在過(guò)去幾年里，主流企業(yè)已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)生產(chǎn)速度更快、延遲更少的NAND閃存，但是一些廠商賣給消費(fèi)的產(chǎn)品仍有一些限制，以致于無(wú)法發(fā)揮閃存的全部性能。

傳統(tǒng)的磁盤(pán)陣列將數(shù)據(jù)存放在離CPU較遠(yuǎn)的集成了NAND閃存的固態(tài)硬盤(pán)上，但卻使用的是一個(gè)過(guò)時(shí)的存儲(chǔ)控制器。無(wú)論NAND閃存的速度有多快，都要受這一數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的局限，以致于應(yīng)用程序的實(shí)際吞吐量只有小的改進(jìn)。

讓我們退后一步，分析一下磁盤(pán)存儲(chǔ)的弊端，傳統(tǒng)架構(gòu)使用閃存的缺陷，以及如何發(fā)揮NAND的最大性能。

傳統(tǒng)外部存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能瓶頸

與CPU相比，磁盤(pán)的速度局限是眾所周知的，但很少有人知道，IT管理員在配置磁盤(pán)以發(fā)揮其最大性能的痛苦。這包括購(gòu)買昂貴的FC磁盤(pán)以及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如每塊磁盤(pán)只使用一部分以提高性能，這就意味著大量的閑置容量將隨磁盤(pán)堆棧的增加而增加，并且管理員還要花費(fèi)更多精力去檢測(cè)故障(這還不包括空間、電力以及散熱所增加的成本)。

即便是有這些技巧，但由于外部磁盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)與CPU之間的距離，磁盤(pán)通常很難達(dá)到滿足其所需的性能水平。當(dāng)CPU與內(nèi)存以微秒的速度運(yùn)行時(shí)，卻是以毫秒的速度訪問(wèn)基于磁盤(pán)的外部存儲(chǔ)系統(tǒng)，這之間是一千倍的差距。即使磁盤(pán)陣列可以快速地存取數(shù)據(jù)，但從CPU獲得數(shù)據(jù)卻有很長(zhǎng)的延遲，以致于CPU要花費(fèi)大量的時(shí)間等待數(shù)據(jù)。這就給應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)的性能發(fā)揮帶來(lái)了影響。

圖1：應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)與磁盤(pán)陣列所引發(fā)的延遲

傳統(tǒng)應(yīng)用模式下閃存性能瓶頸

如果你只是將閃存當(dāng)一種新的媒質(zhì)，如同磁帶和磁盤(pán)一樣的媒質(zhì)，如果在應(yīng)用過(guò)程中當(dāng)作之前媒質(zhì)的使用方式，那么實(shí)際上存儲(chǔ)技術(shù)就只是前進(jìn)了一小步。

閃存本身消除了傳統(tǒng)磁盤(pán)由于緩慢旋轉(zhuǎn)所造成的部分延遲，但卻并沒(méi)有解決從CPU獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)過(guò)程所造成的延遲。

使用錯(cuò)誤的存儲(chǔ)通道將關(guān)鍵過(guò)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在遠(yuǎn)離服務(wù)器CPU的閃存陣列中，導(dǎo)致應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)請(qǐng)求超時(shí)。

這樣只能達(dá)到很小的性能增益效果，除了要采購(gòu)更多的硬件之外，企業(yè)還必須增加復(fù)雜和昂貴的存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，包括主機(jī)總線適配器、交換機(jī)和單片陣列。

最為重要的是，這些架構(gòu)仍沿用的是傳統(tǒng)的存儲(chǔ)架構(gòu)，還有RAID、SATA/SAS控制器-所有已優(yōu)化的傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)磁盤(pán)，但沒(méi)有NAND閃存芯片。.

圖2顯示的是傳統(tǒng)的存儲(chǔ)層。

全新的PCIe接口將讓閃存發(fā)揮巨大潛力

越來(lái)越多的固態(tài)硬盤(pán)供應(yīng)商已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)SSD性能提高的關(guān)鍵因素是將閃存靠近CPU。他們正研發(fā)使用主機(jī)PCIe端口的設(shè)備，以消除目前翻譯層的局限。

然而，現(xiàn)在一些設(shè)備的基礎(chǔ)性能是通過(guò)將閃存放置在最初是為磁盤(pán)設(shè)計(jì)的SATA或SAS控制器下所獲得的，這些協(xié)議和數(shù)據(jù)處理機(jī)制，并不適用于閃存，也沒(méi)有對(duì)閃存做任何的優(yōu)化，這就好像把一臺(tái)高性能的汽車引擎安裝在一輛已經(jīng)有25個(gè)年頭的老爺車上。

