Análisis de ESG Lab EMC DSSD D5: Rendimiento extremo en un ambiente de almacenamiento de uso compartido

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Resumen

En este análisis de ESG Lab, se documenta la auditoría de la prueba de rendimiento del arreglo “flash a escala de rack” EMC DSSD D5, el cual está diseñado para permitir un rendimiento extraordinariamente alto con almacenamiento compartido para las aplicaciones con mayor dependencia de latencia y rendimiento de hoy en día y del futuro.

Antecedentes

La analítica de big data está convirtiéndose rápidamente en funciones de TI generalizadas para las organizaciones de todos los tamaños. La capacidad para capturar y analizar conjuntos de datos masivos conlleva oportunidades profundas y, a la vez, mundanas: desde innovaciones médicas que realmente pueden salvar vidas y sistemas para el pronóstico de catástrofes hasta la detección de fraudes y la mejora de la agilidad empresarial. Las empresas reconocen el impacto que puede tener este tipo de análisis, sobre todo a medida que se preparan para la enorme cantidad de datos que generará la Internet de las cosas. Este crecimiento en la importancia de la analítica está respaldado por investigaciones de ESG, donde las iniciativas de analítica de datos y Business Intelligence pasaron del octavo puesto de las respuestas más citadas en la lista de prioridades de TI en 2015 al segundo en 2016, detrás de la ciberseguridad.1

Figura 1. Las 10 prioridades de TI más importantes para 2016

Fuente: Enterprise Strategy Group, 2016

1_{Fuente: Informe de investigación de ESG,}_{2016 IT Spending Intentions Survey}_{, febrero de 2016.}

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Análisis de ESG Lab

EMC DSSD D5: Rendimiento extremo en un

ambiente de almacenamiento de uso compartido

Fecha: Abril de 2016 Autor: Kerry Dolan y Tony Palmer, analistas ejecutivos de laboratorio

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Los retos

La analítica de big data está diseñada para obtener respuestas a partir de conjuntos grandes de datos, pero puede ser un proceso difícil. Imaginemos una consulta compleja de un conjunto de datos Oracle de 10 TB que, por ejemplo, toma todas las ventas web, de catálogo y de tiendas, así como los beneficios de este año y del año pasado a fin de crear una

proyección para ventas. Por el tamaño del conjunto de datos y la complejidad de la consulta, se vuelve una operación lenta. Asimismo, las cargas de trabajo como esta pueden implicar no solo un único proceso ejecutándose en un solo servidor, sino muchos componentes ejecutándose en cientos de servidores. Lamentablemente, cuanto más tome procesar estas cargas de trabajo, más obsoletos y menos útiles se vuelven los resultados. Para combatirlo, la TI desarrolló

alternativas, como el particionamiento complejo, la indexación compleja y las vistas materializadas, a fin de minimizar la I/O y reducir el conjunto de datos a un tamaño más manejable. Esto, a menudo, significa un menor rendimiento (dado que deben recopilarse los índices), más datos para almacenar e incluso datos más obsoletos. Otras soluciones incluyen

desarrollar una infraestructura que permita proporcionar suficiente potencia de procesamiento o ancho de banda de recopilación, lo cual se traduce en un enorme desperdicio de la capacidad de almacenamiento.

El crecimiento del almacenamiento flash, ayudado por la reducción de su precio en los últimos años, ha sido útil, pero hasta un cierto punto. Al reemplazar los discos duros basados en arreglos por la tecnología flash, se reduce la latencia de I/O; sin embargo, no se reduce en absoluto la latencia de la conectividad InfiniBand y Fibre Channel. Aunque las soluciones de almacenamiento compartido que usan estas tecnologías pueden admitir un rendimiento mucho más alto y una latencia más baja que los arreglos basados en disco duro, el tamaño y la complejidad de los conjuntos de datos en uso hoy en día constituyen un reto importante; incluso estas soluciones pueden tener dificultades para proporcionar suficiente ancho de banda. Las soluciones flash conectadas al servidor pueden impulsar el rendimiento y reducir la latencia aún más, pero mantienen aislado el almacenamiento, por lo que no se puede compartir y no se escala fácilmente.

