Porovnání vlastností a výkonnosti NAS

Transkript

1 Bankovní institut vysoká škola Praha Katedra informatiky a kvantitativních metod Porovnání vlastností a výkonnosti NAS Diplomová práce Autor: Bc. Daniel Bárta Informační technologie a management Vedoucí práce: Ing. Martin Uher Praha Duben, 2015

2 Prohlášení: Prohlašuji, že jsem diplomovou práci zpracoval samostatně a v seznamu uvedl veškerou použitou literaturu. Svým podpisem stvrzuji, že odevzdaná elektronická podoba práce je identická s její tištěnou verzí, a jsem seznámen se skutečností, že se práce bude archivovat v knihovně BIVŠ a dále bude zpřístupněna třetím osobám prostřednictvím interní databáze elektronických vysokých prací. V Praze, dne Daniel Bárta

3 Poděkování Děkuji vedoucímu práce a své rodině za podporu, kterou mi v době psaní práce projevovali.

4 Anotace Diplomová práce má za cíl posoudit možnosti nasazení předních zástupců open source NAS distribucí v sektoru malých a středních firem. Na cestě k dosažení vytyčeného cíle jsou vysvětleny důležité pojmy a součásti systémů NAS, které jsou následně aplikovány na posouzení možností využití a výkonosti vybraných distribucí. Cíle je úspěšně dosaženo a poznatky z praktické části jsou shrnuty v závěru práce. Klíčová slova: NAS, síťová úložiště, sdílení dat, RAID, ZFS, SMB, iscsi Annotation This thesis aims to judge posibilities of open source NAS distributions deployment in small business sector. Alnog the way to thesis target are important parts of NAS systems explained and this knowledge is then used for evaluation and benchmarking of chosen NAS distributions. Target of thesis is achieved by summarising facts from practical part at the end of this thesis. Key words: NAS, network attached storage, data sharing, RAID, ZFS, SMB, iscsi

5 OBSAH Úvod Historie NAS a diskových polí Možnosti přístupu Blokový přístup Souborový přístup Přístup klientských zařízení Shrnutí možností přístupu Součásti NAS Procesor (CPU) Operační paměť (RAM) Pevné disky Řadiče pevných disků RAID (Redundant Array of Inexpensive/Independent Disks) Souborové systémy Síťové karty (NIC) Operační systémy používané v systémech NAS Protokoly přístupu CIFS/SMB NFS (Network File System) iscsi Ostatní protokoly Optimalizace výkonu NAS Shrnutí protokolů přístupu Parametry testu Požadavky malých a středních firem

6 5.2 Přehled vybraných NAS Testovací prostředí Metodika testování výkonosti vybraných NAS Posouzení možností nasazení NAS FreeNAS NAS4Free OpenFiler OpenMediaVault Shrnutí možností nasazení posuzovaných systémů NAS Test výkonosti NAS a zhodnocení Testy propustnosti TCP/IP stacku (iperf3) Testy přenosové rychlosti CIFS/SMB Zhodnocení testu výkonosti Závěr Citovaná literatura Seznam zkratek Seznam tabulek Seznam obrázků Seznam grafů

7 ÚVOD Neustálá tvorba nových dat klade čím dál tím větší nároky na jejich ukládání a dostupnost. Sdílení dat se stalo fenoménem začátku jednadvacátého století a firmy bez rozdílu velikosti se musí s tímto problémem vyrovnat. Firemní data je potřeba bezpečně uchovávat, ale současně zajistit, aby bylo možné k nim přistupovat z mnoha rozličných zařízení, včetně těch mobilních. Téma datových úložišť je značně rozsáhlé proto jsou vysvětleny rozdíly mezi jejich typy a dále se práce věnuje pouze systémům NAS pro prostředí malých a středních firem. Většinou se jedná o firmy mající již nějakou infrastrukturu, které potřebují vyřešit konkrétní potřeby v oblasti ukládání dat. Charakteristickým znakem především malých, ale i některých středních firem jsou omezené zdroje a to jak finanční tak lidské. V malých firmách není nic neobvyklého, když úlohu správců počítačových systémů zastávají pracovníci na jiných pozicích, nebo jsou tyto služby outsourcovány. Je tedy kladen důraz na jednoduchost ovládání datových úložišť a to jak z pohledu software, tak i z pohledu případného rozšíření hardware. Cílem této práce je posoudit možnosti nasazení a výkonnost předních zástupců open source NAS distribucí v sektoru malých a středních firem. Práce by tedy mohla firmám posloužit jako zdroj informací, které z dnešních předních systémů NAS mohou ve svém prostředí nasadit. Práce je dělena na několik teoretických částí, kde je čtenář seznámen se základními koncepty diskových úložišť, hlavními součástmi, ze kterých se NAS skládají a přístupovými protokoly využívanými k přístupu. Po načerpání dostatečného množství informací pro orientaci v problematice, jsou představeny vybrané open source NAS distribuce a definovány kritéria, podle kterých se budou posuzovat a testovat. První praktická část se zabývá posouzením možnosti nasazení vybraných distribucí NAS v sektoru malých a středních firem, kdy detailně popisuje jejich funkce, instalaci, prvotní konfiguraci a dalších zajímavostí, které obsahují. Ke každé distribuci je napsán souhrn a zhodnocení do jaké míry splňuje vytyčená kritéria. Druhá praktická část se pak zabývá výkonnostními testy vybraných distribucí a je zakončena hodnocením výsledků spolu s doporučením. 7

8 1 HISTORIE NAS A DISKOVÝCH POLÍ Zpracovávání dat a jejich následovná interpretace patří k hlavním úkolům firemního IT. Objemy dat, které jsou každodenně vytvářeny či generovány pracovníky a systémy firem, se stále zvětšují. Pro zajištění kontinuity firem, spolupráce zaměstnanců a možnostem zpětného dohledávání informací, je potřeba data ukládat na sdílené úložiště. Na takové úložiště jsou kladeny poměrně vysoké nároky, které však často kolidují s jejich pořizovací cenou. V malých a středních firmách je tato problematika značně palčivá, neboť prostředky pro nákup drahých komerčních zařízení často nebývají dostupné. Východiskem této situace mohou být alternativní řešení nabízené Open Source komunitou. Zda jsou tyto systémy pro ukládání dat v praxi použitelné, jaká úskalí při nasazení se objevují a jaké problémy na implementujícího čekají, tím vším se tato práce zabývá. Vznik datových úložišť se datuje k začátku osmdesátých let dvacátého století. V publikaci The Newcastle Connection vydané v srpnu roku 1984 autora dr. Briana Randella z University of Newcastle upon Tyne v Anglii byl popsán distribuovaný systém, který pracoval mezi několika fyzicky propojenými unixovými systémy. Ve své podstatě se tedy jednalo o vzdálený přístup k datům napříč několika unixovými systémy, tedy o síťové sdílení dat. (Brownbridge, 1982) Později v roce 1985 uvedla na trh společnost Novell nový serverový operační systém s názvem NetWare. Tento operační systém využíval protokol NetWare Core Protocol (NCP), který byl vyvinut za účelem sdílení souborů. Do té doby bylo obvyklé sdílet přímý přístup k systémovým diskům, proto byla tato myšlenka v této oblasti velkým pokrokem. Ve stejném roce uvedla společnost Sun Microsystems síťový protokol NFSv2 (Network File System). Protokol interně vyvíjený od roku 1984 (NFSv1) umožňoval sdílení souborů mezi systémy vzájemně propojenými síťovým protokolem TCP/IP. Protokol od svého vydání prošel několika revizemi až k aktuální verzi NFSv4 využívané především ve světě Unixových systémů. (Network File System, 2001) 8

