiperkonvergirana infrastruktura (HCI)

HCI je konvergirana infrastruktura koja kombinira računalne, pohranjivačke i mrežne resurse u jedan, integrirani sustav. HCI pojednostavljuje upravljanje i implementaciju, što ga čini pogodnim za virtualizirana okruženja i privatne oblake. Obično koristi softverski definiranu pohranu (SDS) kako bi apstrahirala temeljni hardver i pružila značajke kao što su zaštita podataka, replikacija i deduplikacija.

Prednosti HCI-ja:

• Pojednostavljeno upravljanje
• Skalabilnost
• Isplativo za virtualizirana okruženja
• Integrirana zaštita podataka

Nedostaci HCI-ja:

• Vezanost za jednog dobavljača (Vendor lock-in)
• Ograničena fleksibilnost
• Može biti skuplje od tradicionalne infrastrukture za određena radna opterećenja

Tehnologije pohrane: Odabir pravih medija i protokola

Odabir medija za pohranu i protokola igra ključnu ulogu u određivanju performansi, pouzdanosti i troškova sustava za pohranu.

Mediji za pohranu

• Tvrdi diskovi (HDD): HDD-ovi su tradicionalni uređaji za pohranu koji koriste magnetske ploče za pohranu podataka. Nude veliki kapacitet po relativno niskoj cijeni, ali imaju sporije performanse u usporedbi sa SSD-ovima. HDD-ovi su pogodni za pohranu velikih količina podataka kojima se ne pristupa često, kao što su arhive i sigurnosne kopije.
• Solid-State diskovi (SSD): SSD-ovi su uređaji za pohranu koji koriste flash memoriju za pohranu podataka. Nude puno brže performanse od HDD-ova, ali su skuplji po gigabajtu. SSD-ovi su pogodni za aplikacije koje zahtijevaju visoke performanse, kao što su baze podataka, virtualizacija i video uređivanje.
• NVMe (Non-Volatile Memory Express): NVMe je protokol sučelja za pohranu dizajniran posebno za SSD-ove. Nudi još veće performanse od tradicionalnih SATA i SAS sučelja. NVMe SSD-ovi idealni su za aplikacije koje zahtijevaju najnižu moguću latenciju.
• Magnetska traka: Magnetska traka je medij za pohranu sa sekvencijalnim pristupom koji se koristi za arhiviranje i dugoročno zadržavanje podataka. Traka je vrlo isplativa za pohranu velikih količina podataka kojima se rijetko pristupa.

Protokoli za pohranu

• SATA (Serial ATA): SATA je standardno sučelje za povezivanje HDD-ova i SSD-ova s računalnim sustavom. To je relativno jeftino sučelje s dobrim performansama za općenite primjene.
• SAS (Serial Attached SCSI): SAS je sučelje visokih performansi za povezivanje HDD-ova i SSD-ova s računalnim sustavom. Nudi veću propusnost i naprednije značajke od SATA.
• Fibre Channel (FC): Fibre Channel je mrežna tehnologija velike brzine koja se koristi za povezivanje poslužitelja s uređajima za pohranu u SAN-u. Nudi vrlo nisku latenciju i veliku propusnost.
• iSCSI (Internet Small Computer System Interface): iSCSI je protokol koji omogućuje poslužiteljima pristup uređajima za pohranu putem IP mreže. To je isplativa alternativa Fibre Channelu.
• NVMe over Fabrics (NVMe-oF): NVMe-oF je protokol koji omogućuje poslužiteljima pristup NVMe SSD-ovima preko mreže. Nudi vrlo nisku latenciju i veliku propusnost. Uobičajene mreže uključuju Fibre Channel, RoCE (RDMA over Converged Ethernet) i TCP.
• NFS (Network File System): NFS je protokol za dijeljenje datoteka koji omogućuje klijentima pristup datotekama pohranjenim na udaljenom poslužitelju putem mreže. Često se koristi u NAS sustavima.
• SMB/CIFS (Server Message Block/Common Internet File System): SMB/CIFS je protokol za dijeljenje datoteka koji omogućuje klijentima pristup datotekama pohranjenim na udaljenom poslužitelju putem mreže. Često se koristi u Windows okruženjima.
• HTTP/HTTPS (Hypertext Transfer Protocol/Secure Hypertext Transfer Protocol): Protokoli koji se koriste za pristup objektnoj pohrani putem API-ja.