同樣的事情還發(fā)生在RAID控制器上，其最初的設(shè)計(jì)目的是為了聚合多個(gè)磁盤(pán)的性能，以避免單個(gè)磁盤(pán)故障所造成的數(shù)據(jù)丟失。對(duì)于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)媒質(zhì)而言，RAID機(jī)制性能優(yōu)越。但是，但這些機(jī)制并不能與NAND閃存相適應(yīng)，因?yàn)槠湓斐闪颂�多的延遲。

最好的方法就是將閃存放置在服務(wù)器內(nèi)部，并采用PCIe接入，拋開(kāi)傳統(tǒng)的存儲(chǔ)技術(shù)，使用一個(gè)新的、劃時(shí)代的架構(gòu)以給NAND閃存和主機(jī)內(nèi)存提供一個(gè)最直接、最方便以及最低延遲的通道。

請(qǐng)記住，CPU從來(lái)沒(méi)有從存儲(chǔ)系統(tǒng)中讀取任何數(shù)據(jù)，這一切都必須首先通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)存。在一過(guò)程中，主機(jī)PCIe閃存設(shè)備像磁盤(pán)一樣存儲(chǔ)應(yīng)用程序或數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，但實(shí)際上，它們通過(guò)直接內(nèi)存訪問(wèn)或DMA向系統(tǒng)內(nèi)存提供數(shù)據(jù)。這樣能有效保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與CPU處理處于最低延遲狀態(tài)。

通過(guò)讓服務(wù)器CPU不受限制地訪問(wèn)閃存，主機(jī)PCIe可將應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)的性能提升10倍以上。這種方法和其他固態(tài)產(chǎn)品之間最大的區(qū)別是明顯改善了應(yīng)用程序的吞吐量，而不只是媒質(zhì)本身的性能。沒(méi)有傳統(tǒng)存儲(chǔ)協(xié)議的服務(wù)器數(shù)據(jù)位置將使應(yīng)用程序能夠充分利用服務(wù)器的CPU，而不是強(qiáng)迫它們等待服務(wù)器的訪問(wèn)速度。如圖3所示。

圖3：主機(jī)PCIe NAND閃存給應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)提供更低的延遲

將閃存作為磁盤(pán)或高速緩存

主機(jī)PCIe NAND閃存設(shè)備可用作磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器或高速緩存設(shè)備。與傳統(tǒng)的基于磁盤(pán)的系統(tǒng)相比，都有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。

在磁盤(pán)模式下，NAND閃存PCIe設(shè)備可像傳統(tǒng)磁盤(pán)一樣存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這是將整個(gè)數(shù)據(jù)集放置在一個(gè)或多個(gè)PCIe設(shè)備上的數(shù)據(jù)庫(kù)的最佳選擇。NAND閃存PCIe設(shè)備可以聚合主機(jī)操作系統(tǒng)軟件或內(nèi)置卷管理功能，如Oracle的自動(dòng)存儲(chǔ)管理(ASM)。NAND閃存PCIe設(shè)備也可作為本地的大容量存儲(chǔ)空間使用，其可在單個(gè)服務(wù)器內(nèi)存儲(chǔ)超過(guò)10TB的數(shù)據(jù)，充足的容量幾乎涵蓋了大部分市場(chǎng)。即使整個(gè)數(shù)據(jù)集不能存儲(chǔ)在閃存中，大多數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)允許將諸如索引或“熱”數(shù)據(jù)之類的活躍文件以手動(dòng)的方式放置在一個(gè)特定的位置進(jìn)行存儲(chǔ)。

在緩存模式下，PCIe NAND閃存可在不改變現(xiàn)有的外部存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施前提下，緩存頻繁存取的數(shù)據(jù)。對(duì)已部署的基于子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護(hù)和恢復(fù)機(jī)制而言，這是最適合的選擇。

緩存每個(gè)服務(wù)器內(nèi)的本地頻繁存取數(shù)據(jù)以保證活躍數(shù)據(jù)的最大性能，并同時(shí)保留現(xiàn)有的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。這種組合對(duì)于I/O密集型裸機(jī)或虛擬環(huán)境應(yīng)用來(lái)說(shuō)，是最佳選擇。在許多情況下，虛擬環(huán)境常常遭遇I/O性能不足，或者以極高的成本才能獲得高I/O。在PCIe設(shè)備上緩存虛擬機(jī)頻繁訪問(wèn)的數(shù)據(jù)可以緩解這種痛苦。

閃存技術(shù)為提升企業(yè)應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)速度帶來(lái)了很多的好處。但如果只是將閃存當(dāng)作一種新的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的話，企業(yè)將不能發(fā)揮其潛在的性能。采用主機(jī)PCIe的方式，放棄傳統(tǒng)的存儲(chǔ)協(xié)議和關(guān)鍵位置過(guò)程數(shù)據(jù)以更貼近CPU，以最大限度減少延遲，實(shí)現(xiàn)閃存對(duì)企業(yè)的承諾。

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