超融合架構的本質是什麼（下）：層次存儲

時間 2020-06-01

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本文轉載自【SmartX超融合】微信公衆號，點擊這裏可閱讀原文。編程

在上一篇文章《超融合架構的本質是什麼（上）》裏，咱們闡述了傳統存儲對現代企業大量數據和隨機 I/O 處理的表現乏力、超融合架構因何知足企業需求以及超融合架構得以快速發展的緣由。緩存

本篇文章將進一步解釋在超融合架構中，層次存儲爲何是提高數據的 I/O 性能的最好選擇。服務器

首先，讓咱們追溯到現代計算機體系結構中，解決系統性能瓶頸的關鍵策略：Cache。微信

現代計算機體系結構是基於馮·諾依曼體系結構構建的，馮.諾依曼體系結構將程序指令當作數據對待，程序和數據存儲在相同的存儲介質（內存）中，CPU 經過系統總線從內存中加載程序指令和相應的數據，進行程序的執行。架構

馮·諾依曼體系結構解決了計算機的可編程性問題，可是帶來了一個缺點，由於程序指令和數據都須要從內存中載入，儘管 CPU 的速度很快，卻被系統總線和內存速度的限制，不能快速的執行。爲解決這個問題，Cache 的理念被提出，經過在 CPU 和內存之間加入更快速的訪問介質（CPU Cache），將CPU常常訪問的指令和數據，放置到 CPU Cache 中，系統的總體執行速度大幅度提高。併發

I/O 性能瓶頸問題轉移到了存儲分佈式

若是內存的訪問速度相對 CPU 太慢，那麼磁盤的 I/O 訪問速度相對 CPU 來講就是「不能忍」了。下表是不一樣存儲介質的訪問延時，在虛擬化環境下或雲環境下，因爲 I/O 基本都是隨機 I/O，每次訪問都須要近 10ms 的尋道延時，使得 CPU 基本處於「等待數據」的狀態，這使得核心業務系統運轉效率和核心應用的用戶體驗都變得不好，直觀的感覺就是業務系統和桌面應用「很卡」。
ide

基於 SSD 構建平衡系統性能

和前人解決內存訪問延時問題的思路相似，如今的主流方法是使用內存和 SSD 做爲 Cache 來解決 I/O 性能瓶頸。存儲系統可以分析出數據塊的冷熱程度，將常常訪問的數據塊緩存到內存和 SSD 中，從而加速訪問。
雲計算

不管是全閃存存儲，仍是混合介質存儲，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。

學過計算機體系結構的人都據說過著名的 Amdahl 定律，這裏咱們要介紹一個 Amdahl 提出的「不那麼著名」的經驗法則：

在一個平衡的並行計算環境中，每 1GHz 的計算能力須要 1Gbps 的 I/O 速度與之匹配

假設一臺服務器有 2 顆 E5-4669 v3 的 CPU，每顆 CPU 有 18 個核，36 個超線程，主頻是 2.1GHz，那麼咱們能夠計算一下，這樣的一臺服務器須要 151Gbps (即~19GBps）的帶寬。在大規模的雲計算（虛擬機算）環境中，極端狀況下，大量的 I/O 併發使得存儲收到的 I/O 都變成隨機 I/O，在這麼一個併發環境中，假設咱們的訪問大部分都是 8KB 的讀寫，根據上面的計算，咱們須要爲一臺服務器配備近 250 萬的 IOPS 讀取速度。

在不考慮系統總線的狀況下，若是咱們用 SAS/SATA 硬盤來提供這個 IOPS，即便每一個 SAS/SATA 盤能夠提供近 250 的 IOPS（實際數值更小），僅爲構建一臺平衡的服務器計算存儲環境，就須要大概 1 萬個 SAS/SATA 硬盤。在稍大規模的虛擬化環境，想要搭出一個平衡的系統，用傳統的 SAS/SATA 硬盤幾乎不可能完成任務。可是若是採用可以提 10 萬「寫 IOPS」的 SSD 設備，25 塊 SSD 就夠了。

層次存儲的優點

「層次存儲」是相對「全閃存」而言，是指將容量大可是速度較慢的 HDD 和速度快的 SSD 同時構建在系統中，經過數據的訪問特性，將常常訪問的熱數據放置在 SSD 中，而冷數據放置在 HDD 中。

首先，爲構建一個平衡的虛擬化環境，須要大量的 SSD 設備來提供足夠的 IOPS。可是 SSD 也不是完美的。目前的 SSD 擦寫次數有限、價格高。層次存儲將熱數據放置在 SSD 層中，而大量的冷數據仍然放置在 SATA 硬盤上，熱數據週期性的同步到 HDD 硬盤，既爲用戶熱數據提供了高 IOPS 的保障，也經過 SATA 硬盤提供了更大的容量和可靠性。

下圖是對 11 個開發人員桌面負載的 I/O 統計，包含了對 5.1TB 大小的存儲上的 76 億次 IO 訪問和 28TB 的數據傳輸。首先值得注意的是，有 3.1TB(62%) 的數據，在一年內歷來沒有被訪問過，這意味着這些數據不管是放置在 SSD 上，仍是 SATA 上，甚至放到 U 盤上拔走，對系統都沒有影響。