Zaštita podataka i pouzdanost: Osiguravanje integriteta podataka

Zaštita podataka i pouzdanost ključni su aspekti dizajna sustava za pohranu. Robusna strategija zaštite podataka ključna je za sprječavanje gubitka podataka i osiguravanje kontinuiteta poslovanja.

RAID (Redundant Array of Independent Disks)

RAID je tehnologija koja kombinira više fizičkih diskova u jednu logičku jedinicu kako bi se poboljšale performanse, pouzdanost ili oboje. Različite RAID razine nude različite kompromise između performansi, redundancije i troškova.

• RAID 0 (raspršivanje): RAID 0 raspršuje podatke na više diskova, poboljšavajući performanse, ali ne pružajući redundanciju. Ako jedan disk zakaže, svi podaci su izgubljeni.
• RAID 1 (zrcaljenje): RAID 1 duplicira podatke na dva ili više diskova, pružajući visoku redundanciju. Ako jedan disk zakaže, podaci su i dalje dostupni na drugom disku. Međutim, RAID 1 je manje učinkovit u pogledu kapaciteta pohrane.
• RAID 5 (raspršivanje s paritetom): RAID 5 raspršuje podatke na više diskova i dodaje informacije o paritetu, što omogućuje sustavu da se oporavi od kvara jednog diska. RAID 5 nudi dobar omjer između performansi, redundancije i kapaciteta pohrane.
• RAID 6 (raspršivanje s dvostrukim paritetom): RAID 6 je sličan RAID-u 5, ali dodaje dva paritetna bloka, omogućujući sustavu da se oporavi od kvara dva diska. RAID 6 pruža veću redundanciju od RAID-a 5.
• RAID 10 (RAID 1+0, zrcaljenje i raspršivanje): RAID 10 kombinira zrcaljenje i raspršivanje, pružajući visoke performanse i visoku redundanciju. Zahtijeva najmanje četiri diska.

Sigurnosno kopiranje i oporavak

Sigurnosno kopiranje i oporavak ključne su komponente strategije zaštite podataka. Sigurnosne kopije trebale bi se redovito izrađivati i pohranjivati na odvojenoj lokaciji kako bi se zaštitile od gubitka podataka zbog kvara hardvera, oštećenja softvera ili ljudske pogreške. Postupci oporavka trebali bi biti dobro definirani i testirani kako bi se osiguralo da se podaci mogu brzo i učinkovito vratiti u slučaju katastrofe.

Vrste sigurnosnih kopija:

• Potpuna sigurnosna kopija: Potpuna sigurnosna kopija kopira sve podatke na medij za sigurnosno kopiranje.
• Inkrementalna sigurnosna kopija: Inkrementalna sigurnosna kopija kopira samo podatke koji su se promijenili od posljednje potpune ili inkrementalne sigurnosne kopije.
• Diferencijalna sigurnosna kopija: Diferencijalna sigurnosna kopija kopira sve podatke koji su se promijenili od posljednje potpune sigurnosne kopije.

Replikacija

Replikacija je tehnologija koja kopira podatke s jednog sustava za pohranu na drugi, pružajući redundanciju podataka i mogućnosti oporavka od katastrofe. Replikacija može biti sinkrona ili asinkrona.

• Sinkrona replikacija: Sinkrona replikacija istovremeno zapisuje podatke i na primarni i na sekundarni sustav za pohranu, osiguravajući da su podaci uvijek konzistentni. Međutim, sinkrona replikacija može utjecati na performanse zbog povećane latencije.
• Asinkrona replikacija: Asinkrona replikacija prvo zapisuje podatke na primarni sustav za pohranu, a zatim ih kasnije replicira na sekundarni sustav za pohranu. Asinkrona replikacija ima manji utjecaj na performanse, ali može doći do kašnjenja u sinkronizaciji podataka.

Kodiranje s brisanjem (Erasure Coding)

Kodiranje s brisanjem je metoda zaštite podataka koja se često koristi u sustavima objektne pohrane za pružanje visoke trajnosti. Umjesto jednostavne replikacije, kodiranje s brisanjem dijeli podatke na fragmente, izračunava paritetne fragmente i pohranjuje sve fragmente na različite čvorove za pohranu. To omogućuje sustavu da rekonstruira originalne podatke čak i ako se neki fragmenti izgube.

Skalabilnost i optimizacija performansi

Skalabilnost i performanse ključna su razmatranja pri dizajniranju sustava za pohranu. Sustav bi trebao biti u stanju nositi se s rastućim količinama podataka i rastućim radnim opterećenjima bez ugrožavanja performansi.