9 Systém LanManager vyvinutý v roce 1985 společným úsilím firem Microsoft, IBM a 3Com dostal název 3Com Server a obsahoval 3+Share software. Jednalo se o vestavěný NAS pro osobní počítače. Prvním zařízením, které se podobalo NAS systémům, jak je známe dnes, vytvořila společnost Auspex Systems v devadesátých letech dvacátého století. Zařízení v sobě spojovalo funkce úložiště pro unixové systémy na bázi protokolu NFS a zároveň úložiště pro systémy Windows pomocí protokolu CIFS. (NAS, 2001) 1984 The Newcastle Connection 1984 NFS 1985 Novell Netware 1985 Lan Manager ' Auspex System Obrázek č. 1: Milníky rané historie diskových polí. Zdroj: Autor Systémy NAS prošli bouřlivým vývojem a jejich podoba je po stránce kapacity, výkonu, fyzických rozměrů a dalších provozních parametrů těm původním velmi vzdálená. Myšlenka využití však zůstává nezměněna. Z jakých součástí se dnešní zařízení NAS po stránce hardware a software skládají, bude náplní následující kapitoly. 9

10 2 MOŽNOSTI PŘÍSTUPU Disková pole poskytují různé možnosti přístupu ke zdrojům, které svým klientů nabízejí. Zdroji v případě diskových polí chápeme diskovou kapacitu využitelnou pro ukládání uživatelských dat. Jsou tři základní typy diskových polí DAS, NAS, SAN. Do jaké skupiny diskové pole patří, určuje fyzické rozhraní zařízení a způsob jakým je přístup k diskovému poli realizován. V této kapitol jsem čerpal kromě hlavního zdroje (Troppens, 2009) také z (Miller, 2015) a (Sacks, 2001). Definice rozdílu mezi blokovým úložištěm a souborovým úložištěm spočívá v absenci souborového systému nebo objektového managementu. (Spectra, 2014) 2.1 Blokový přístup Blokové zařízení poskytuje možnost přístupu ke své diskové kapacitě prostřednictvím blokového přístupu. Tento druh přístupu umožňuje systému, ke kterému je blokové zařízení připojené, pracovat se zařízením stejným způsobem, jako například s lokálním pevným diskem. Operační systém klienta má na starost souborový systém i proces ukládání bloků dat na připojené fyzické úložiště. Mezi typická bloková zařízení patří zařízení typu DAS a SAN. SAN (Storage Area Network) Zařízení typu SAN využívají pro komunikaci se systémy, kterým nabízejí svou diskovou kapacitu, oddělenou datovou síť nazývanou Storage Area Network. Na rozdíl od zařízení typu DAS jsou disková pole se systémy propojena prostřednictvím přepínačů. Jedno zařízení je tedy schopné v rámci sítě SAN poskytovat svou kapacitu více systémům, než kolik fyzických rozhraní má k dispozici. Pro připojení do SAN se využívají optické kabely nebo klasické metalické síťové kabely. Nejčastěji zařízení SAN využívají špičkové optické technologie Fibre Channel (FC). Jedná se o velmi rychlou (až 16Gbps per rozhraní) a drahou technologii dostupnou spíše velkým podnikům. Rozšířením diskové kapacity svazku spravovaného 10

11 systémem SAN/DAS nedojde k automatickému navýšení diskových kapacit přidělených jednotlivým klientům. Protože klienti připojený úložný prostor blokovou metodou spravují v rámci svého operačního systému, je nutné při jeho navýšení provést změny na každém jednom připojeném klientovi zvlášť. Tato skutečnost dělá rozšíření kapacit svazků o něco složitější než u souborových úložišť. Storage Area Network Fibre Channel UTP CAT5/6 UTP CAT5/6 Server 1 SAN switch Fibre Channel UTP CAT5/6 Fibre Channel UTP CAT5/6 UTP CAT5/6 Lokální počítačová síť Server N SAN Klient 1 Klient N Obrázek č. 2: Schéma zapojení SAN. Zdroj: Autor DAS (Direct Attached Storage) Zjednodušeně řečeno se jedná o zařízení, které jsou ve své podstatě takové složitější externí disky připojené zcela napřímo. Nejčastěji používají pro připojení SAS kabelů, optických kabelů, ale mohou být připojeny i pomocí obyčejného síťového kabelu. Zařízení obsahují hardware schopný zajišťovat redundanci pevných disků. Mohou být připojena k tolika systémům, kolik mají fyzických rozhraní. 11

12 UTP CAT5/6 Lokální počítačová síť SAS kabel UTP CAT5/6 DAS Server Klient 1 Klient N 2.2 Souborový přístup Obrázek č. 3: Schéma zapojení DAS. Zdroj: Autor V případě že zařízení poskytuje možnost přístupu formou sdílení souborů, jedná se o souborové zařízení. Takové zařízení se přímo stará o souborový systém, na který jsou data ukládána či odesílána pomocí různých protokolů přístupu. NAS Zařízení typu NAS jsou typickými představiteli souborových zařízení. Network Attached Storage (NAS) své služby poskytují prostřednictvím počítačové sítě pomocí protokolů přístupu. Počítačové platformy a typy podporovaných klientů NAS určují protokoly přístupu podporované zařízením NAS. Díky otevřeným standardům je množství podporovaných klientů relativně vysoké. Typickým využitím NAS je v malých počítačových sítích, kde nahrazuje funkce klasického serveru se serverovým operačním systémem. Trendem poslední doby jsou kombinovaná úložiště, která vedle funkčnosti souborového zařízení NAS poskytují i blokový přístup k diskové kapacitě prostřednictvím přístupového protokolu iscsi o kterém bude pojednáno později. Systémy NAS kombinující souborový a blokový přístup v jednom zařízení jsou označovány Unified storage a považovány za dnešní standard. Výhoda NAS proti blokovým zařízením je v bezproblémové rozšiřitelnosti diskového prostoru pro připojené systémy. Vzhledem k tomu, že je rozšiřovaná disková kapacita souborového systému NAS, není již na klientech nic potřeba nastavovat. V praxi tedy při navýšení kapacity sdíleného diskového prostoru, je pro klienty toto navýšení okamžité a bez nutnosti úpravy jejich operačního systému či jiných nastavení. Tato vlastnost značně ulehčuje správu sdílených diskových úložišť všude tam, kde sdílené diskové úložiště využívá větší množství klientských systémů. 12

