閃存存儲設(shè)備的高速度已經(jīng)改變了應(yīng)用連接數(shù)據(jù)的方式，同時也預(yù)示著老舊存儲設(shè)備的末日要來了。
直面存儲系統(tǒng)的瓶頸
由于虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)，服務(wù)器端的計算效率和靈活性獲得了突飛猛進。然而，存儲端方面的速度卻一直停滯不前。實際上，存儲世界與磁帶剛開始統(tǒng)治數(shù)據(jù)中心的時代相比并沒有做出非常大的改變。因此，我們發(fā)現(xiàn)自己處在這樣一種形式之下：數(shù)據(jù)中心內(nèi)其中一部分堆棧的效率相比另外一部分有著明顯的提高。更為糟糕的是，這一弱勢群體在架構(gòu)上就無法采用最新出現(xiàn)的存儲領(lǐng)域的創(chuàng)新，也就是閃存技術(shù)。
作為對上述形式的回擊，類似谷歌和臉譜之類的技術(shù)巨頭已經(jīng)開始建立自己研發(fā)的可擴展和低成本的系統(tǒng)，但是這類創(chuàng)新還沒有找到進入企業(yè)級數(shù)據(jù)中心的路。同時，存儲市場還是被那些銷售磁盤容器的廠商所占據(jù)。而這類短期內(nèi)的解決方案向用戶承諾了很多，但是卻無法解決根本上的問題。
在這篇文章中，我將描述一些Coho Data工程團隊的一些見解，以及我在參與建設(shè)一個高性能、Web擴展存儲系統(tǒng)時的一些心得。特別是，我將重點介紹在現(xiàn)代橫向擴展存儲系統(tǒng)中發(fā)掘新興的閃存存儲全部容量時所遇到的挑戰(zhàn)。
當人們嘗試理解和提高任何一個軟件系統(tǒng)的性能時，首先想到的第一個階段一般都是去確定最重要的性能瓶頸在哪里。我們都本能地知道他們是如何工作：如果我們想讓一個軟件系統(tǒng)盡可能快地去運行，瓶頸就是阻止它跑的更快的那一部分因素。為了讓這個系統(tǒng)運行更快，重點必須放在確定和修復(fù)瓶頸的工作上面。然而，有趣的是，一個系統(tǒng)中的瓶頸并不會自己憑空消失，而是會轉(zhuǎn)移到該系統(tǒng)的其他部位。
在存儲系統(tǒng)中，瓶頸一直是在于存儲介質(zhì)——因為最初的磁帶本身，以及后來的旋轉(zhuǎn)磁盤本身存在的機械限制。一個單獨的旋轉(zhuǎn)磁盤可以順序地讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，速度大約在100MBps。然而，當磁盤開始隨機接入數(shù)據(jù)的時候，這個數(shù)字就會變?yōu)?0MBps，甚至更低，而且大多數(shù)時候會低很多。其他任何有關(guān)性能的因素都無關(guān)緊要，因為移動磁頭去接入數(shù)據(jù)所受到的物理限制可以蓋過其他任何有關(guān)性能的因素。因為磁盤系統(tǒng)本身比其他部分慢很多，世界上最快的存儲系統(tǒng)也都是用很多很多的磁盤聚集而成的。即便這樣，磁盤本身仍然是瓶頸。
PCIe SSD讓瓶頸轉(zhuǎn)移
隨著企業(yè)級PCIe SSD的出現(xiàn)，這個形式開始出現(xiàn)改觀。即使是一片單一的PCIe SSD，就可以達到數(shù)以百計的旋轉(zhuǎn)磁盤的速度。不僅如此，PCIe SSD還不存在機械上的限制，它不會遇到隨機數(shù)據(jù)讀寫速度慢的問題?，F(xiàn)在通過購買一個單一的存儲設(shè)備就可以滿足一個10GB網(wǎng)絡(luò)鏈路的需求。想一想：一塊盤就可以提供一個高速物理網(wǎng)絡(luò)連接的高速需求!
