NAS 的全名為網路儲存伺服器(Network Attached Storage),是一台可以放在家中或辦公室的私人儲存設備,而NAS的用途是什麼呢?簡單來說就是一台透過網路連線分享檔案、集中管理檔案,擁有伺服器服務的『智慧型儲存裝置』。NAS 系統具有彈性而且可以橫向擴充,這代表當需要更多儲存裝置時,可以繼續添加到原有裝置上。NAS 就像辦公室裡的私人雲端,它的速度比較快、成本比較低,而且可在內部提供公用雲端的所有優點,同時完全可由自己掌控。

近年來,由於科技的日新月異,使用者對NAS的需求不再單純當作檔案伺服器的角色,而是讓NAS擔任更多的角色,例如多媒體伺服器、應用程式伺服器、資料庫伺服器以及Virtualization Station (虛擬機工作站)。也因此NAS上所使用的元件的規格也越來越高規格,從過往使用ARM CPU或是Intel Atom CPU即足以應付,演進到目前的Intel Core i7、Intel XEON、AMD Ryzen CPU,系統記憶體也從早期的512MB、1GB演進到近期的16GB、32GB,大大提升了NAS的運算能力。但是NAS使用的儲存媒介,卻因為大型的容量需求,主要還是使用傳統的機械式硬碟 (HDD),這也限制了NAS在需要檔案存取時的效能緩慢,例如於NAS上運行需要大量I/O應用的話(如資料庫),硬碟緩慢的隨機讀寫速度會影響效能,使應用程式回應速度大大降低,或是於NAS上運行Virtualization Station時,透過硬碟組成的磁碟區往往會令虛擬機反應緩慢,讓使用者覺得效率不佳。

因此NAS系統製造商開始在新的NAS型號上加裝固態硬碟(SSD, Solid State Disk),利用SSD讀寫速度快以及隨機存取效能比傳統硬碟快上百倍的特性,讓較常存取的數據資料暫存在SSD中,縮短數據資料從傳統硬碟 (HDD)中取出的等待時間。

目前SSD快取在網路儲存伺服器NAS上的應用,主要分為兩個大方向:

  • 讀取快取 (Read only cache)
  • 讀取 + 寫入快取 ( Read and Write cache)

接下來為各位介紹這兩種SSD快取模式的功能與特點。

1. 讀取快取 Read only cache

NAS系統會將最常使用的資料數據複製一份,儲存到SSD中,所以當使用者需要這些常用的資料數據時,NAS系統就能從SSD中優先讀取資料,提供較佳的反應速度及傳輸效能。

將SSD當作NAS上的讀取快取  (Read only cache) 時,由於快取是唯讀(Read only)模式的關係,無法編輯修改所有從HDD複製到SSD上的資料數據,因此就算當作讀取快取的SSD損毀,也不會對儲存於HDD中的數據資料有所影響,所以可以使用單顆SSD或是RAID 0的SSD陣列當作讀取快取的載具。

對於不須頻繁修改的資料數據,可以利用讀取快取機制,加速提升反應速度及傳輸效能。反之,如果資料數據需要頻繁修改編輯的話,在效能提升上的幫助趨近於0。

2. 讀取 + 寫入快取 ( Read and Write cache)

讀取 + 寫入快取  ( Read and Write cache)於NAS上的應用可分為兩種形式。

  • 第一種是直接寫入  (Write-through) 式SSD快取:資料數據會同時寫入SSD快取及主要儲存區HDD,SSD快取可以提供高速的資料傳輸跟數據檢索,而主要儲存區HDD可以保護資料數據不會因SSD的故障而產生損失,也因此直接寫入式SSD快取也可以僅使用單顆SSD或是RAID 0的SSD陣列來當作快取,只不過會增加寫入的延遲及寫入的時間。
  • 第二種是回寫  (Write-back) 式SSD快取:資料數據會先寫入到SSD快取中,等待寫入完成後,再將資料數據寫回主要儲存區的HDD磁碟陣列中。這個方式比起直接寫入  (Write-through)的寫入延遲要來的更低,但是如果在資料數據尚未寫入回主要儲存區HDD之前SSD出現故障,尚未寫入的資料就會有遺失的風險存在,所以回寫式SSD快取的典型配置會以RAID 1 或是RAID 5 SSD 磁碟陣當作快取,以避免資料數據丟失的問題。

行文至此,本文作為SSD快取應用的第一篇,介紹了SSD快取在網路儲存伺服器NAS上的應用方式,也提到了SSD快取應用在網路儲存伺服器NAS上可以有效地提升資料數據的傳輸效能及反應速度,關於相關的測試數據,我們會在下一篇NAS新型態應用:加裝SSD快取真的「利大於弊」嗎?(二)的文章中,以實際測試的數據來客觀分析SSD快取在網路儲存伺服器NAS上能帶來的好處與壞處有哪些。

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