13 UTP CAT5/6 NAS Unified Storage UTP CAT5/6 Lokální počítačová síť Server 1 Klient 1 Klient N Obrázek č. 4: Schéma zapojení NAS. Zdroj: Autor 2.3 Přístup klientských zařízení Klienti využívající služeb zařízení DAS, SAN a NAS jsou spíše než typem přístupu definováni protokoly přístupu, které budou podrobněji představeny v kapitole Protokoly přístupu. Typ klienta je však možno rozdělit dle platformy operačního systému, který klient pro svůj běh využívá. Tabulka č. 1 obsahuje přehled nejrozšířenějších platforem, které jsou využívány pro přístup k systémům NAS. Skupina klientů Nejčastěji používané operační systémy Serverové počítače Microsoft Windows, Linux, Systémy založené na UNIXu Stolní počítače Microsoft Windows, Apple MAC OS X, Linux Mobilní zařízení Google Android, Apple ios, Microsoft Windows Tabulka č. 1: Přehled nejčastěji používaných klientských OS. Zdroj: Kromě nabízených služeb NAS mohou klientská zařízení tyto systémy i administrovat prostřednictvím rozhraní, které tato zařízení mohou poskytovat skrze počítačovou síť LAN. Mobilní zařízení přímo vybízí ke vzdálené správě přes mobilní připojení. Ovládání NAS z mobilních zařízení je možné prostřednictvím aplikací k tomuto účelu vytvořeným, nebo 1 (Net Applications.com, 2015) 2 (Market share held by the leading computer operating systems worldwide from January 2012 to December 2014, 2015) 3 (Market share held by smartphone operating systems worldwide in 2013 and 2017, 2015) 13

14 využitím Internetového prohlížeče, podobně jako v případě stolního počítače. Při zpřístupnění ovládání systému NAS ze sítě Internet je třeba zvážit bezpečnostní rizika a navrhnout dostatečná opatření (VPN přístup, bezpečná hesla, certifikáty, atd.). Microsoft Windows Komerční operační systém firmy Microsoft je nejrozšířenějším operačním systémem v komerčním sektoru, ale i mimo něj. Primárním požadavkem klientů s tímto operačním systémem na zařízení NAS, je zabezpečený přístup ke sdíleným složkám. Některá specifická využití mohou požadovat blokový přístup k diskové kapacitě, to je však především doménou serverových operačních systémů Microsoft Windows. Využití blokového přístupu běžným uživatelem stolního počítače nebývá obvyklé, výjimkou mohou být specifické potřeby aplikací, které potřebují ukládat svá data na lokální úložiště a nepodporují síťová úložiště prostřednictvím protokolů souborového přístupu. Apple Mac OS X Uživatelé operačního systému společnosti Apple využívají přístup ke sdíleným složkám systému NAS pro ukládání a další práci se složkami a soubory. Obdobně jako tomu je u platformy Windows, i klienti s operačním systémem MAC OS X v případě specifického využitím mohou přistupovat k systému NAS blokově. Linux V případě stolních počítačů je systém Linux spíše okrajovou záležitostí, servery však systém Linux používají poměrně hojně. Unixový typ operačního systému většiny NAS nemá problémy s Linuxovou kompatibilitou, proto připojení z tohoto systému je zpravidla bezproblémové blokovým i souborovým způsobem. Mobilní zařízení Mobilní zařízení hlavních výrobců jsou vybavena podporou mnoha protokolů přístupu. Primárním způsobem připojení mobilních zařízení k systémům NAS je souborové, blokový přístup se v praxi nevyužívá. 14

15 2.4 Shrnutí možností přístupu Čistě blokový přístup se využívá pouze u zařízení typu SAN a DAS. U systémů NAS se v prostředí malých a středních firem setkáme především se souborovým přístupem ke sdíleným složkám ze stolních počítačů. Servery mohou využít blokového přístupu k diskové kapacitě systému NAS ze serverů, ale i souborový přístup. Mobilní zařízení jsou využívána k přístupu sdílených složek v rámci sítě LAN a po zvážení bezpečnostních rizik i ze sítě Internet. Ovládání systémů NAS probíhá primárně ze stolních počítačů, ale i mobilní přístup je v případě potřeby možný. 15

16 3 SOUČÁSTI NAS Práce si klade za cíl srovnání systémů NAS založených na Open Source. V této kapitole budou představené jednotlivé součásti zařízení typu NAS. Po hardwarové stránce se síťová úložiště nijak zásadně neliší od klasického počítače typu PC. Jedná se tedy o klasický počítač, který je svou konstrukcí uzpůsoben použití jako síťové úložiště. Změny jsou patrné hlavně v oblasti šasi, které bývá uzpůsobeno k jednoduché instalaci pevných disků bez nutnosti složitého montážního postupu. Nonstop pracující systémy NAS jsou zaměřeny na nízkou spotřebu elektrické energie, neboť každý spotřebovaný kilowatt elektrické energie přímo ovlivňuje provozní náklady. 3.1 Procesor (CPU) Veškeré výpočetní funkce zařízení zajišťuje hlavní procesor, který je označován zkratkou CPU (Central Processing Unit). Hlavními parametry procesoru jsou jeho architektura (x86, AMD64, ARM, atd.), počet jader, frekvence udávaná v gigahertzích (GHz) a velikost vyrovnávací paměti cache. Procesor bývá využíván pro paritní výpočty diskových svazků RAID, čímž eliminují potřebu využití hardwarového RAID řadiče. O řadičích a svazcích RAID bude pojednáno později. Dále se CPU v systému NAS stará o výpočty související s komprimací dat a kontrolními výpočty. 3.2 Operační paměť (RAM) Operační paměť RAM slouží k provádění operací spojených se správou úložiště, provozem poskytovaných služeb a ukládáním dat na diskové svazky systému NAS. Další činností náročnou na využití operační paměti je šifrování obsahu, deduplikace, či další pokročilé techniky. Rychlost a typ operační paměti je závislý na platformě, na které je systém NAS provozován. Velikost operační paměti je většinou v případě integrovaných řešení v řádech stovek megabyte (MB) až jednotek gigabyte (GB). Požadavky na velikost paměti RAM mohou dosahovat až desítek či stovek gigabyte (GB) v případě, že jsou využívány diskové svazky velkých kapacit v náročném prostředí. Je vhodné také zmínit paměti typu ECC, které jsou schopny zamezit chybám vzniknuvším v paměťových modulech, čímž značně přispívají ke stabilitě a ochraně dat které jsou na zařízení NAS ukládána. 16

17 3.3 Pevné disky Úložný prostor v zařízení NAS obstarávají pevné disky. Pevné disky se dělí na disky s rotujícími magnetickými plotnami značené HDD (Hard Disk Drive), dále pak na SSD (Solid State Disk) založené na technologii FLASH. Existují také kombinace SSD a HDD nazývané hybridní pevné disky SSHD (Solid State Hybrid Drive). Tyto disky však mají své uplatnění především ve stolních počítačích. Paměťové disky SSD jsou o několik řádů rychlejší než disky HDD, jsou však také mnohonásobně dražší a v současné době již dosahují téměř stejných maximálních velikostí jako disky HDD. (Optimus MAX SAS SSD, 2015) Datovou kapacitu NAS určuje datová kapacita pevných disků a jejich počet (konfigurovatelná velikost diskového prostoru). Finální využitelná disková kapacita je určena konfigurací pevných disků do diskových svazků (zkonfigurovaná velikost diskového prostoru). O diskových svazcích a technologii RAID bude pojednáno později. Pevné disky mají několik základních parametrů, které jsou jejich specifikací, které to jsou, ukazuje Tabulka č. 2. Parametr fyzická velikost plotny pevného disku rychlost datového rozhraní datová kapacita rychlost otáčení velikost vyrovnávací paměti průměrná latence otáčení průměrná latence hledání průměrná provozní spotřeba energie vstupně výstupní operace za sekundu Fyzická rozměry Jednotka parametru imperiální jednotka palec (inch) gigabit za sekundu (Gbps) gigabyte (GB), terabyte (TB) otáčky za minutu (rpm) megabyte (MB) milisekunda (ms) milisekunda (ms) watt (W) IOPS Tabulka č. 2: Parametry pevných disků. Zdroj: Autor V oblasti pevných disků pro systémy NAS jsou využívány pouze dva fyzické rozměry magnetických ploten: 3,5 palce (LFF), 2,5 palce (SFF). 17

