Optymalizacja wydajności systemów Network Attached Storage (NAS) poprzez skalowanie architektury lokalnej dla zastosowań komercyjnych / Optimizing Network Attached Storage (NAS) Performance by Scaling Local Architecture for Commercial Applications

Abstract

Opracowanie przedstawia analizę i praktyczną ocenę metod optymalizacji wydajności systemów Network Attached Storage (NAS) poprzez skalowanie architektury lokalnej w zastosowaniach komercyjnych. W części przeglądowej omówiono podejścia scale-up i scale-out, techniki zwiększania wydajności (cache SSD, multipath I/O, tiering, nowoczesne protokoły SMB/NFS) oraz porównano rozwiązania open-source i komercyjne pod kątem skalowalności i złożoności wdrożenia. W części wdrożeniowej zbudowano platformę testową opartą na TrueNAS SCALE i systemie plików ZFS, wyposażoną w 2-8 dysków HDD oraz opcjonalny cache SSD NVMe. Przeprowadzono testy syntetyczne (fio) oraz testy rzeczywistych transferów plików (DiskBench), badając wpływ liczby dysków, konfiguracji RAID oraz zastosowania pamięci podręcznej SSD na przepustowość, IOPS i opóźnienia. Wyniki potwierdziły, że skalowanie pionowe przez dodawanie dysków istotnie zwiększa wydajność do momentu, w którym pojawiają się ograniczenia kontrolera i narzut RAID, a cache SSD może obniżać opóźnienia o kilkanaście procent i podnosić przepustowość nawet o kilkadziesiąt procent w wybranych scenariuszach. Na tej podstawie sformułowano praktyczne rekomendacje doboru architektury (scale-up vs. scale-out), konfiguracji RAID, cache SSD oraz infrastruktury sieciowej dla małych i średnich firm, które chcą stopniowo zwiększać wydajność NAS bez natychmiastowego przechodzenia do kosztownych rozwiązań korporacyjnych.

The chapter presents an analysis and practical evaluation of methods for optimising the performance of Network Attached Storage (NAS) systems by scaling local architecture for commercial workloads. The review part discusses scale-up versus scale-out approaches, techniques for improving performance (SSD caching, multipath I/O, tiering, modern SMB/NFS protocols) and compares open-source and commercial NAS platforms in terms of scalability and deployment complexity. In the implementation phase, a test platform based on TrueNAS SCALE and the ZFS file system was constructed, utilising 2-8 HDDs and an optional NVMe SSD cache. Synthetic tests (fio) and real-world file transfer tests (DiskBench) were conducted to evaluate the impact of disk count, RAID configuration, and SSD cache on throughput, IOPS, and latency. The results show that vertical scaling by adding disks significantly increases performance until controller limits and RAID overhead become dominant, while SSD cache can reduce latency by several tens of percent and increase throughput by up to several dozen percent in selected scenarios. Based on the findings, the paper formulates practical recommendations on choosing architecture (scale-up vs. scale-out), RAID layout, SSD caching strategy and network infrastructure for small and medium-sized businesses that wish to gradually improve NAS performance without immediately migrating to costly enterprise storage solutions.