La solución: DSSD D5

Para cumplir con los requisitos actuales, se necesita una nueva arquitectura que ofrezca los beneficios de rendimiento del almacenamiento interno o de conexión directa, pero que, a la vez, se pueda compartir sin ningún punto único de falla, como el almacenamiento en red. DSSD D5 proporciona esa nueva arquitectura, que aprovecha la tecnología flash más rápida del mercado, NVM Express (NVMe), la cual se conecta al bus PCIe. El arreglo D5 ofrece el tipo de rendimiento que puede permitir prescindir de las soluciones alternativas, que apuntan a reducir el tamaño, y que puede manejar la computación de alto rendimiento y el análisis de conjuntos de datos masivos. De este modo, la administración de datos puede ser más simple y tener mayor capacidad de respuesta, además de mantener el análisis de conjuntos completos de datos activos y no de subconjuntos de datos obsoletos. De acuerdo con EMC, DSSD D5 puede generar 100 GB/s, más de 10 millones de IOPS y una latencia de tan solo 100 microsegundos, lo cual multiplica muchas veces el rendimiento de otras soluciones flash. De este modo, permite que las cargas de trabajo de analítica de varios pasos se ejecuten en la misma plataforma, en lugar de hacerlo en varias plataformas por separado.

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Figura 2. DSSD D5

Hardware

Cada DSSD D5 viene en un factor de forma de 5U y proporciona 144 TB de flash (100 TB usables, de aprovisionamiento delgado), al que pueden acceder hasta 48 hosts Linux. Dado que PCIe es el conector de almacenamiento más rápido, se utiliza tanto para los módulos flash NVMe como para las interconexiones entre servidores. Al contar con planos separados para el control y los datos, se garantiza que las aplicaciones puedan aprovechar todo el rendimiento de las unidades NVMe. Todos los principales componentes del arreglo D5 son redundantes y se pueden reemplazar en sitio, con lo cual no se produce ningún punto único de falla.

Son muchas las innovaciones en arquitectura que hacen que esto sea posible, sobre todo los módulos flash, los módulos de control y los módulos de I/O del arreglo D5.

• Módulos flash. El arreglo D5 incluye 36 módulos flash NVMe de 2 TB o 4 TB personalizados y de conexión en caliente, que proporcionan acceso paralelo a más de 18,000 matrices NAND. Cada módulo flash cuenta con interfaces PCIe dobles de 4 GB/s que se unen a conexiones Gen 3 de cuatro canales en los módulos de I/O, con un rendimiento total de 8 GB/s. Un circuito de vaulting integrado protege los datos contra fallas de alimentación. Cada módulo flash se conecta a módulos de control dobles para ofrecer una redundancia y una disponibilidad de nivel empresarial. Los módulos flash están listos para admitir futuros avances, como incrementos de capacidad, mediante las tecnologías NVMe y NAND 3D.

• Módulos de control. Los módulos de control activo-activo dobles ofrecen inteligencia y alta disponibilidad, y rastrean el tipo y la ubicación de los datos, pero están separados de la ruta de datos. Como administran un único pool lógico de flash (en lugar de discos SSD individuales), permiten que varios servidores compartan bits de datos para proporcionar un procesamiento en paralelo.

• Módulos de I/O. Esta malla PCIe consta de módulos de I/O redundantes activo-activo, cada uno con 48 puertos PCIe Gen 3 de cuatro canales, lo cual da un total de 96 puertos. El flujo de I/O circula directamente entre los módulos flash y las aplicaciones mediante los módulos de I/O, y permite un acceso directo a la memoria (DMA). Hasta dos tarjetas de cliente por servidor se conectan mediante cables dobles PCIe Gen 3 x4 de conexión en caliente. Las múltiples rutas de I/O (MPIO) de NVMe están siempre activas, lo cual permite una conmutación por error de rutas transparente y la capacidad de agregar ancho de banda o servidores mientras el arreglo D5 procesa las operaciones de I/O en otros hosts.