18 Výhodou LFF disků je vyšší disková kapacita. SFF disky vynikají nižší průměrnou spotřebou provozní energie a prostorovou úsporností plynoucí z jejich rozměrů. Datové rozhraní Pevné disky pro standardní použití používají rozhraní typu Serial ATA nesoucí zkratku SATA. Disky určené pro provoz v serverech a diskových polích převážně využívají rozhraní Serial Attached SCSI označované zkratkou SAS. Rozdíl mezi těmito rozhraními je především v používaném protokolu přenosu a ve schopnosti zařízení s rozhraním SAS odesílat a přijímat data současně. Disky s rozhraním SAS je možné připojit na řadič typu SATA, avšak SATA disky k rozraní SAS připojit není možné. Datové rozhraní má také udávánu svou nominální rychlost, která je v současné době nejčastěji 3, 6 nebo 12 Gbps. Disková kapacita Disková kapacita udává velikost prostoru dostupného pro uložení dat. Velikost pevného disku je definována jeho specifikací již při výrobě a je vyjádřena gigabyte (GB) nebo terabyte (TB). Terabyte (TB) Gigabyte (GB) Megabyte (MB) Byte (B) 1 TB GB MB B Tabulka č. 3: Jednotky používané pro vyjádření diskové kapacity. Zdroj: Autor Rychlost otáčení Magnetické plotny obsažené v HDD se otáčejí rychlostí danou specifikací konkrétního modelu pevného disku. Platí zde přímá úměra, čím vyšší rychlost otáček disku, tím vyšší je výkon pevného disku. Tento parametr je udáván v počtu plných otáček magnetických ploten za jednu minutu (RPM). Nejrychlejší disky současnosti se otáčejí rychlostí rpm, další běžně používané rychlosti otáčení pevných disků jsou rpm, 7 200rpm, 5 900rpm a 5 400rpm. Velikost vyrovnávací paměti Rychlost rozhraní pevného disku je vyšší než rychlost zápisu na fyzické médium. Pro vyrovnání nárazových situací a urychlení diskových operací je používána paměť cache. Velikost paměti je udávána v megabyte (MB). 18

19 Průměrná latence otáčení Parametr udává čas, za který magnetická plotna dokončí polovinu celé rotace. Tento parametr je jeden ze dvou parametrů určující výkon pevného disku. Parametr je udáván v milisekundách (ms). Průměrná latence hledání Druhým parametrem určující výkon pevného disku je průměrná latence hledání. Údaj udává průměrný čas potřebný pro umístění čtecích hlav do požadované pozice pro zápis nebo čtení z magnetické plotny. Latence čtecí operace má rozdílnou hodnotu než operace zápisu, proto je používán průměr těchto hodnot. Parametr je udáván v milisekundách (ms). Průměrná spotřeba provozní energie Pevné disky při výkonu své činnosti spotřebovávají elektrickou energii. Množství energie spotřebovávané pro provoz pevného disku je vyjádřené ve wattech (W). Vstupně výstupní operace za vteřinu (IOPS) IOPS udávají počet vstupně výstupních operací, které je pevný disk schopen vykonat za jednu vteřinu. Tento údaj vypovídá o schopnosti pevného disku zvládat vysoké pracovní zatížení spojené s vysokým počtem náhodných diskových operací, které nastává při využívání disku více uživateli nebo procesy. Čím vyšší je rychlost otáček magnetických ploten pevného disku, tím nižší jsou průměrné latence otáčení a hledání. Čím nižší jsou latence, tím vyšší jsou IOPS. Dosazením informací od výrobce pevného disku do zjednodušeného vzorce, který ukazuje Obrázek č. 5, získáme orientační hodnotu IOPS konkrétního pevného disku. IOPS = 1 průměrná latence otáční + průměrná latence hledání Obrázek č. 5: Vzorec pro výpočet IOPS pevného disku. Zdroj: (Frantz, 2013) Pro potřebu výpočtu IOPS je potřeba vypočítat průměrnou latenci hledání, které je obyčejným aritmetickým průměrem mezi průměrnou latencí hledání při čtení a zápisu. Výpočet IOPS dvou pevných disků rozdílných určení ukazuje dopady parametrů pevných disků na jejich výkon. (Lowe, 2010) 19

20 Pro názornou ukázku jsem zvolil výkonný pevný disk Seagate ST600MP0005, u něhož výrobce uvádí parametry, které obsahuje Tabulka č. 4. Parametr Hodnota Název produktu Seagate Savvio 15K.3 Označení modelu ST SS Určení pevného disku Vysoký výkon, datová centra Rychlost otáčení ploten pevného disku rpm Průměrná latence otáčení 2,0 ms (0,002 sekundy) Průměrná latence hledání 2,85 ms (0,00285 s) Průměrná spotřeba provozní energie 7,92 W Vypočtené IOPS pro tento disk 206 IOPS Tabulka č. 4: Parametry a výpočet IOPS výkonného HDD. Zdroj: (SEAGATE Corporation, 2012) Tabulka č. 5 obsahuje parametry druhého pevného disku s označením ST4000VN000, který je určený pro systémy NAS. Parametr Hodnota Název produktu Seagate NAS HDD Označení modelu ST4000VN000 Určení pevného disku NAS úložiště pro malé firmy a domácnosti Rychlost otáčení ploten pevného disku Low-RPM spindle speed (odhad 5400rpm) Průměrná latence otáčení 5,1 ms (0,0051 sekundy) Průměrná latence hledání 12 ms (0,012 sekundy) Průměrná spotřeba provozní energie 4,8 W Vypočtené IOPS pro tento disk 58 IOPS Tabulka č. 5: Parametry a výpočet IOPS NAS HDD. Zdroj: (SEAGATE Corporation, 2013) Vypočtené IOPS je nutné chápat jako orientační údaj, neboť výsledek je dále ovlivňován dalšími faktory, jako jsou například paměť cache, algoritmy a optimalizace v řídícím software pevného disku. Z vypočtených IOPS v příkladu výše jsou však zcela zřejmé rozdíly mezi typy pevných disků. Pro zařízení NAS je tedy nutné vybrat správné pevné disky s ohledem na zamýšlené pracovní nasazení. Bude-li NAS poskytovat data v jednom čase současně maximálně 1-3 uživatelům, nebo převážně sekvenčním způsobem, je možné zvolit disky s nízkými IOPS, aniž by byla příliš ovlivněna kvalita poskytované služby. Pokud je nasazení NAS zamýšleno v prostředí s vysokými nároky na IOPS (veliké databáze, virtualizace), bude potřeba zvolit výkonnostně dostatečně dimenzované pevné disky. 20

