第四范式：现代存储架构下的系统优化实践

Posted 2021-09-12 CSDN云计算

8月21日，白玉兰开源联合示说网主办的“开源大数据技术线上meetup”特邀约大数据领域的前沿技术专家，就大数据存储的关键技术、挑战和当前应用展开交流讨论，阵容强大、内容全面。第四范式体系架构科学家，高性能计算Team leader卢冕，一直专注于研发在异构架构下的系统优化实践和探索，我们根据卢冕讲师的现场分享《现代存储架构下的系统优化实践》，整理成以下内容。

前言

随着存储技术的发展，现代存储架构呈现出了前所未有的分级复杂性和功能上的革命（比如内存数据持久化），因此也对上层软件如何优化提出了新的挑战。

本次分享基于我们的实践经验，从现代存储架构的概念、特征工程数据库在PMem上的优化、基于分级存储架构的Kafka优化、MemArk技术社区这四个方面出发，演示如何在现代存储架构下，通过创新性的技术，比如持久化内存数据结构、分级存储、冷热数据分离等技术进行系统优化，以利用现代存储架构的特性。

一、现代存储架构
首先着眼于关键存储技术：硬件技术、软件技术，在此可划分成外存和内存。

1外存
例如SSD、硬盘，即数据可以在该设备上持久化。1956年已出现机械硬盘，NAND Flash在1989年开始首个专利申请。如今,Flash已经发展迅猛、应用广泛，例如B+tree数据库系统在1973年已繁荣发展。

2内存
直接将数据存储并且读写较快，但是掉电会造成数据丢失。内存的典型技术，例如SRAM、DRAM，其中SRAM用于CPU的cache，DDR、GDDR普遍应用于计算机。由于追求高性能、高吞吐，特异化的内存技术应运而生，例如,HBM2、GDDR6，上述都是高带宽、高吞吐的内存形态，在家用机器上运用较少，较多运用在数据中心和大密度计算。

在2015年，数据可持久化和高性能易失性内存出现在交汇融合，非易失性内存技术由此进入大众视野。该技术是存储架构的革命性变化。

3非易失性内存技术
2015年，英特尔和镁光在工业界共同提出了3D XPoint，目的是为了把非易失性内存技术落实到工业界，而不是仅限于学术界的模拟研究和讨论。

2018年，英特尔把非易失性内存技术实现了商业化，推出了傲腾持久内存，这意味着非易失性内存真正实现了落地，能围绕商业化产品去做工业级应用，而不是止步于纸上谈兵。

4现代存储架构金字塔
Computer Science课本中也会碰到过存储架构金字塔，其组织架构较简单。在课本上，底层是硬盘，中间是DRAM或者叫内存，上面是cache。实际上，今天工业界存储架构金字塔已经演化得非常复杂，它不再是课本上简单的两三级结构，已演化到六七级，此处还不包括异构算力所带来的存储架构。

如图：金字塔下面蓝色部分具有持久性，上面红色部分是存储介质。最特殊的是，中间部分非易失性内存或者持久内存商品，这一部分在金字塔用两种不同颜色已标注。内存数据的持久化特性具有革命性，是现今存储架构的显著特点。

5非易失性内存
下图就是英特尔推出的傲腾持久内存（PMem）第一代和第二代。该内存条和普通的内存条没太大区别，可直接插在server上的内存插槽里，但只能匹配英特尔CPU。

傲腾持久内存的显著特点：
 大容量：单根容量可达到512 GB，在server上很容易把它配到T级别的容量，即1.5T或3T容量的PMem服务器配置。
 低成本：单位价格即每GB成本比普通DRAM低。如果从 server角度去思考问题，例如，如果用DRAM去跑3T的应用，可能至少要七八台机器；如果用PMem机器去跑，它只需要一台机器。从机器数量和运营成本节省角度而言，低成本特征显著。
 高性能持久化：内存数据持久化。把传统软件中的内存数据做持久化，具有快速恢复的意义。此外，也可作为存储，其性能相比较于HDD、SSD，性能优势明显。