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Por otra parte, el perfil de energía permite que el arreglo D5 ofrezca en cada módulo flash 50 vatios de potencia, lo cual mantiene la lectura y escritura en simultáneo de las más de 18,000 matrices NAND; esto es algo que otras soluciones flash no pueden hacer porque no tienen suficiente potencia. En cuanto a la refrigeración, no solo hay ventiladores redundantes, sino que incluso los ventiladores tienen rotores dobles en caso de que un conjunto falle.

Software

Las innovaciones de software también son importantes en el arreglo D5: el cambio de arquitectura demandó que el software fuera más simple y eficiente. Un componente esencial es el software Flood, que se ejecuta en el cliente (instalado mediante la tarjeta de cliente) y en el arreglo D5. Flood ofrece varias funciones: la interfaz del cliente, el motor DMA, un área de almacenamiento de objetos de alto rendimiento, administración y protección de datos, y la interfaz CLI de la aplicación.

La pila de I/O heredada se diseñó para discos duros y requiere varios pasos que agregan latencia impredecible. Con el arreglo D5, el software Flood permite que las aplicaciones emitan solicitudes de I/O directamente al fabric PCIe sin tener que realizar llamadas al sistema operativo, a las copias de búfer, a los administradores de volúmenes o a los sistemas de archivos. Los datos se mueven directamente entre la aplicación y las unidades NVMe a través del fabric PCIe.

Dado que el arreglo D5 es un área de almacenamiento de objetos, puede proporcionar alto rendimiento a muchos tipos de aplicaciones modernas y tipos de datos. La interfaz de bloques permite que las aplicaciones de bloques (sin modificar) accedan a los LUN virtuales en el arreglo D5. La API de Flood admite varios tipos de objetos, incluidas recopilaciones de valores clave, y un complemento que admite nodos Hadoop. Todos los modelos de acceso pueden ejecutarse en simultáneo desde varios procesos, ya sea dentro de un servidor o entre varios servidores.

Otras capacidades de Flood son las siguientes:

• Nivelación del desgaste global y mejor recolección de elementos no utilizados para evitar puntos problemáticos en flash, lo cual garantiza la máxima vida útil del medio flash y el mejor rendimiento.

• Control de la física de flash para optimizar las matrices NAND de acuerdo con la antigüedad y la temperatura del sistema y para extender la vida útil de flash.

• Cubic RAID para ofrecer una protección de datos multidimensional. La tecnología flash a escala de rack necesita otra forma de protección de datos, distinta del RAID tradicional. Cuando falla un disco duro estándar, falla todo el sistema y una unidad administrada cuenta con una cantidad relativamente pequeña de discos (24 discos duros en un arreglo). Con flash, cada matriz NAND puede fallar por sí sola y se lleva los bits almacenados. En el arreglo D5, cada módulo flash contiene 512 celdas flash y en un arreglo D5 completamente equipado hay más de 18,000 de estas celdas. Con Cubic RAID, todas las matrices NAND están protegidas en la capa del chip dentro de los módulos flash y entre ellos, lo cual aporta mayor resistencia que los algoritmos RAID anteriores. La administración en forma de cuadrícula incluye bits de paridad con filas y columnas, así como bits de paridad de intersecciones que pueden reparar los errores tanto de las filas como de las columnas, lo cual permite una mejor recuperación de datos.

Prueba de ESG Lab

Prueba auditada en ESG Lab de EMC DSSD D5 en las instalaciones de Menlo Park de EMC. La prueba fue diseñada con el objetivo de validar que el arreglo D5 proporcionara suficiente rendimiento para ofrecer una ejecución de consultas más rápida, tiempos de ejecución más confiables, menos sobrecarga en la administración y menor duplicación de datos, en comparación con las implementaciones flash tradicionales de uso compartido conectadas a SAN.

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El ambiente de pruebas incluyó ocho servidores Dell R630, cada uno con procesadores Intel E5 de 18 cores dobles y 256 GB de memoria, que se ejecutaron en clústeres Oracle Real Application Clusters (Oracle RAC) 12c. Cada servidor se conectó a un único arreglo D5 mediante una tarjeta de cliente DSSD, en una configuración de tarjeta única, a través de dos puertos por servidor. (La configuración estándar utiliza tarjetas dobles con cuatro puertos por servidor). En las pruebas se usaron un conjunto de datos de 5 TB y un esquema diseñado para simular un sistema de apoyo para la toma de decisiones de una organización de comercio minorista moderna. El rendimiento se probó mediante una consulta compleja sobre la proyección para ventas, que incorporó varias operaciones UNION y JOINn.

