高性能分布式闪存系统探讨

Posted 2020-08-11

大家不难发现目前市场上出售的全闪存阵列基本都是采用SATA SSD，其中的原因在于NVMe SSD比SATA SSD贵，SATA SSD目前可以满足绝大多数应用的性能需求。除此之外，其实目前的全闪阵列软件并不能对NVMe SSD进行很好的支持。如果需要支持NVMe SSD，阵列软件还需要做较大规模的调整，例如需要考虑如何充分发挥多核处理器的并发效能，从而解决软件堆栈带来的性能瓶颈问题。在SATA SSD上，由于SATA SSD本身的性能并不是很高，因此，软件堆栈不需要做大规模调整就可以满足应用需求。但是在NVMe SSD以及未来性能更高的Xpoint存储介质上，软件栈必须要做深层次的调整才可以充分发挥NVMe SSD的性能。

 

传统单控阵列在使用的过程中会遇到严重的HA问题。当控制器发生故障的情况下，业务的连续性无法得到保障。在传统存储阵列的设计理念中，为了解决该问题会引入双控制器的设计思路。双控制器通过高速总线进行互连，在HA控制软件的作用下，对外提供双控服务，即使一个控制器出现故障，业务的连续性也能得到保证。在NVMe存储时代，IO性能变得很高，如果采用传统双控互连的方式，那么双控之间的数据同步将会成为严重的性能瓶颈点。因此，个人认为在高速存储时代，松耦合的分布式架构更加适合高性能存储，通过分布式的方式来获取业务的高可用和数据的高可靠性。

 

松耦合分布式数据保护系统的整体架构如下图所示：

存储服务器节点通过后端高速网络进行互连，将服务器内部的闪存资源进行聚合，形成高性能全局闪存资源池。位于每个存储服务器内部的分布式RAID软件会将数据在多个存储节点上进行冗余布局，当一个系统中无论是节点或者盘发生故障，都可以通过全局资源池中的冗余数据恢复故障数据。与此同时，当存储节点发生故障后，业务IO服务可以在从故障服务器切换到正常服务器节点，从而保证了业务的连续性。

 

这种分布式数据保护系统的设计理念和EMC Isilon存储系统的设计理念存在很多相似之处，通过后端高性能网络将存储节点进行互连，构建全局存储池。最大的劣势在于成本较高，需要前后端网络的支持。

 

为了降低成本，市场上主流的分布式系统都会采用一套网络，并且采用多副本的方式在多节点之间进行数据冗余。典型的系统有HDFS和Ceph。在磁盘存储时代，通过部署HDFS或者Ceph可以获得不错的性能，并且系统具有很强的可扩展性。但是，在NVMe存储时代，这样的系统遇到了挑战，如果将磁盘简单切换成NVMe SSD之后，Ceph的性能并没有得到大幅度的提升，而且NVMe SSD不能得到充分的利用。出现这种现象的原因很简单，在Ceph类似的系统中，存在面向磁盘设计的OSD以及文件系统，这种软件栈对NVMe SSD性能影响很大。因此，如果不对Ceph服务器端软件进行改造，那么即使采用性能很强劲的互连网络，性能也不能得到大幅度的提升。因此，目前主流的开源分布式系统都不能很好的使用NVMe SSD，需要进行大刀阔斧的改造。

 

在分布式文件系统中，有一种曾经在非线编领域经常使用的SANFS可以和单控闪存阵列进行有机结合，从而构建高性能的分布式闪存系统。SANFS是一种基于SAN存储设备的文件系统，其可以在SAN存储设备的基础上构建分布式文件系统。存储架构采用标准的MDS和DS架构。MDS是元数据服务器，提供文件系统元数据服务；DS是数据服务器，提供标准的块设备服务。MDS可以采用独立的服务器，也可以寄生在DS上，并且可以在多台DS上实现多MDS的数据冗余。DS提供标准的SAN服务，可以采用标准的阵列设备作为DS。SANFS需要客户端的支持，客户端在访问数据时，首先通过MDS获取访问数据的实际位置，然后通过带外工作的方式直接从DS上获取数据。客户端与DS以及MDS之间采用标准的块设备接口，通过FC或者iSCSI进行互连。

 

在闪存存储中，导出接口也是重要的性能瓶颈点，因此，在采用SANFS构建分布式存储时，最好采用RDMA互连技术。采用SANFS构建的分布式闪存系统架构如下图所示：

在高性能NVMe数据保护系统的基础之上，采用第三方提供的SANFS搭建了一套完整的分布式闪存系统，并且对其进行了性能评测。实测结果表明SANFS可以发挥闪存阵列的性能，在带宽等方面表现极佳，但是在随机小数据块访问方面存在比较严重的性能瓶颈。下图是大数据访问情况下的文件系统性能表现。通过该结果我们可以看到在多文件多流情况下可以把FlashRAID的性能跑满。

随着高速存储介质的不断普及，高性能分布式闪存系统的研发势在必行。如何充分的发挥分布式闪存系统的性能，一方面在于网络互连，更重要的还是在于对分布式存储软件栈的优化和重构。

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