持久内存的工作模式：Memory Mode，即内存模式，持久内存直接插到server上，对应用程序是黑盒化的。整个server容量会变成持久内存的容量，DRAM会变成持久内存的一层cache。内存容量就是整个PMem的容量，应用程序不需要修改代码便可直接使用，直接享受大容量低成本的好处。但是这种模式可能会造成几个问题，存储架构的层级对程序员透明，程序员无法精确操控存储架构层级，从而无法去做细粒度优化，例如cache层级优化。为了克服以上问题，推了APP Direct Mode。在APP Direct Mode，可以看到从PMem到DRAM内存整个存储层级完全暴露在程序员视角下，程序员可以根据它的应用去做定制化优化，也能享受到持久化所带来的好处。

综上所述，现代存储架构的特点：分级存储架构复杂且丰富。现今存储层级已达5-7层，这会让大众在容量、性能和成本之间权衡利弊，即在容量、性能、成本之间取舍。挑战在此也迎面而来，即做优化。引入分级存储、分级持久化等分级缓存算法来更好地做系统优化。

在此强调的是：内存数据持久化，这是革命性功能。如果把PMem当做内存使用，一旦机器掉电或者程序崩溃，只要做好了持久化工作，在下次重新上电时，数据还是会持久化在内存中。优势就是内存数据的快速恢复。现实生活中，像线上服务，如果节点离线，数据要从外存或者从网络中重新拉回来做内存数据的构建，这非常影响线上服务质量。因为线上服务不允许长时间离线，若用持久内存，它就会持久化。在掉线以后，该线上节点恢复。基于此，对现在传统软件最大挑战是需要做持久化编程模型。

总而言之，分级存储架构和内存数据持久化，需要做一些传统软件的系统优化。

PMem在学术界非常火热,今年在丹麦举行的国际顶级数据库学术会议VLDB就有两个专门收录PMem相关论文的research sessions，共有8篇paper，出现了井喷。这些paper有工业界的影子，例如第一篇论文是做SSD的厂商。从工业界的角度来看，加之英特尔的推介，包括像第四范式、阿里巴巴也在做积极探索。在工业界，在接下来的1-2年内，PMem会普遍进入数据中心采购名单，会迎来非常大规模应用热潮。

6第四范式在现代存储架构上一些技术实践
对内：面向AI流程的优化。这里有两种用法：Memory Mode（为了低成本扩容）和HyperPS（针对推理的参数服务器）。

对外：除了对内部产品优化，也开始对外开源，目的是把核心技术往外推，让更多企业开发者能够意识到异构多级存储、现代存储架构上带来的优化工作，也可以推进持久内存的普及。

对内+对外：（已开源工作）。VLDB 2021：主要是针对特征工程数据库，做基于PMem的优化，核心持久化跳表即将合入PMDK核心库，这在国内是领先的。基于Pafka的Kafka优化:10x性能提升，且无需修改代码。还有一些打算开源、正在开发中的工作，例如OpenEmbedding,就是针对训练的参数服务器，它是和TensorFlow整合，方便快捷，包括向量、Elasticsearch、PMemStore、OpenMLDB，OpenMLDB就是已经开源的特征工程数据库。这两者整合起来，会在明年进行开源。另一方面，第四范式和英特尔也在打造代化存储架构的技术社区MemArk。

7面向AI全流程的异构存储优化
从第四范式的产品角度看，主要包含了离线训练和在线推理。在离线训练中，对内存消耗量会特别高，所以会做低成本扩容工作，使用PMem做内存扩容。在线推理中，因为它对性能要求高，有持久化需求，所以会用AD Mode在参数服务器、特征功能数据库、消息队列方面去做优化。

PMem具体如何使用？其实是取决于实际情况去做优化。

二、特征工程数据库在PMem上的优化
下图讲了特征工程数据库用在哪里。

从第四范式的角度，它大部分用于决策场景。例如，反欺诈、反洗钱以及推荐系统。

如下图，左边是Off-line Training，右边是On-line Inference。那么Off-line Training的特征在哪里？其实就在这OpenMLDB, 当在线请求产生一条数据记录时，它就会去做一个实时的特征抽取，产生额外的有用的特征，然后这个特征抽取会为 On-line Inference系统去做模型推理，所以它是在线场景下关键组件。因为它是在线系统，所以它有强的时间限制，延时不能太高。在此，我们更关注于OpenMLDB怎么去做性能优化以及做持久内存优化。