Es importante destacar que las pruebas estuvieron diseñadas para analizar la utilidad del uso de vistas materializadas a fin de optimizar las consultas largas y complejas en comparación con el simple aprovechamiento del ancho de banda de D5; el objetivo no fue validar los límites superiores del rendimiento del arreglo D5.

La figura 3 muestra el plan de explicación de la consulta compleja, como se presenta en Oracle Enterprise Manager 13c. La sección resaltada muestra la porción de la consulta que se reemplazó con la vista materializada. La vista materializada fue diseñada para reducir el volumen de análisis de I/O en dos tercios y, a la vez, dejar tres operaciones JOIN y dos operaciones UNION.

Figura 3. Plan de explicación de Oracle Enterprise Manager 13c

En primer lugar, se ejecutó la consulta en la base de datos, sin optimización. En la figura 4, se muestra la interfaz del usuario del arreglo D5 durante la ejecución de la consulta. Como se ve aquí, un único arreglo D5 servía cerca de 35 GB/s de rendimiento. La consulta se completó en 4.5 minutos.

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Figura 4. Interfaz del usuario de EMC DSSD D5 User Interface: ejecución de consultas

A continuación, se ejecutó la consulta optimizada para la vista materializada. La optimización se tradujo en la reducción del tiempo de ejecución de la consulta a 3.4 minutos, es decir, un 24 %. Es importante tener en cuenta que esto se debe a que las porciones sin gran actividad de I/O de la consulta (específicamente la fase BUFFER SORT) se volvieron

dominantes cuando se redujo el requisito de I/O. Esto se ve mejor ilustrado en la comparación de las estadísticas de la pestaña Metrics en Oracle Enterprise Manager. Como se muestra en la figura 5, el mismo incremento se produce en los gráficos de CPU Used tanto para las consultas completas como para las optimizadas, a la vez que los gráficos de I/O Throughput muestran un valle en ambas consultas en el mismo punto.

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Lo que esto implica es que, si bien las vistas materializadas pueden reducir notablemente los requisitos de ancho de banda de I/O, es posible que sigan existiendo requisitos de CPU significativos, según el porcentaje de la consulta que pueda materializarse. Con el arreglo D5, hay suficiente ancho de banda crudo de modo que la I/O en las tablas de datos crudos se vuelve menos significativa que el procesamiento residual. Asimismo, en todos los arreglos todo flash, se requieren recursos de CPU para procesar datos. En DSSD D5, los hosts procesan sus propios datos mediante el acceso DMA, lo cual les permite aprovechar la totalidad del acceso en paralelo a los 18,000 chips NAND de la aplicación; esto, a su vez, reduce notablemente la contención entre las sesiones.

Para ver el efecto que esto podría tener en el mundo real, ESG Lab comparó el rendimiento de D5 con el de un típico arreglo todo flash, en función de una configuración de único arreglo con una especificación de rendimiento de la “hoja de datos” de 3 GB/s; este rendimiento es un poco más alto que el promedio que ESG Lab observó en los arreglos todo flash que ejecutan cargas de trabajo en la base de datos. Los tiempos de ejecución de la consulta para el arreglo todo flash se modelaron tomando la cantidad total de datos analizados durante la consulta completa y la vista materializada,

calculando cuánto tiempo le llevaría al arreglo todo flash analizar los datos y, luego, sumando ese tiempo a la porción sin I/O de la consulta.

Figura 6. D5 versus el arreglo basado íntegramente en tecnología flash: consulta completa y vista materializada

Como se muestra en la figura 6, si bien la vista materializada proporciona una reducción del 64 % en el tiempo de ejecución de la consulta para el arreglo todo flash estándar mediante la disminución de las operaciones de I/O, D5

presenta un efecto de optimización mucho más bajo (del 24 %). El valor y la utilidad de las vistas materializadas se reducen aún más cuando se tienen en cuenta la gran cantidad de tiempo de desarrollo y de operaciones complejas invertido en crear y mantener las vistas, junto con la obsolescencia de los datos y los problemas de requisitos de capacidad adicional propios de las vistas materializadas.

