如何充分發(fā)揮出NVMe盤的持久性？

在過去十幾年中，CPU的性能提升了100倍以上，而傳統(tǒng)的HDD硬盤（Hard Disk Drive）才提升了1.5倍不到，這種不均衡的計算存儲技術(shù)發(fā)展，極大地影響了IT系統(tǒng)整體性能的提升。直到固態(tài)硬盤SSD（Solid State Drive）被發(fā)明出來，其性能有了顛覆性的提升，才解決了存儲的瓶頸問題。然而，SSD作為一項新技術(shù)，仍然存在一些固有的缺陷，如何充分發(fā)揮SSD的優(yōu)勢，是一個值得研究的方向。下面從性能、持久性、使用成本等方面對此話題做一些探討。

一、如何充分發(fā)揮出SSD的性能

首先，我們來看看傳統(tǒng)HDD的使用方式：

協(xié)議一般都采用SAS、SATA接口；

Linux的IO調(diào)度需要用電梯算法來對IO進(jìn)行重排以優(yōu)化磁頭的路徑；

企業(yè)級存儲通常使用Raid卡做數(shù)據(jù)保護(hù)。

在接口協(xié)議方面，隨著SSD的發(fā)明，NVMe協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。相較于SAS、SATA的單隊列機(jī)制，NVMe最多可以有65535個隊列，并且直接采用PCIe接口，消除了鏈路和協(xié)議瓶頸。

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

在Linux 驅(qū)動和IO協(xié)議棧方面，也做了相應(yīng)的優(yōu)化，如下圖所示，NVMe驅(qū)動可以直接繞過那些傳統(tǒng)的、專為HDD設(shè)計的調(diào)度層，大大縮短了處理路徑。

到目前為止，為了充分發(fā)揮SSD的性能，上面提到的三個傳統(tǒng)HDD的問題中前兩個已經(jīng)得到了解決，然而在企業(yè)級市場上，基于NVMe的Raid始終沒有太好的方案。傳統(tǒng)企業(yè)最廣泛使用的Raid5/Raid6數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制（N+1， N+2），通常是把數(shù)據(jù)條帶化分片，然后計算出冗余的Parity Code（奇偶校驗(yàn)碼），將數(shù)據(jù)存放到多塊硬盤，寫入新數(shù)據(jù)通常是一種“讀改寫”的機(jī)制。這種機(jī)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?yàn)镹VMe協(xié)議把控制卡放到了NVMe盤的內(nèi)部，IO都由NVMe盤內(nèi)部的DMA模塊來完成，這就給基于NVMe的Raid卡設(shè)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(fā)揮出NVMe的優(yōu)勢，因此沒能被廣泛使用。

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

然而，這樣的情況也在發(fā)生改變，由Lightbits Labs發(fā)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(fā)的一塊數(shù)據(jù)加速卡，采用Erasure Code（糾刪碼）機(jī)制可以做到超過1M IOPS的隨機(jī)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(jī)制，該機(jī)制提供彈性的N+1保護(hù)（類似于Raid5），相較于傳統(tǒng)的Raid5需要熱備盤或者需要及時替換損壞盤，該機(jī)制在一塊硬盤發(fā)生損壞之后能自動平衡形成新的保護(hù)。比如一個節(jié)點(diǎn)內(nèi)原先有10塊盤，采用9+1的保護(hù)，當(dāng)某塊盤損壞后，系統(tǒng)會自動切換成8+1的保護(hù)狀態(tài)，并且把原先的數(shù)據(jù)再平衡到新的保護(hù)狀態(tài)，從而在可維護(hù)和數(shù)據(jù)安全性方面實(shí)現(xiàn)了大幅提升。此外，該數(shù)據(jù)加速卡還能做到100Gb的線速壓縮，顯著提高了可用容量，進(jìn)而能大幅降低系統(tǒng)使用成本。

二、如何提升NVMe盤的持久性

目前使用最廣泛的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(shù)的發(fā)展，NAND的密度也越來越高，最新一代已經(jīng)到了QLC（4bits per Cell），同時每個Cell可被擦寫的次數(shù)也在減少（1K P/E Cycles）。發(fā)展趨勢如下圖所示。

另外，對NAND的使用有一個特點(diǎn)，就是可擦的最小單位比較大，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(shù)據(jù)）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(fā)SSD的GC（Garbage collection）數(shù)據(jù)搬移，進(jìn)而導(dǎo)致所謂的寫放大現(xiàn)象，對盤的持久性會產(chǎn)生進(jìn)一步影響。

在企業(yè)級存儲中，通常使用Raid5/6這種“讀改寫”的機(jī)制，會對盤的寫操作數(shù)量進(jìn)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(jī)制，對盤的使用壽命會進(jìn)一步損耗。

最后，對于最新的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(fā)內(nèi)部“讀改寫”，對使用壽命又多一重?fù)p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(guān)于性能和持久性相關(guān)的參數(shù)可以看出，在持久性上順序?qū)懯请S機(jī)寫的5倍，而性能更是26倍：

順序?qū)?0.9 DWPD， 隨機(jī)4K寫0.18 DWPD；

順序?qū)?1600 MB/s， 隨機(jī)4K寫15K IOPS（60MB/s）。

通過上面的分析發(fā)現(xiàn)，能把盤使用在一個最佳的工作狀態(tài)至關(guān)重要。好消息是目前一些先進(jìn)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(jī)IO變成順序IO的方式，以及獨(dú)有的Elastic Raid技術(shù)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(jī)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(shù)，再加上產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)規(guī)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。

降低使用成本最重要的一環(huán)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(shù)NVMe盤都是直接插在應(yīng)用服務(wù)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(fèi)，因?yàn)橹挥羞@臺服務(wù)器上的應(yīng)用才能使用它。根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，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廣泛接受的“解耦合”架構(gòu)。解耦合之后，把所有的NVMe盤變成一個大的存儲資源池，應(yīng)用服務(wù)器用多少就拿多少，只要控制總數(shù)量夠用就行，可以非常容易地將利用率推到80%。另外，因?yàn)橘Y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(yīng)用數(shù)據(jù)壓縮比在2:1，就相當(dāng)于多了一倍的可用容量，也相當(dāng)于每GB價格降了一半。當(dāng)然壓縮本身也會帶來一些問題，比如壓縮本身比較費(fèi)CPU，另外很多存儲解決方案在開啟壓縮之后性能就會大大降低。

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(yōu)化提高使用壽命或啟用QLC，經(jīng)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(guān)重要。為此，以色列創(chuàng)新公司Lightbits以充分發(fā)揮NVMe盤的最大價值為使命，發(fā)明了NVMe/TCP協(xié)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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