接下来着重介绍什么是特征（features）。特征在决策类场景中非常重要，一般从在线请求中产生的数据并不能直接去用来做推理，而是需要进一步做特征抽取。例如，我们需要拿到当前交易产生之前10秒、1分钟、5分钟内产生的交易做多的商店信息，这些都是通过实时的特征抽取拿到的而不能提前计算出来。所以这些基于时间窗口的实时特征抽取，就是在线特征工程。

Future Extraction会有挑战：
第一，它大部分的特征不能被提前算好，例如一个交易，要算当前这个点往前推的时间窗口里面的信息，可能一分钟或者一小时或者几天的时间信息。这跟当前发生的时间状态是有关系的，所以不能去做提前处理。

第二，特征抽取会基于很多个时间窗口，计算量会比较高。

第三，此时会有很多特征产生，为了做在线推理，传统商业数据库并不能满足需求，一个是随着时间窗口的增长，Latency会增长得非常快，那么它性能很快就会超过几十个milliseconds，这可能会影响到线上服务质量，这种情况下它就不符合线上服务需求。

综上所述，我们需要去开发一个专门面向人工智能决策场景的特征工程数据库。

在这个大背景下，对于第四范式而言，OpenMLDB的设计包含两方面：第一，它提供FEQL引擎，FEQL引擎提供了FEQL语法，FEQL语法类似于SQL-like language。但是它可以更好地支持，比如基于时间窗口的特征抽取。第二，从存储引擎角度来讲，使用了双层跳表结构，去支持专门为时间窗口查询来做一些优化。

FEQL语法与SQL基本相似。除了有如Time_Window比较特殊的、专门给时间窗口查询做的语法，也会针对此类语法做优化。

底层的存储引擎结构是双层的 Skiplist。

基于这些优化，OpenMLDB它本身相比较于其他的database，就具有非常大的性能优势。同样与前面的DB-X、DB-Y相比，性能优势非常大，它性能上的 Latency，延迟能符合线上服务的需求。

基于OpenMLDB，我们DRAM版本的OpenMLDB也看到两大痛点：

第一，是因为OpenMLDB是为了线上推理用的，线上推理为了达到高性能的一般数据和索引都会放在内存当中，为了能够及时响应,这对内存需求会特别高。运用一个实际的银行反欺诈业务场景，这里只有三个月的数据量，该数据可能需要占用10TB，如果用普通DRAM去搭建，成本很高。而且部分客户反映，他们并不是为了性能而去扩展设备数量、机器资源，而只是为了能兜住内存容量,他们需要配备可能十几台机器,才能去兜住OpenMLDB。

第二，OpenMLDB都有把 data通过snapshot或者binlog这种方式，也就是Sync到磁盘、外部存储，去做数据备份。那么当这个操作发生时，它就会对延迟性能带来很大影响。因为大部分操作都会在内存中，但是当 Sync操作发生时，就会涉及到磁盘,由此产生长尾的延迟效应。

OpenMLDB是为了在线服务所设计的，需要保证线上服务质量，不允许线上的节点过长时间离线。在这种背景下，如果节点离线，则需要从网络磁盘中去重新拉回来去构建内存数据，由此恢复的时间会比较长。

因此，在该种情况下需要用PMem优化OpenMLDB。

PMem的用法有多种：数据和 index放在DRAM，log Snapshot存在外存。其中最简单的用法是把PMem当成memory mode，这种用法可以通过大容量解决成本问题,但无法享受内存数据持久化带来的快速恢复优势。

所以需要进一步通过AD mode做OpenMLDB优化，在这种优化情况下，整个系统数据库架构将发生改变，DRAM版本的OpenMLDB，需要将log Snapshot持久化到外部存储上。

在这种模式下，由于整个内存具有持久化功能，所以不需要将数据持久化到外存上。内部的Skiplist跳表数据结构具有持久化功能，数据会整体持久化在内存中。

显然，这有诸多优势，第一，没有 Sync的过程。第二，掉电后数据会立即从内存中恢复，无需漫长的时间恢复。

然而，这会遇到一个问题：如何保证持久化、语义的正确性和高效性。

其中最主要问题就是做Compare-And-Swap操作，在很多系统中去做无锁的并发情况，其实在 OpenMLDB里面也应用。在PMem环境下，CAS操作其实并不具有持久化语义。在多线程情况下，它会对Data inconsitency造成问题。