Es importante destacar que esta prueba de laboratorio simula un único analista de negocios que ejecuta una sola consulta. El impacto se ve intensificado cuando varios analistas de negocios ejecutan varias consultas en simultáneo. Incluso si se usan vistas materializadas en arreglos todo flash, la organización obtendrá respuestas más rápidas si usa DSSD.

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En la Figura 7, se comparan el arreglo D5 que ejecuta la consulta completa y el arreglo todo flash que ejecuta la consulta optimizada mediante la vista materializada. Sin optimizaciones, D5 redujo el tiempo de las consultas en más del 55 %.

Figura 7. Consulta completa de D5 versus vista materializada del arreglo basado íntegramente en tecnología flash

Los datos usados para modelar las comparaciones de rendimiento se detallan en la Tabla 1.

Tabla 1. Resultados del tiempo de ejecución de la consulta compleja

Plataforma Ancho de _banda Consulta escaneados Datos

(GB)

Tiempo para escanear (segundos)

Porción sin I/O de la consulta

(segundos)

Tiempo total (segundos)

EMC DSSD D5 _(probados)32 GB/s Completo 4,710.4 147.2 122.8 270.0

Arreglo todo

flash (informados) 3 GB/s Completo 4,710.4 (modelados) 1,570.1 122.8 (modelados) 1,692.9

EMC DSSD D5 _(probados)32 GB/s materializada Vista

optimizada 1,331.2 41.6 162.4 204.0 Arreglo basado íntegramente en tecnología flash 3 GB/s (informados) Vista materializada optimizada 1,331.2 443.7 (modelados) 162.4 (modelados) 606.1

Por último, ESG Lab examinó una carga de trabajo con 100 % de lectura generada mediante la utilidad SLOB2. Como se ve en la Figura 8, la instancia de D5 en prueba pudo tener un rendimiento de 43.7 GB/s y un tiempo de respuesta promedio de 5.35 millones de 8 KB de Oracle IOPS en 300 microsegundos, lo cual confirma que DSSD D5 tiene la capacidad de aumento para admitir más cargas de trabajo además de la consulta compleja detallada anteriormente.

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Figura 8. Simulación de una consulta simple: I/O de Oracle de 8 KB con 100 % de lectura

Para validar la aplicación en el mundo real de los conceptos explorados en este informe, ESG Lab se comunicó con uno de los clientes de DSSD D5 de EMC. CMA Consulting desarrolla suites de productos de software que se ocupan de la

optimización de bases de datos, administración financiera y recursos humanos; además, ofrece servicios de consultoría en administración y tecnología para el sector público y clientes comerciales.

CMA observó un rendimiento de más de 54 GB/s en una sola ejecución de las cargas de trabajo de consultas en la vida real. En palabras de Brian Dougherty, arquitecto técnico principal de CMA: “La carga de trabajo de CMA pesa sobre el sistema de almacenamiento, y D5 volvió a darle vida a Oracle”.Este ejemplo confirma que una única instancia de DSSD D5 puede manejar las consultas de Oracle más complejas con un ancho de banda adicional para más consultas simultáneas.

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La gran verdad

Las infraestructuras heredadas no se desarrollaron para las aplicaciones, los conjuntos de datos o los medios de almacenamiento de hoy en día, y no logran estar a la altura de los requisitos de rendimiento. Hoy en día, las

organizaciones utilizan cómputo en la memoria y aplicaciones como NoSQL, Hadoop y Splunk para consultar petabytes de datos que se almacenan en discos SSD. La incorporación de tecnología flash a los arreglos o servidores tradicionales trajo algunas mejoras graduales, pero solo con un rediseño tanto de hardware como de software se pueden aprovechar al máximo las capacidades de rendimiento de la tecnología flash de NVMe de hoy en día.