21 Obvyklé hodnoty IOPS u běžných datových disků ukazuje Tabulka č. 6. Rychlost otáčení pevného disku IOPS SSD rpm rpm rpm rpm 50 Tabulka č. 6: Obvyklé hodnoty IOPS HDD a SSD. Zdroj: (Atkin, 2012) 3.4 Řadiče pevných disků Diskové řadiče zajišťují fyzické připojení pevných disků a případnou další funkčnost. U systémů NAS se setkáme s následujícími řadiči pevných disků: integrovaný řadič na základní desce, přídavné rozšiřující host bus adaptéry (HBA), přídavné rozšiřující řadiče RAID. Integrované rozhraní na základní desce Všechny moderní základní desky obsahují ve svém chipsetu integrovaný řadič pevných disků. Pokud se nejedná o základní desku s určením pro servery, jsou v drtivé většině přítomny konektory pro připojení pevných disků k rozhraní SATA. V případě základní desky určené pro použití v serverech bývá integrováno i rozhraní SAS pomocí dedikovaného čipu výrobce třetí strany. Host Bus Adaptéry (HBA) Host Bus Adaptéry slouží pro fyzické připojení pevných disků či dalších zařízení pomocí rozhraní, které obsahují (SATA, SAS). Při využití HBA adaptéru se předpokládá, že veškeré přidané funkce, jako jsou například výpočty parit RAID, zastává připojené zařízení, nebo hlavní procesor systému. HBA je tedy pouze fyzickým přípojným bodem pevných disků do hostujícího systému a do operací dějících se ve vyšších úrovních se nijak nevměšují. U systémů NAS, které požadují plnou kontrolu nad procesem zápisu na diskový svazek, jsou HBA preferovanou variantou připojení pevných disků. 21

22 Řadiče RAID Klasické RAID řadiče vykonávají výpočetní funkce spojené s výpočtem parit potřebných pro správnou funkci zvolené úrovně RAID. Takové řadiče jsou opatřeny fyzickým rozhraním pro připojení disku, dále také cache pamětí řadiče a bývají opatřeny baterií pro zamezení ztráty dat pro případ výpadku elektrické energie (BBU). 3.5 RAID (Redundant Array of Inexpensive/Independent Disks) RAID je zařízení, které používá několik disků a zapisuje data na všechny disky v předdefinovaném pořadí. Technologie RAID většinou využívá čtyři nebo pět disků, ale i více není výjimkou. (RAID, 2015) Při volbě konkrétní úrovně RAID je dobré provést analýzu využití datového úložiště z pohledu požadovaných IOPS a diskové kapacity. Tato analýza vyžaduje znalost výkonnostních požadavků provozovaných systémů (měl by uvádět výrobce systému/software). IOPS již provozovaných systémů je možné vyčíst z čítačů výkonu. Pro kvalitní vzorek chování systému je potřeba sbírat data po dobu alespoň třicet dní. Při sdružení pevných disků do diskového svazku RAID se dostupná reálná hodnota IOPS změní v závislosti na zvolené úrovni RAID. Množství dostupných IOPS systému může v případě utvoření diskového svazku stoupat i klesat. Pokles IOPS je patrný především při zápisu na diskový svazek. Tento jev se nazývá postih úrovně RAID (RAID penalty) a je potřeba s ním při návrhu NAS systému počítat. Tabulka č. 7 obsahuje hodnoty postihů jednotlivých úrovní RAID potřebné pro výpočet reálně dostupných IOPS systému. Úroveň RAID Redundance Postih zápisu Min. počet disků RAID 0 NE 1 2 RAID 1 ANO 2 2 RAID 5 ANO 4 3 RAID 6 ANO 6 4 RAID 10 ANO 2 4 Tabulka č. 7: Přehled vlastností jednotlivých úrovní RAID. Zdroj: (Shanks, 2012) 22

23 RAID není náhradou zálohování U systémů RAID často vzniká domněnka, že pokud je využita úroveň zajišťující redundanci, není potřeba zálohovat. Toto není pravda a takové vnímání systému RAID je velmi nebezpečné. Je nutné si uvědomit, že redundance zajišťuje pouze ochranu proti selhání jednoho či více pevných disků, které jsou v diskovém svazku obsaženy. Ochrana proti výpadku hardware však neochrání data před logickou chybou uživatele nebo kompletním zničením či zcizením diskového úložiště. Příkladem logické chyby může být přepsání souboru jeho starší verzí, nebo jeho smazání. Zálohování a správný plán zálohování je tedy stejně důležitý jako fyzické zabezpečení přístupu k diskovému úložišti a volba správné úrovně RAID. Problematika komplexního zálohování a úrovní RAID přesahuje svým rozsahem rámec této práce, proto se zaměříme pouze na specifikace úrovní RAID, které jsou v prostředí NAS pro malé a střední firmy běžně používané. RAID 0 Úroveň RAID 0, jako jediná ze všech úrovní, neobsahuje ochranu dat na základě redundance pevných disků. Je využíváno proužkování (stripping), kdy jsou data odeslaná na diskový svazek při ukládání rozdělována mezi jednotlivé pevné disky. Ukládání dat tímto způsobem přináší zvýšení rychlosti čtení i zápisu, avšak při výpadku byť jediného pevného disku ve svazku, dojde ke ztrátě všech dat na svazku uložených. Obrázek č. 6: Schéma principu funkce RAID 0. Zdroj: (RAID, 2015) Někdy je RAID 0 používán také jako JBOD (Just a Bunch Of Disks), kdy data nejsou rozdělována mezi jednotlivé disky, ale postupně ukládána za sebou. Pokud dojde kapacita 23

24 prvního disku, bude ukládání pokračovat na další dostupný disk. Výhodou JBOD je snadná rozšiřitelnost kapacity diskového svazku. Používání JBOD nepřináší žádné výkonnostní výhody. Klady a zápory diskových svazků RAID 0 shrnuje Tabulka č. 8. Klady vysoký výkon diskového svazku vysoká dostupná kapacita vytvořeného svazku nenáročné na výpočetní výkon (nižší zatížení systému při provozu) Zápory neobsahuje redundanci havárie jednoho pevného disku znamená ztrátu všech dat Tabulka č. 8: Souhrn kladů a záporů RAID 0. Zdroj: Autor Obrázek č. 7: Schéma principu funkce JBOD. Zdroj: (RAID, 2015) RAID 1 Diskové pole RAID 1 zrcadlení využívá minimálně dvou disků, které jsou navzájem zrcadlené. V praxi to znamená, že data zapsaná na jeden disk jsou automaticky uložena i na druhý. Dopady na výkon při zápisu v případě RAID 1 jsou neznatelné, avšak ani výkon při čtení není nijak posílen. Význam tohoto RAIDu je tudíž především v redundanci. Minimální počet disků pro úroveň RAID 1 jsou dva disky. Počet disků v RAID 0 musí být vždy sudý. Klady a zápory diskových svazků RAID 1 shrnuje Tabulka č. 9. Klady zabezpečení dat díky redundanci bez dopadu na výkon při zápisu Zápory využitelná kapacita = n kapacita 2 Tabulka č. 9: Souhrn kladů a záporů RAID 1. Zdroj: Autor 24