Horizontalno skaliranje vs. vertikalno skaliranje

• Horizontalno skaliranje (Scale-Out): Horizontalno skaliranje uključuje dodavanje više čvorova u sustav za pohranu radi povećanja kapaciteta i performansi. Ovaj se pristup obično koristi u distribuiranim sustavima za pohranu i sustavima objektne pohrane.
• Vertikalno skaliranje (Scale-Up): Vertikalno skaliranje uključuje nadogradnju postojećeg sustava za pohranu s moćnijim hardverom, kao što su brži procesori, više memorije ili više medija za pohranu. Ovaj se pristup obično koristi u SAN i NAS sustavima.

Predmemoriranje (Caching)

Predmemoriranje je tehnika koja pohranjuje često pristupačne podatke u brzi sloj za pohranu, kao što su SSD-ovi ili memorija, radi poboljšanja performansi. Predmemoriranje se može implementirati na različitim razinama, uključujući kontroler za pohranu, operativni sustav i aplikaciju.

Slojevitost (Tiering)

Slojevitost je tehnika koja automatski premješta podatke između različitih slojeva za pohranu na temelju učestalosti pristupa. Često pristupačni podaci pohranjuju se na bržim, skupljim slojevima za pohranu, dok se rijetko pristupačni podaci pohranjuju na sporijim, jeftinijim slojevima za pohranu. To optimizira troškove i performanse sustava za pohranu.

Deduplikacija podataka

Deduplikacija podataka je tehnika koja eliminira redundantne kopije podataka kako bi se smanjili zahtjevi za kapacitetom pohrane. Često se koristi u sustavima za sigurnosno kopiranje i arhiviranje.

Kompresija

Kompresija podataka je tehnika koja smanjuje veličinu podataka radi uštede prostora za pohranu. Često se koristi u sustavima za sigurnosno kopiranje i arhiviranje.

Pohrana u oblaku: Korištenje snage oblaka

Pohrana u oblaku postala je sve popularnija opcija za organizacije svih veličina. Pružatelji usluga pohrane u oblaku nude širok raspon usluga pohrane, uključujući objektnu pohranu, blokovnu pohranu i datotečnu pohranu.

Prednosti pohrane u oblaku:

• Skalabilnost: Pohrana u oblaku može se lako povećavati ili smanjivati prema potrebi.
• Isplativost: Pohrana u oblaku može biti isplativija od lokalne pohrane, posebno za organizacije s promjenjivim potrebama za pohranom.
• Dostupnost: Pohrani u oblaku može se pristupiti s bilo kojeg mjesta s internetskom vezom.
• Pouzdanost: Pružatelji usluga pohrane u oblaku nude visoke razine pouzdanosti i zaštite podataka.

Vrste pohrane u oblaku:

• Objektna pohrana: Objektna pohrana je visoko skalabilna i trajna usluga pohrane koja je idealna za pohranu nestrukturiranih podataka, kao što su slike, videozapisi i dokumenti. Primjeri uključuju Amazon S3, Google Cloud Storage i Azure Blob Storage.
• Blokovna pohrana: Blokovna pohrana je usluga pohrane koja pruža pristup podacima na razini blokova. Pogodna je za zahtjevne aplikacije poput baza podataka i virtualnih strojeva. Primjeri uključuju Amazon EBS, Google Persistent Disk i Azure Managed Disks.
• Datotečna pohrana: Datotečna pohrana je usluga pohrane koja pruža pristup podacima na razini datoteka. Pogodna je za dijeljenje datoteka i suradnju. Primjeri uključuju Amazon EFS, Google Cloud Filestore i Azure Files.

Razmatranja za pohranu u oblaku:

• Sigurnost podataka: Osigurajte da pružatelj usluga pohrane u oblaku nudi odgovarajuće sigurnosne mjere za zaštitu vaših podataka.
• Usklađenost podataka: Osigurajte da pružatelj usluga pohrane u oblaku poštuje relevantne propise o privatnosti podataka.
• Troškovi prijenosa podataka: Budite svjesni troškova prijenosa podataka povezanih s premještanjem podataka u i iz oblaka.
• Vezanost za dobavljača (Vendor Lock-in): Budite svjesni potencijalne vezanosti za dobavljača prilikom korištenja usluga pohrane u oblaku.

Upravljanje podacima i nadzor

Učinkovito upravljanje podacima i nadzor ključni su za osiguravanje kvalitete, integriteta i sigurnosti podataka pohranjenih u sustavima za pohranu. To uključuje politike i procese za kontrolu pristupa, zadržavanja i zbrinjavanja podataka.