Aunque el concepto de “latencia de la aplicación” puede sonar a una métrica de TI aburrida, la latencia, en rigor, suele ser el factor determinante. Con la aceleración del procesamiento de conjuntos grandes de datos, se pueden ahorrar miles de millones de dólares, lo cual reduce el procesamiento de detección de fraudes de 60 ms a 1 ms. Esto puede permitir salvar vidas, ya que se reduce el tiempo de secuenciación de un genoma de años a minutos. Los procesos que pueden

beneficiarse son demasiados como para enumerarlos: por ejemplo, un vuelo de aerolínea promedio genera 500 GB de datos, por lo que los principales aeropuertos que operan más de 1,500 vuelos por día, cada uno con un período de mantenimiento de dos horas, necesitan procesar cantidades masivas de datos a muchísima velocidad para mantener la seguridad de los vuelos y poner las operaciones en marcha.

DSSD D5 ofrece los beneficios de la latencia en el lado del servidor y el almacenamiento compartido. Está diseñado para cargas de trabajo que requieren un rendimiento extremadamente rápido y deben aprovechar conjuntos grandes de datos. Ofrece el rendimiento de más de 18,000 matrices NAND, todas operando en paralelo, que se ejecutan en el fabric PCIe hacia los clientes conectados a PCIe, con una protección de datos flash avanzada. De este modo, las organizaciones pueden usar los conjuntos de datos más grandes y realizar más análisis con menos ajustes. Esto significa que las

organizaciones pueden obtener las respuestas que están buscando de manera mucho más rápida y con datos más actualizados.

ESG Lab validó que DSSD D5 puede aprovechar su ancho de banda masivo para ejecutar consultas complejas en conjuntos grandes de datos, sin cargas de trabajo ni optimizaciones que requieran mucho trabajo para reducir la cantidad de datos que se analizarán. D5 demostró que puede realizar análisis no optimizados de un conjunto de datos de 5 TB en menos de la mitad del tiempo requerido por un arreglo todo flash estándar mediante vistas materializadas.

Por qué es importante

La analítica de big data y el procesamiento de la base de datos de alto rendimiento ya no son requisitos especiales de un nicho de mercado. Si bien muchas de sus aplicaciones son exóticas (genómica, computación de alto rendimiento e incluso la búsqueda de vida extraterrestre), la analítica de big data resulta necesaria para tareas como hacer un seguimiento de las transacciones en línea de los clientes, manejar los aumentos estacionales de las cargas de trabajo y simplemente permitir que las organizaciones superen tácticamente a la competencia, que está a solo un clic de distancia.

ESG Lab validó el rendimiento extremo de DSSD D5 que ejecuta consultas complejas en un conjunto de datos de 5 TB en un ambiente Oracle RAC y comparó estos resultados con lo que se pueden lograr mediante un arreglo todo flash

estándar. ESG Lab halló que D5 podía completar una consulta compleja y a largo plazo en el conjunto completo de datos sin optimizaciones en menos de la mitad del tiempo que llevaría hacerlo con un típico arreglo todo flash.

Con DSSD D5, ya no se necesitan soluciones alternativas complejas para reducir el tamaño del conjunto de datos, de modo que el análisis puede hacerse a tiempo y con datos más actualizados. Las administraciones de base de datos (DBA) pueden invertir menos tiempo en intentar optimizar las consultas y ajustar el sistema, y más tiempo en esfuerzos de negocios productivos. Las empresas acceden con más rapidez a la información (las respuestas reales a sus preguntas) con un ambiente de aplicación mucho más simple y una solución de almacenamiento que empaqueta mucho en un espacio físico reducido.

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ESG Lab quedó muy sorprendido con DSSD D5. Las arquitecturas de hardware y software se desarrollan específicamente para la tecnología flash de NVMe, que funciona de manera distinta a los discos duros. Como resultado, D5 consigue niveles de rendimiento y protección de datos que otras soluciones híbridas o todo flash simplemente no pueden

alcanzar. DSSD D5 ofrece mejores capacidades para la solución de problemas, que son posibles por órdenes o magnitud; como resultado, los clientes pueden tener dificultades al comienzo para darse cuenta de qué pueden hacer con una solución de este tipo. Pero sí que será interesante ver cómo lo averiguan.

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