25 Obrázek č. 8: Schéma principu funkce RAID 1. Zdroj: (RAID, 2015) RAID 5 Tato úroveň využívá pro zajištění ochrany dat výpočtů parity, které mají za následek znatelný propad výkonu při ukládání na diskový svazek úrovně RAID 5. Data odesílaná na diskový svazek jsou vždy ukládána na N-1 disků a na poslední disk jsou zapsána paritní data pro případnou potřebu obnovy. Díky této technice je svazek RAID 5 schopen přestát havárii jednoho z disků. Data jsou ze svazku RAID 5 čtena paralelně, což naopak při čtení dat přináší výkonnostní výhodu. Nespornou výhodou je též vyšší využitelná zkonfigurovaná velikost diskového svazku než v případě jiných úrovní. Je-li využito úrovně RAID 5, bude výsledný diskový svazek mít k dispozici kapacitu dle vzorce, který ukazuje Obrázek č. 9. využitelná kapacita svazku = (n kapacita disku) (1 kapacita disku) Obrázek č. 9: Vzorec výpočtu kapacity diskového svazku RAID 5. Zdroj: Autor Klady a zápory diskových svazků RAID 5 shrnuje Tabulka č. 10. Klady Vysoká ochrana dat Nízké požadavky na diskovou kapacitu Zápory Nízká rychlost zápisu Značně snížený výkon v případě výpadku disku ve svazku Tabulka č. 10: Souhrn kladů a záporů RAID 5. Zdroj: Autor 25

26 Obrázek č. 10: Schéma principu funkce RAID 5. Zdroj: (RAID, 2015) RAID 6 Základním rozdílem úrovně RAID 6 od úrovně RAID 5 je schopnost přestát havárii až dvou pevných disků obsažených ve svazku. Vyšší nároky na paritní propočty přinášejí nevýhodu při zápisu, kdy výkon je velmi nízký. Výkon při čtení je však stejně jako v případě RAID 5 vyšší. V případě konfigurace diskového svazku s použitím úrovně RAID 6, bude mít výsledný svazek k dispozici kapacitu dle vzorce, který ukazuje Obrázek č. 11. využitelná kapacita svazku = (n kapacita disku) (2 kapacita disku) Obrázek č. 11: Vzorec výpočtu kapacity diskového svazku RAID 6. Zdroj: Autor Shrnutí kladů a záporů RAID 6 obsahuje Tabulka č. 11. Klady Vysoká rychlost čtení Vysoká ochrana dat Zápory Velmi nízká rychlost zápisu Značně snížený výkon v případě výpadku disku ve svazku Tabulka č. 11: Souhrn kladů a záporů RAID 6. Zdroj: Autor Obrázek č. 12: Schéma principu funkce RAID 6. Zdroj: (RAID, 2015) 26

27 RAID 10 Posledním z běžně používaných diskových svazků je RAID 10. Jedná se o kombinaci úrovní RAID 1 a RAID 0, kdy je bráno to nejlepší z obou světů. Funkce RAID 10 spočívá v proužkování dvou zrcadlených svazků. Tato konfigurace diskových svazků přináší vysokou ochranu dat a zároveň velmi vysoký výkon při čtení i zápisu. Vadou na kráse této úrovně jsou vysoké nároky na místo pevných disků, kdy výpočet kapacity obsahuje Obrázek č. 13. využitelná kapacita svazku = n kapacita disku 2 Obrázek č. 13: Vzorec výpočtu kapacity diskového svazku RAID 10. Zdroj: Autor Obrázek č. 14: Schéma principu funkce RAID 10. Zdroj: (RAID, 2015) Shrnutí kladů a záporů RAID 10 shrnuje Tabulka č. 12. Klady Zápory Vysoká rychlost zápisu Vysoké nároky na místo Vysoká rychlost čtení Velmi vysoká ochrana dat Tabulka č. 12: Souhrn kladů a záporů RAID 10. Zdroj: Autor 27

28 Srovnání úrovní RAID Pro orientaci v jednotlivých úrovních RAID uvádí Tabulka č. 13 hlavní rysy každé z představených úrovní RAID. Úroveň RAID Ochrana dat Výkon čtení Výkon zápisu Požadavky na místo RAID 0 Žádná Dobrý Velmi dobrý Minimální RAID 1 Vysoká Špatný Špatný Vysoké RAID 10 Velmi vysoká Velmi dobrý Dobrý Vysoké RAID 5 Vysoká Dobrý Velmi špatný Nízké RAID 6 Velmi vysoká Dobrý Velmi velmi špatný Nízké Tabulka č. 13: Srovnání úrovní RAID. Zdroj: (Troppens, 2009) Na základě informací o jednotlivých úrovních RAID je možné konstatovat, že pro aplikace, kde je rychlost zápisu více důležitá než ochrana dat, je nejvhodnější použít RAID 0. Příkladem použití jsou úložiště pro dočasná data či data, které je možné rekonstruovat z jiného úložiště, nebo je po zpracování uložit na úložiště s vyšší redundancí. V případě RAID 1, kdy špatná rychlost čtení i zápisu je limitujícím faktorem, se naskýtá využití jako úložiště pro menší databáze, či ukládání statických dat. Hlavním přínosem RAID 1 je další využití v kombinaci s RAID 0. RAID 10 díky vysoké rychlosti zápisu i čtení společně s redundancí činí tuto úroveň ideální pro aplikace vyžadující vysoký výkon. Příkladem použití je úložiště pro vytížené databáze a jejich logy. RAID 5 je díky své nízké výkonnosti při zápisu vhodný všude tam, kde poměr čtení ku zápis je 70 na 30. Úroveň RAID 5 je univerzálem, který byl cca do roku 2009 považován za vhodný standard. Dnes se již kvůli vyšší pravděpodobnosti výskytu chyby při obnově havarovaného vysokokapacitního pevného disku ve svazku RAID 5 spíše preferuje úroveň RAID 6. Přední výrobci hardware již RAID 5 pro produkční prostředí nedoporučují. RAID 6, díky své vysoké úrovni redundance, se hodí především tam, kde není požadován vysoký výkon při zápisu. Příkladem využití je například archivní úložiště, kde nevadí pomalejší zápis, ale je naopak vyžadována vysoká rychlost sekvenčního čtení. (Troppens, 2009, s. 39) 28

