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        行業新聞

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        如何用好你的SSD

        發布時間:2021-04-16

        瀏覽次數:75

        一、如何充分發揮出SSD的性能

        首先,我們來看看傳統HDD的使用方式:

        1. SAS、SATA接口;
        2. 的IO調度需要用電梯算法來對IO進行重排以優化磁頭的路徑;
        3. Raid卡做數據保護。

        在接口協議方面,隨著SSD的發明,NVMe協議應運而生。相較于SAS、SATA的單隊列機制,NVMezui多可以有65535個隊列,并且直接采用PCIe接口,消除了鏈路和協議瓶頸。

        在控制卡生態方面,各大廠商也紛紛推出自己的NVMe控制卡芯片,有PMC(現屬于Microchip)、LSI、Marvel、Intel、慧榮以及國內的得瑞等,技術也已經非常成熟。

        在Linux 驅動和IO協議棧方面,也做了相應的優化,如下圖所示,NVMe驅動可以直接繞過那些傳統的、專為HDD設計的調度層,dada縮短了處理路徑。


        到目前為止,為了充分發揮SSD的性能,上面提到的三個傳統HDD的問題中前兩個已經得到了解決,然而在企業級市場上,基于NVMe的Raid始終沒有太好的方案。傳統企業zuiguang泛使用的Raid5/Raid6數據保護機制(N+1, N+2),通常是把數據條帶化分片,然后計算出冗余的Parity Code(奇偶校驗碼),將數據存放到多塊硬盤,寫入新數據通常是一種“讀改寫”的機制。這種機制本身就成為了性能瓶頸,并且“讀改寫”對SSD的使用壽命有很大的損耗。另外,因為NVMe協議把控制卡放到了NVMe盤的內部,IO都由NVMe盤內部的DMA模塊來完成,這就給基于NVMe的Raid卡設計帶來了更大的困難。目前市場上這類Raid控制卡可用方案也很少,并且性能上也無法發揮出NVMe的優勢,因此沒能被guang泛使用。

        基于目前這種狀況,很多企業級存儲方案仍然在使用SAS/SATA的SSD加傳統的Raid卡,這種方式又會出現前面已經解決的兩個問題,SSD的性能得不到充分發揮。

        然而,這樣的情況也在發生改變,由Lightbits Labs發明的NVMe over TCP(NVMe/TCP)存儲集群解決方案就對這個問題做了很好的處理。該解決方案通過自主研發的一塊數據加速卡,采用Erasure Code(糾刪碼)機制可以做到超過1M IOPS的隨機寫性能,并且可以避免“讀改寫”帶來的使用壽命損耗。另外,Lightbits提出了Elastic Raid機制,該機制提供彈性的N+1保護(類似于Raid5),相較于傳統的Raid5需要熱備盤或者需要及時替換損壞盤,該機制在一塊硬盤發生損壞之后能自動平衡形成新的保護。比如一個節點內原先有10塊盤,采用9+1的保護,當某塊盤損壞后,系統會自動切換成8+1的保護狀態,并且把原先的數據再平衡到新的保護狀態,從而在可維護和數據安全性方面實現了大幅提升。此外,該數據加速卡還能做到100Gb的線速壓縮,xian著提高了可用容量,進而能大幅降低系統使用成本。

        二、如何提升NVMe盤的持久性

        目前使用zuiguang泛的SSD是基于NAND顆粒的,而NAND一個與生俱來的問題就是持久性(endurance)。并且隨著技術的發展,NAND的密度也越來越高,zui新一代已經到了QLC(4bits per Cell),同時每個Cell可被擦寫的次數也在減少(1K P/E Cycles)。

        另外,對NAND的使用有一個特點,就是可擦的zui小單位比較大,如下圖所示,寫的時候可以4KB為單位往里面寫,但是擦的時候(比如修改原有數據)卻只能以256KB為顆粒來操作(不同的SSD大小不一樣,但原理都一樣)。這就容易形成空洞而觸發SSD的GC(Garbage collection)數據搬移,進而導致所謂的寫放大現象,對盤的持久性會產生進一步影響。



