馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)解決了計算機的可編程性問題，但是帶來了一個缺點，因為程序指令和數(shù)據(jù)都需要從內(nèi)存中載入，盡管CPU的速度很快，卻被系統(tǒng)總線和內(nèi)存速度的限制，不能快速的執(zhí)行。為解決這個問題，Cache的理念被提出，通過在CPU和內(nèi)存之間加入更快速的訪問介質(zhì)(CPU Cache)，將CPU經(jīng)常訪問的指令和數(shù)據(jù)，放置到CPU Cache中，系統(tǒng)的整體執(zhí)行速度大幅度提升。I/O性能瓶頸問題轉(zhuǎn)移到了存儲如果內(nèi)存的訪問速度相對CPU太慢，那么磁盤的I/O訪問速度相對CPU來說就是“不能忍”了。下表是不同存儲介質(zhì)的訪問延時，在虛擬化環(huán)境下或云環(huán)境下，由于I/O基本都是隨機I/O，每次訪問都需要近10ms的尋道延時，使得CPU基本處于“等待數(shù)據(jù)”的狀態(tài)，這使得核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)效率和核心應(yīng)用的用戶體驗都變得很差，直觀的感受就是業(yè)務(wù)系統(tǒng)和桌面應(yīng)用“很卡”。
基于SSD構(gòu)建平衡系統(tǒng)和前人解決內(nèi)存訪問延時問題的思路類似，現(xiàn)在的主流方法是使用內(nèi)存和SSD作為Cache來解決I/O性能瓶頸。存儲系統(tǒng)能夠分析出數(shù)據(jù)塊的冷熱程度，將經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)塊緩存到內(nèi)存和SSD中，從而加速訪問。不論是全閃存存儲，還是混合介質(zhì)存儲，從某種意義上講都是層次存儲，只不過混合陣列多了一層磁盤介質(zhì)。學過計算機體系結(jié)構(gòu)的人都聽說過著名的Amdahl定律，這里我們要介紹一個Amdahl提出的“不那么著名”的經(jīng)驗法則：在一個平衡的并行計算環(huán)境中，每1GHz的計算能力需要1Gbps的I/O速度與之匹配假設(shè)一臺服務(wù)器有2顆E5-4669 v3的CPU，每顆CPU有18個核，36個超線程，主頻是2.1GHz，那么我們可以計算一下，這樣的一臺服務(wù)器需要151Gbps (即~19GBps)的帶寬。在大規(guī)模的云計算(虛擬機算)環(huán)境中，極端情況下，大量的I/O并發(fā)使得存儲收到的I/O都變成隨機I/O，在這么一個并發(fā)環(huán)境中，假設(shè)我們的訪問大部分都是8KB的讀寫，根據(jù)上面的計算，我們需要為一臺服務(wù)器配備近250萬的IOPS讀取速度。在不考慮系統(tǒng)總線的情況下，如果我們用SAS/SATA硬盤來提供這個IOPS，即使每個SAS/SATA盤可以提供近250的IOPS(實際數(shù)值更小)，僅為構(gòu)建一臺平衡的服務(wù)器計算存儲環(huán)境，就需要大概1萬個SAS/SATA硬盤。在稍大規(guī)模的虛擬化環(huán)境，想要搭出一個平衡的系統(tǒng)，用傳統(tǒng)的SAS/SATA硬盤幾乎不可能完成任務(wù)。但是如果采用能夠提10萬“寫IOPS”的SSD設(shè)備，25塊SSD就夠了。層次存儲的優(yōu)勢“層次存儲”是相對“全閃存”而言，是指將容量大但是速度較慢的HDD和速度快的SSD同時構(gòu)建在系統(tǒng)中，通過數(shù)據(jù)的訪問特性，將經(jīng)常訪問的熱數(shù)據(jù)放置在SSD中，而冷數(shù)據(jù)放置在HDD中。首先，為構(gòu)建一個平衡的虛擬化環(huán)境，需要大量的SSD設(shè)備來提供足夠的IOPS。但是SSD也不是完美的。目前的SSD擦寫次數(shù)有限、價格高。層次存儲將熱數(shù)據(jù)放置在SSD層中，而大量的冷數(shù)據(jù)仍然放置在SATA硬盤上，下圖是對11個開發(fā)人員桌面負載的I/O統(tǒng)計，包含了對5.1TB大小的存儲上的76億次IO訪問和28TB的數(shù)據(jù)傳輸。首先值得注意的是，有3.1TB(62%)的數(shù)據(jù)，在一年內(nèi)從來沒有被訪問過，這意味著這些數(shù)據(jù)無論是放置在SSD上，還是SATA上，甚至放到U盤上拔走，對系統(tǒng)都沒有影響。熱數(shù)據(jù)周期性的同步到HDD硬盤，既為用戶熱數(shù)據(jù)提供了高IOPS的保障，也通過SATA硬盤提供了更大的容量和可靠性。
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