29 3.6 Souborové systémy Pro organizaci dat na pevném disku slouží souborové systémy. Data jsou organizována do formy souborů a adresářů tak, aby byla snadno přístupná. Souborový systém je uchováván společně s daty na úložišti, kde jsou data uložena do fyzických bloků na discích. Souborových systémů je veliké množství a málokdy bývají kompatibilní napříč operačními systémy. Níže jsou uvedeny souborové systémy, které jsou běžně používány v oblasti NAS. Souborové systémy prošly bouřlivým vývojem především v posledních deseti letech, kdy kapacita pevných disků rapidně vzrostla, a stávající typy souborových systémů nebyly pro použití s novými kapacitami vhodné. Přestože se souborové systémy předchozí generace stále využívají, je vhodné použít spíše souborové systémy nové generace. Vzhledem k tomu, že většina operačních systémů používaných v zařízeních NAS jsou deriváty Unixu, popíšeme si typy souborových systémů, které tato zařízení pro ukládání dat používají. Množství a rozmanitost souborových systémů je opravdu velké. Pro úplný přehled souborových systémů doporučuji velmi dobře zpracovanou referenci na Wikipedii (File system, 2001). Ext2, Ext3, Ext4 K tradičním souborovým systémům využívaných v operačním systému Linux, patří souborový systém Extended filesystem. Tento typ souborového systému je velmi oblíbený a rozšířený, proto jej jako standard využívá většina NAS systémů založených na operačním systému Linux. Od verze Ext3 má systém v sobě zabudován žurnál. Technika žurnálování spočívá v logování dat, která mají být zapsána do rotujícího logu tak, aby v případě výpadku elektrického proudu bylo možné snadno zjistit případná nezapsaná data na pevný disk. Tato vlastnost souborových systémů značně zvyšuje spolehlivost souborového systému především v oblasti integrity dat. V současné době je preferovaná verze Ext4, která je zpětně kompatibilní s verzemi Ext3 i Ext2. Výhodou poslední verze Ext4 je navýšení limitů velikostí oddílů i jednotlivých souborů, dále pak neomezený počet podadresářů. Další přidanou funkčností jsou takzvané extenty, které nahrazují tradiční blokové schéma za účelem zvýšení výkonu při práci s velkými soubory a snížením fragmentace souborů. Tabulka č. 14 obsahuje přehled vlastností jednotlivých verzí souborového systému ExtFS. 29

30 Parametr Ext2 / Ext3 Ext4 Maximální velikost oddílu 32 terabyte (2 40 bytes) 1 exbibyte (2 64 bytes) Maximální velikost souboru 2 terabyte (2 40 bytes) 16 terabyte (2 40 bytes) Maximální počet souborů 4 miliardy 4 miliardy Maximální počet podadresářů Neomezeně Deduplikace dat Není Není Transparentní šifrování dat Není Není Transparentní komprese dat Není Není Tabulka č. 14: Přehled parametrů souborového systému ExtFS. Zdroj: (Ext3, 2001), (Ext4, 2001) Tradiční fyzická struktura souborového systému ExtFS je silně ovlivněna souborovým systémem BSD a je tvořena skupinami bloků, které nejsou přímo vázány na fyzické rozložení datových bloků pevného disku. Boot sektor Bloková skupina 1 Bloková skupina 2... Bloková skupina N Obrázek č. 15: Fyzická struktura ExtFS. Zdroj: (F.B. Brokken, 1995) Každá bloková skupina obsahuje záložní kopii kontrolních informací souborového systému potřebných pro jeho funkčnost (Super blok a popisovače souborového systému). Dále bloková skupina obsahuje část souborového systému (blokovou bitmapu, inode bitmapu, část inode tabulky, a datové bloky). Super Blok Popisovače FS Bloková bitmapa Inode bitmapa Inode tabulka Datové bloky Obrázek č. 16: Struktura blokové skupiny ExtFS. Zdroj: (F.B. Brokken, 1995) Používání blokových skupin je přínosem pro spolehlivost souborového systému, neboť kontrolní struktury jsou obsaženy v každé blokové skupině. Díky této redundanci je jednoduchá obnova souborového systému v případě poškození super bloku. Jisté výhody přináší toto uspořádání i v oblasti výkonu, kdy díky redukci vzdálenosti mezi inode tabulkami a samotnými datovými bloky je možné snížit vyhledávání čtecích hlav pevných disků při přístupu k souborům (Ext3, 2001) 5 (Ext4, 2001) 30

31 XFS Žurnálovací souborový systém byl vyvinutý v roce 1993 společností SGI (Silicon Graphics International Corp.). Systém byl v roce 2001 uvolněn pro Linux pod licencí GPL. XFS je primárně zaměřený pro ukládání velikých dat na diskových polích či discích a mezi jeho výhody patří vysoký výkon v paralelních vstupně výstupních operacích napříč mnoha fyzickými pevnými disky. XFS je plně 64 bitový a díky tomu je schopen obhospodařovat souborový systém o velikosti až milion terabyte. Proti tradičním systémům Ext3 a Ext4 nepřináší tento systém zásadní výhody, proto není tolik mezi uživateli Linuxu rozšířen. XFS chybí přímá implementace snímků souborového systému, nelze jej zmenšovat. V minulosti se souborový systém potýkal s výkonnostními problémy v případě zápisu metadat. Přestože dle vývojářů byl problém s výkonem odstraněn, většina uživatelů dává přednost Ext4 či souborovým systémům nové generace Btrfs nebo ZFS. Nevýhodou XFS je také nemožnost zmenšovat souborový systém online, což je pro mnoho uživatelů funkčnost, kterou z uživatelského hlediska od souborového sytému vyžadují Tabulka č. 15 obsahuje přehled vlastností jednotlivých verzí souborového systému XFS. JFS Parametr Maximální velikost oddílu Maximální velikost souboru Maximální počet souborů Maximální počet podadresářů Deduplikace dat Transparentní šifrování dat Transparentní komprese dat XFS 16 exbibyte (2 64 bytes) 8 exbibytes (2 64 bytes) Neomezeně Neomezeně Není Není Není Tabulka č. 15: Přehled parametrů souborového systému XFS. Zdroj: (XFS FAQ, 2013) Journaled File System je název 64 bitového souborového systému od společnosti IBM, která jej vyvinula pro svůj operační systém AIX v roce Později v roce 1999 byl zdrojový kód věnován open source komunitě k dalšímu vývoji a tím započal vývoj JFS pro Linux. První vydání stabilního portu JFS bylo zveřejněno v roce Mezi výhody JFS patří konzistentní výkony tohoto souborového systému v případě všech druhů nasazení (malé soubory, velké 6 (Corbet, 2012) 7 (XFS, 2012) 8 (XFS FAQ, 2013) 31

32 soubory, množství adresářů, etc ), dále pak nízké zatížení procesoru. Velikosti svazků JFS mohou dosahovat velikosti až 32 petabyte a jednotlivé soubory mohou mít velikost až 4 petabyte. Maximální počet souborů či adresářů není nijak limitován. Užití JFS není příliš rozšířené, neboť konkurenční Ext4 ve většině případů poskytuje vyšší výkon a JFS neobsahuje pokročilé funkce nových souborových systémů nové generace. (IBM Corportation, 2002) Tabulka č. 16 obsahuje přehled vlastností jednotlivých verzí souborového systému JFS. Parametr JFS Maximální velikost oddílu 32 petabyte (2 50 bytes) Maximální velikost souboru 4 petabyte (2 50 bytes) Maximální počet souborů Neomezeně Maximální počet podadresářů Neomezeně Deduplikace dat Není Transparentní šifrování dat Není Transparentní komprese dat Není (pouze na systému AIX) Tabulka č. 16: Přehled parametrů souborového systému JFS. Zdroj: (JFS (file system), 2001) ZFS Největším konkurentem předchozích souborových systémů je systém ZFS vyvinutý firmou Sun Microsystems pro svůj systém OpenSolaris. Jedná se o poměrně nový souborový systém, který byl představen v roce V případě ZFS se jedná o kombinaci souborového systému a správce logických disků. ZFS obsahuje pokročilé funkce, jakými jsou například komprimace dat, kontinuální kontrola integrity dat, automatické opravy souborového systému a technologie copy-on-write, která umožňuje vytváření snímků a klonů. V rámci souborového systému jsou implementovány i funkce RAID založené na stejných principech jako klasické úrovně RAID. Úrovně RAID Z, jak je RAID u ZFS nazýván, se liší označením a implementace diskových svazků je odlišná, nicméně principiálně jsou úrovně RAID Z s těmi standardními srovnatelné. Z licenčních důvodů je systém rozšířen především na systémech *BSD, neboť firma Sun ZFS vydala pod licencí CDDL, která je s těmito systémy po licenční stránce kompatibilní. Aktuálně probíhá vývoj implementace systému ZFS na platformy Linux, je však stále v rané vývojové fázi a potýká se s výkonnostními problémy (ZFS FAQ, 2012). Absence souborového systému ZFS na Linuxu vedlo k započetí vývoje souborového systému Btrfs, který by měl v budoucnu potřebu inteligentního souborového systému na Linuxu vyřešit. 32