Upravljanje životnim ciklusom podataka

Upravljanje životnim ciklusom podataka (DLM) je proces koji upravlja protokom podataka od njihovog stvaranja do konačnog zbrinjavanja. DLM pomaže organizacijama da optimiziraju troškove pohrane, poboljšaju sigurnost podataka i usklade se s propisima o zadržavanju podataka. Često uključuje slojevitost podataka na temelju njihove starosti i učestalosti pristupa, premještajući starije podatke na jeftinije slojeve za pohranu.

Upravljanje podacima (Data Governance)

Upravljanje podacima je skup politika, procesa i standarda koji reguliraju upravljanje i korištenje podataka. Upravljanje podacima pomaže organizacijama da osiguraju da su podaci točni, dosljedni i pouzdani. Također pomaže u zaštiti privatnosti podataka i usklađivanju s propisima o podacima. Ključni aspekti uključuju:

• Kvaliteta podataka: Osiguravanje točnosti, potpunosti, dosljednosti i pravovremenosti podataka.
• Sigurnost podataka: Zaštita podataka od neovlaštenog pristupa, izmjene i uništenja.
• Privatnost podataka: Usklađenost s propisima o privatnosti podataka, kao što su GDPR i CCPA.
• Usklađenost podataka: Usklađenost s relevantnim industrijskim propisima i standardima.

Upravljanje metapodacima

Metapodaci su podaci o podacima. Učinkovito upravljanje metapodacima ključno je za razumijevanje, organiziranje i pristupanje podacima pohranjenim u sustavima za pohranu. Upravljanje metapodacima uključuje definiranje standarda metapodataka, prikupljanje metapodataka i korištenje metapodataka za pretraživanje i dohvaćanje podataka. Uobičajeni primjeri uključuju nazive datoteka, datume stvaranja, datume izmjene, veličine datoteka i informacije o autoru.

Nadolazeći trendovi u sustavima za pohranu

Industrija pohrane neprestano se razvija. Evo nekih od nadolazećih trendova u sustavima za pohranu:

Računalna pohrana

Računalna pohrana je tehnologija koja integrira mogućnosti obrade izravno u uređaj za pohranu. To omogućuje da se obrada podataka izvodi bliže podacima, smanjujući latenciju i poboljšavajući performanse. Aplikacije poput strojnog učenja i analitike podataka mogu imati velike koristi od računalne pohrane.

Postojana memorija

Postojana memorija je nova vrsta memorije koja kombinira brzinu DRAM-a s postojanošću NAND flash memorije. Postojana memorija nudi vrlo nisku latenciju i veliku propusnost, što je čini pogodnom za zahtjevne aplikacije poput baza podataka i računarstva u memoriji. Primjeri uključuju Intel Optane DC Persistent Memory.

Softverski definirana pohrana (SDS)

Softverski definirana pohrana (SDS) je arhitektura pohrane koja apstrahira hardver za pohranu od softvera za pohranu. SDS omogućuje organizacijama da fleksibilnije i učinkovitije upravljaju resursima za pohranu. Omogućuje značajke kao što su automatizirano dodjeljivanje resursa, slojevitost podataka i replikacija, neovisno o temeljnom hardveru.

Sastavljiva infrastruktura

Sastavljiva infrastruktura je fleksibilna infrastruktura koja omogućuje organizacijama da dinamički dodjeljuju računalne, pohranjivačke i mrežne resurse kako bi zadovoljile potrebe specifičnih aplikacija. To omogućuje organizacijama da optimiziraju korištenje resursa i smanje troškove.

Zaključak

Izgradnja skalabilnih i pouzdanih sustava za pohranu složen je zadatak koji zahtijeva pažljivo planiranje i izvođenje. Razumijevanjem osnova sustava za pohranu, odabirom prave arhitekture i tehnologija te implementacijom učinkovitih strategija zaštite i upravljanja podacima, organizacije mogu izgraditi rješenja za pohranu koja zadovoljavaju njihove trenutne i buduće potrebe. Kako se industrija pohrane nastavlja razvijati, važno je ostati u toku s nadolazećim trendovima i tehnologijama kako bi se osiguralo da vaši sustavi za pohranu ostanu optimizirani za performanse, skalabilnost i isplativost. Ovaj vodič pruža temeljno razumijevanje za IT stručnjake diljem svijeta za izgradnju robusnih i učinkovitih rješenja za pohranu.