举个例子，第一个Thread进行Compare-And-Swap操作,第二个Thread基于计算出来的 t值做特征工程计算，然后把计算出来的特征进行flush。t1的值本来也应该被flush到 PMem，但可能在这个点掉电或者程序崩溃。在这种情况下，f1计算出来的特征被刷到了持久内存当中，然而原来的数据t1反而没有，这就造成了data inconsistency。

为了解决Compare-And-Swap问题，提出了Persistent-Compare-And-Swap。解决的思路是进行flush on read操作，每次做read时都去做持久化操作，能从根本上解决正确性问题。但是它会引入比较大的overhead，因为对每一个read都进行flush显然不对，某些read根本无需这样做。

在此情况下，本文引入smart pointer技术,即智能指针。在x86的架构上，内存地址要求八字节对齐，指针所指向的地址的最后三位一直是0。将三位的最后一位作为dirty的 flag，用于标记数据是否已被flush，如果已被flush，就无需再做 flush操作。基于该技术，可以做 persistent 操作，同时避免无效的、多余的、多次的flush持久化操作。

对于FEDB，本文使用真实的银行反欺诈数据，数据共有10TB，这里是一些优化过的不同版本。（在Paper里面称FEDB，开源以后叫open MLDB,所以表格里还是FEDB。）

首先，从性能角度来看，相较于这些传统的这种数据库，不管是DRAM版本的FEDB还是PMem版本的FEDB，都会达到相当好的性能。

基于 PMem版本优化有诸多优势：

一是long tail latency方面。黄色柱子和蓝色柱子分别代表了DRAM版本和典型的PMem版本,在 TP-99999标准下的long tail latency，大概有20%的性能改进。

二是 recovery time方面。基于DRAM需要6个小时才能完成一个完整的镜像恢复，但如果基于内存做持久化OpenMLDB，只需一分钟就能从内存重新恢复。其次，从CPU的角度来看，节省了一半左右的成本投入。

三、基于分级存储架构的Kafka优化
Kafka广泛用于大数据处理、人工智能，主要用于消息传输日志的搜集。Kafka架构具有高性能、高可扩展、高可用的特性。然而，由于它的logo文件需要做持久化，所以当压力上来时，无论是latency还是super都会受限于存储设备。

Pafka是Kafka的优化版本，Pafka版本在存储方面进行了优化。首先，由于整体上基于Kafka架构，所以客户业务代码是零迁移成本，他们无需做任何改造，即可零成本迁移到Kafka平台上，使用持久内存的Pafka可当做持久设备。它可打破性能瓶颈，在成本和性能上都有大幅度的提升。

从具体实现角度来讲，本来是通过这个文件 channel去存储到外部存储HDD或者SSD上，现在是通过PMDK将Kafka的 broker和 SEGMENT的存储,，将它赋能为可存储在PMem上。

在此，引入 MixChannel的概念,它不仅可存储在单一介质，还可以存储在PMem或者存储在第二级的外存上。例如，考虑到PMem的容量比较小，可以同时用 PMem和SSD或者HDD。

怎样把容量都用起来，保证一定的性能优势？在此引入分级存储的概念，然后引入数据迁移策略，将冷热数据分开存储，希望大部分热数据的读写能落到PMem上，冷数据落到速度比较慢的存储设备上。这个特性会在0.2.0版本中引入，在这个月底或者下个月初发布。现在的0.1.1版本全部存在PMem上。

0.1.1版本使用PMem做整个Kafka的性能兜底，是性能优化的表现。相比于 HDD或者SSD,它具有非常大的性能优势，例如SATA SSD,可以达到将近20倍的性能改善。

Pafka工作是下半年的重点工作，目前0.1.1版本已经开源，可以去试用，包括跟其他partner的合作，也已开始测试性能。0.1.1版本引入了PMem作为持久化介质，但并没有真正引入分级存储的概念。在0.2.0版本,会引入分级存储和数据迁移机制，能够在性能和容量上达到权衡，希望在数据量要求比较大的场景下，也能达到加速效果。

四、MenArk社区

该社区由第四范式主导创立，英特尔是赞助者之一。MenArk社区主要关注先进的存储架构技术，基于现代化存储架构为一些流行的开源软件做系统性优化。例如，Kafka、数据库系统、社区，将来都会去做优化工作。MenArk社区是一个开放性社区，欢迎合作伙伴的加入。同时，在此可以查看开源项目，主要包括：Kafka、OpenMLDB、PMems。