33 Tabulka č. 17 obsahuje přehled vlastností jednotlivých verzí souborového systému ZFS. Btrfs Parametr ZFS Maximální velikost oddílu 256 zebibyte (2 78 bytes) Maximální velikost souboru 16 exbibyte (2 64 bytes) Maximální počet souborů 2 48 Maximální počet podadresářů Neuvedeno Deduplikace dat Ano Transparentní šifrování dat Ano Transparentní komprese dat Ano Tabulka č. 17: Přehled parametrů souborového systému ZFS. Zdroj: (ZFS, 2001) Vývoj souborového systému Btrfs začala firma Oracle v roce K začlenění do hlavní vývojové větve linuxového jádra došlo v roce 2009 a za stabilní byl označen v srpnu Btrfs je Linuxovou odpovědí na souborový systém ZFS, s cílem poskytnout stejnou funkčnost na systému Linux založený na principu copy-on-write. Systém využívá datové struktury postavené na tzv. B-stromech (v angličtině B-tree odtud vznikl název Btrfs) a stejně jako ZFS i Btrfs používá pokročilých funkcí pro ochranu, obnovu a škálování dat. Pro ochranu integrity dat využívá snímky, klony a kontrolní součty. Rozdílem proti ExtFS je také to, že podpora diskových svazků je integrována přímo v rámci souborového systému. Nejedná se tedy jako v případě Linuxového softwarového RAID o dva oddělené subsystémy (blokový RAID a souborový systém na něm vytvořený), ale o jeden kompaktní celek. Stávající uživatelé předchozích systémů ExtFS mohou na systém Btrfs migrovat za pomoci inteligentní a bezpečné konverze z verzí Ext2, Ext3 a Ext4. Toto výrazně usnadňuje případný přechod na tento souborový systém nové generace. (Btrfs, 2015) Tabulka č. 18 obsahuje přehled vlastností jednotlivých verzí souborového systému Btrfs. Parametr Btrfs Maximální velikost oddílu 16 exbibyte (2 64 bytes) Maximální velikost souboru 16 exbibyte (2 64 bytes) Maximální počet souborů 2 64 Maximální počet podadresářů Neuvedeno Deduplikace dat Není - ve vývoji Transparentní šifrování dat Není - ve vývoji Transparentní komprese dat Ano Tabulka č. 18: Přehled parametrů souborového systému Btrfs. Zdroj: (Btrfs, 2001) 33

34 3.7 Síťové karty (NIC) Síťové úložiště nemůže svou činnost vykonávat bez připojení do počítačové sítě. Jako rozhraní mezi počítačovou sítí a systémem NAS slouží síťové karty. Počet a rychlost těchto rozhraní se liší od zamýšleného využití NAS. Standardem je jeden kus síťové karty o rychlosti 1000 Mbps. Pro zajištění redundance a zvětšení síťového pásma, kterým je NAS do sítě připojen, se doporučuje, aby NAS obsahoval alespoň dvě síťová rozhraní. Pro využití pokročilých síťových služeb musí tyto služby podporovat nejenom operační systém, na kterém je NAS provozován, ale i síťové karty a síťové přepínače, do kterých jsou karty zapojeny. Jako přenosové médium síťových karet slouží metalické kabely, optická vlákna, nebo radio frekvence v případě připojení pomocí Wi-Fi dle standardů IEEE a/b/g/n/ac. Bezdrátové připojení není z důvodů rychlosti, stability připojení a v neposlední řadě i bezpečnosti doporučeno. Tabulka č. 19 obsahuje přehled běžně používaných standardů Ethernet připojení, které dnešních NAS zařízení využívají. Název Norma optika Norma metalika Rychlost Gigabitový ethernet IEEE 802.3z IEEE 802.3ab 1 Gbit/s Desetigigabitový ethernet IEEE 802.3ae IEEE 802.3an 10 Gbit/s Tabulka č. 19: Přehled síťových standardů používaných NAS. Zdroj: Autor Nosným médiem připojení do počítačové sítě je buď metalická, nebo optická kabeláž. Přechod mezi jednotlivými přenosnými médii zajišťují media konvertory. Cenově dostupným standardem je v současné době metalické připojení k síti LAN o rychlosti 1 Gbit/s dle normy IEEE 802.3ab. Kabeláž a porty na síťových zařízeních využívají konektor typu RJ45 dle standardu IEC Operační systémy používané v systémech NAS Cílem této práce je porovnání vlastností a výkonu systémů NAS založených na open source. Operačními systémy, které pro svůj běh používají NAS systémy, jsou různé distribuce Linuxu či BSD. Jedná se o open source systémy, což znamená, že jsou k těmto systémům veřejně dostupné zdrojové kódy, které je možné za určitých podmínek dále upravovat a šířit. Dále to také znamená, že jsou systémy poskytovány zdarma pro osobní i pro komerční použití. 34

35 Linux Tento počítačový operační systém respektující UNIX standardy je založený na Linuxovém jádru, jehož první verze byla na Internetu zveřejněna na konci roku 1991 jeho tvůrcem Linusem Torvaldsem. Díky své otevřenosti se stal systém velmi rychle alternativou komerčních produktů a na jeho vývoji se podílí tisíce vývojářů z celého světa (Linux, 2001). Za zmínku stojí, že Linux je pouze jádro operačního systému a funkční celek včetně přidružených programů se nazývá Linuxová distribuce. Do podvědomí široké veřejnosti je operační systém šířen pomocí svého maskota se jménem Tux, který má podobu sedícího tučňáka. FreeBSD Stejně jako Linux i FreeBSD je otevřený operační systém respektující UNIX standardy a vyvíjený velkou komunitou vývojářů. Na rozdíl od Linuxu je základem systém BSD (Berkeley Software Distribution) vyvinutý na University of California, Berkeley již na konci osmdesátých let dvacátého století. Samotný FreeBSD byl poprvé vydán v roce Pro marketingovou identifikaci systému využívá FreeBSD kresleného maskota Bestie ztvárněného jako malého červeného démona. (The FreeBSD Project, 1995) 35