閃存這個用于構(gòu)建存儲系統(tǒng)的部件帶來的變化就是讓原有的存儲系統(tǒng)的瓶頸整體轉(zhuǎn)移。原先最慢的部分瞬間變成了系統(tǒng)中最快的部分。如果我把額外的閃存設(shè)備放在第一裝置，同時以同樣的方式將磁盤添加到常規(guī)陣列中，網(wǎng)絡(luò)本身將成為瓶頸。這種形式變成了：我正在浪費性能，因為我的應(yīng)用程序并不能讓我的存儲設(shè)備達到滿載。
但是，網(wǎng)絡(luò)并不是成為瓶頸的唯一一個目標因素。這些閃存設(shè)備如此之快，它們能夠提供足夠快的I/O處理速度，因此可以充分利用閃存硬件，但這也意味著它們需要消耗大量的CPU。因為請求處理需要消耗這么多的CPU(+微信關(guān)注網(wǎng)絡(luò)世界)，因此PCIe閃存設(shè)備需要有專用的處理器來足夠快地處理這些請求，這樣才能滿足一個10GB的網(wǎng)絡(luò)連接。
為了更好地理解新存儲系統(tǒng)對性能帶來的影響，我想到了“數(shù)據(jù)孔徑”的想法。在攝影技術(shù)中，透鏡的孔徑是由透過它的光的量和寬度來進行測量的。你可以想象訪問數(shù)據(jù)的方式也是如此：數(shù)據(jù)孔徑就是所有應(yīng)用程序要訪問這些數(shù)據(jù)所需要的路徑寬度。
存儲系統(tǒng)傳統(tǒng)上并不需要擔心孔徑的問題，因為在之前的IT架構(gòu)里，它不是瓶頸，而在現(xiàn)在這個IT環(huán)境之下，存儲系統(tǒng)已經(jīng)變成了瓶頸。這是我們的工程師團隊在兩年前面臨的第一個挑戰(zhàn)，當時我們正開始嘗試用這些新興的高性能設(shè)備去構(gòu)建可擴展的存儲系統(tǒng)。在一系列的基準測試和分析之后，我們發(fā)現(xiàn)避開顯著瓶頸來構(gòu)建可擴展存儲系統(tǒng)的唯一一個方法就是平衡所有的用于構(gòu)建存儲系統(tǒng)的物理介質(zhì)資源。
傳統(tǒng)的存儲系統(tǒng)都依賴于一個固定的網(wǎng)絡(luò)連接和一個靜態(tài)的存儲控制器(或者叫頭)，然后添加磁盤以達到提高性能和容量等縱向擴展的目的?，F(xiàn)代的存儲系統(tǒng)必須采用不同的方法，即CPU和網(wǎng)絡(luò)資源必須達到橫向擴展，方法就是使用一定比例的高性能閃存設(shè)備。
在平衡了所有物理資源之后的結(jié)果就是，一個存儲系統(tǒng)可以與周圍的配件來一起進行設(shè)計。一個PCIe閃存設(shè)備與一個足夠快的CPU配對，可以處理其與網(wǎng)絡(luò)之間的I/O調(diào)度問題。這一配對與一個10GB的網(wǎng)絡(luò)接口相連，這可以充分地利用閃存的速度。因此，訪問數(shù)據(jù)的速度呈現(xiàn)線性增長，因為存儲系統(tǒng)得到了橫向擴展。
這個數(shù)據(jù)孔徑的挑戰(zhàn)只是傳統(tǒng)縱向擴展陣列走向滅亡的其中一個原因。用Web擴展的方式來存儲可以讓用戶享用更好的靈活性，而橫向擴展架構(gòu)的商用硬件可以更好地用更高性能和更經(jīng)濟的方法來使用閃存硬件。
在Coho Data，我們已經(jīng)采取了這種方法，通過將軟件定義網(wǎng)絡(luò)[注]合并進入系統(tǒng)來更好地有規(guī)模地管理性能，當然，這將是另外一個主題需要討論的技術(shù)。
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