        在企業級存儲中,通常使用Raid5/6這種“讀改寫”的機制,會對盤的寫操作數量進一步放大,一般使用場景下大約是直接寫入方式的2倍損耗。此外,很多Raid5還會啟動Journal機制,對盤的使用壽命會進一步損耗。

        zui后,對于zui新的QLC來說,使用中還需要考慮另一個因素——Indirection Unit (IU)。比如有些QLC盤使用 16KB的IU,如果要寫入較小的IO,也會觸發內部“讀改寫”,對使用壽命又多一重損傷。

        由此可以看出,基于NAND的SSD還是比較嬌弱的。不過,只要能正確地使用,還是可以避免這些問題。比如以某常用的QLC盤為例,通過如下兩組關于性能和持久性相關的參數可以看出,在持久性上順序寫是隨機寫的5倍,而性能更是26倍:

        • 0.9 DWPD, 隨機4K寫0.18 DWPD;
        • 1600 MB/s, 隨機4K寫15K IOPS(60MB/s)。

        通過上面的分析發現,能把盤使用在一個zui佳的工作狀態至關重要。好消息是目前一些先進的解決方案,比如Lightbits的全NVMe集群存儲解決方案就可以解決這個問題。該方案通過把隨機IO變成順序IO的方式,以及獨有的Elastic Raid技術避免了Raid“讀改寫”的弊端,從而能大幅提高盤的持久性及隨機性能。

        三、如何降低使用成本

        由于SSD相對于HDD而言是一項新技術,再加上產業的生產規模和需求量的矛盾,目前價格相比HDD仍然偏高。那么如何降低SSD使用成本就變得非常重要。

        降低使用成本zui重要的一環就是要把SSD充分使用起來,無論是容量還是性能。不過就目前而言,大多數NVMe盤都是直接插在應用服務器上使用,而這種方式非常容易造成大量的容量和性能浪費,因為只有這臺服務器上的應用才能使用它。根據調研發現,使用這種DAS(Direct Attached Storage,直連式存儲)方式,SSD的利用率大概在15%-25%。

        針對這個問題比較好的解決方法是近幾年來市場上被guang泛接受的“解耦合”架構。解耦合之后,把所有的NVMe盤變成一個大的存儲資源池,應用服務器用多少就拿多少,只要控制總數量夠用就行,可以非常容易地將利用率推到80%。另外,因為資源集中起來,可以有更多的手段和方法用于降低成本,比如壓縮。例如,平均應用數據壓縮比在2:1,就相當于多了一倍的可用容量,也相當于每GB價格降了一半。當然壓縮本身也會帶來一些問題,比如壓縮本身比較費CPU,另外很多存儲解決方案在開啟壓縮之后性能就會dada降低。

        針對壓縮方面的問題,Lightbits的NVMe/TCP集群存儲解決方案可以通過存儲加速卡來予以解決。該卡可以做到100Gb的線速壓縮能力,并且不消耗CPU,不增加延遲。利用這樣的解決方案,壓縮功能幾乎沒有額外的成本。此外,正如前面在介紹提高持久性時所提到的,Lightbits解決方案能提高使用壽命并支持使用QLC盤,從整個使用周期來看,在使用成本方面也會有非常大的降低??偟膩碚f,通過解耦合提高使用效率,壓縮提高可用容量,優化提高使用壽命或啟用QLC,經過這樣的重重提升,SSD的使用成本可以得到極大的控制。

        以上從性能、持久性、使用成本三個方面分析了如何用好SSD盤,可以看到要用好NVMe SSD盤還是不容易的。因此,對一般用戶而言,選擇一個好的存儲解決方案就至關重要。為此,以色列創新公司Lightbits以充分發揮NVMe盤的zui大價值為使命,發明了NVMe/TCP協議,并推出了新一代的全NVMe集群存儲解決方案,可以幫助使用者輕松地將SSD盤用好。


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