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大規(guī)模存儲(chǔ)的未來(lái)——內(nèi)存云?

2019-02-26    來(lái)源:多智時(shí)代

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中國(guó)IDC圈8月2日?qǐng)?bào)道:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最快的存儲(chǔ)方式是傳統(tǒng)上主要用作內(nèi)存的RAM.由于硬盤的訪問(wèn)性能多年來(lái)有惡化的趨勢(shì),而RAM的成本不斷降低,近年來(lái),有很多研究者都在探索如何用內(nèi)存取代硬盤。

Steven Robbins的文章指出,圖靈獎(jiǎng)得主Jim Gray很早就提出了“內(nèi)存將成為硬盤,硬盤將成為磁帶”的說(shuō)法(出自2006年Tim Bray一篇討論網(wǎng)格計(jì)算的博客,2003年的訪談中他已經(jīng)表達(dá)了同樣的意思)。2008年Dare Obsanjo在分析Twitter的架構(gòu)時(shí)也看到,類似的新型應(yīng)用的最大負(fù)擔(dān)是硬盤I/O,因此會(huì)傾向于將隨機(jī)操作都放到RAM里,只將順序操作留給硬盤。

Tcl/Tk的創(chuàng)始人、美國(guó)工程院院士、ACM Fellow John Ousterhout 2008年離開(kāi)工業(yè)界到斯坦福大學(xué)任教,主要的研究項(xiàng)目是RAMCloud——內(nèi)存云,更是將這一趨勢(shì)推到了極致。顧名思義,RAMCloud就是這樣一種新型數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)系統(tǒng),它是由成千上萬(wàn)臺(tái)普通服務(wù)器的主存所組成的大規(guī)模系統(tǒng),任何時(shí)候、所有信息都存儲(chǔ)在這些快速的DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器,即俗稱的內(nèi)存)中,內(nèi)存取代了傳統(tǒng)系統(tǒng)中的硬盤,而硬盤只作為備份使用。

2009年底Ousterhout團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)在SIGOPS Operating Systems Review發(fā)表了論文“The Case for RAMCloud”,引起了廣泛。最新出版的Communications of ACM 2011年8月刊發(fā)表了Ousterhout與他的團(tuán)隊(duì)合作撰寫(xiě)的同名論文,更加全面和完整地闡述了內(nèi)存云的理論與實(shí)踐。

文章指出,在過(guò)去四十年,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要存儲(chǔ)方式是硬盤,文件系統(tǒng)和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)都是基于硬盤發(fā)展起來(lái)的。但是,雖然硬盤的容量提高很快(自1980年代中期以來(lái)提高超過(guò)1000倍),但性能相比之下卻一直難如人意,傳輸速率僅提高50倍,延遲更是只提高了2倍。如果按容量/帶寬來(lái)衡量,硬盤的訪問(wèn)延遲實(shí)際上急劇惡化了。

與此同時(shí),互聯(lián)網(wǎng)迅猛發(fā)展之后,Web應(yīng)用架構(gòu)往往采用計(jì)算與存儲(chǔ)分離的方式,在數(shù)據(jù)中心中有專門負(fù)責(zé)應(yīng)用的業(yè)務(wù)邏輯、前端呈現(xiàn)的應(yīng)用服務(wù)器,另外還有專門的存儲(chǔ)服務(wù)器。其中應(yīng)用服務(wù)器是無(wú)狀態(tài)的,只存儲(chǔ)當(dāng)前瀏覽器請(qǐng)求的狀態(tài)。這種分離和無(wú)狀態(tài)的方式使系統(tǒng)能夠很好地?cái)U(kuò)展到成百上千臺(tái)服務(wù)器,滿足動(dòng)輒數(shù)百萬(wàn)用戶的訪問(wèn)需求。但是,這種架構(gòu)也使數(shù)據(jù)訪問(wèn)的延遲問(wèn)題加劇了——典型的網(wǎng)站為了生成一個(gè)HTML頁(yè)面,需要發(fā)出一兩百次內(nèi)部請(qǐng)求,訪問(wèn)多次硬盤。

于是,硬盤訪問(wèn)速度成為目前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的主要瓶頸。

為了解決數(shù)據(jù)訪問(wèn)延遲問(wèn)題,研發(fā)人員和研究者們提出了各種解決方案:用memcached等緩存(Cache),數(shù)據(jù)庫(kù)的分區(qū),更多地用閃存替代硬盤,SSD,采用MapReduce和Hadoop等異步作業(yè)調(diào)度,NoSQL,分布式文件系統(tǒng)等等。

Ousterhout團(tuán)隊(duì)則提出一種新的解決方案——RAMCloud(內(nèi)存云),將在線數(shù)據(jù)的主要存儲(chǔ)中心從硬盤遷移到DRAM上,而硬盤只作為備份/歸檔之用。這種內(nèi)存云可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模(100~1000 TB)和低延遲(同一數(shù)據(jù)中心應(yīng)用程序訪問(wèn)少量?jī)?nèi)存云數(shù)據(jù)只需5~10ms,比目前系統(tǒng)快100~1000倍)。

什么是RAMCloud?

RAMCloud架構(gòu)的原理在于將存儲(chǔ)所有商業(yè)服務(wù)器的信息在主存儲(chǔ)器上,并使用數(shù)百上千的服務(wù)器創(chuàng)建大型存儲(chǔ)系統(tǒng)。據(jù)稱,存儲(chǔ)在RAMCloud上的數(shù)據(jù)的延遲要比存儲(chǔ)在基于硬盤的系統(tǒng)上低100-1000倍,而吞吐量則會(huì)高100-1000倍。

雖然個(gè)體存儲(chǔ)容易改變,但RAMCloud可以利用復(fù)制和備份技術(shù)以保障數(shù)據(jù)的耐久性和可用性,就像傳統(tǒng)基于磁盤的系統(tǒng)那樣。

RAMCloud可提供低延遲和大規(guī)模,并將從以下三點(diǎn)改變存儲(chǔ)行業(yè)的現(xiàn)狀。首先,RAMCloud會(huì)消除開(kāi)發(fā)大規(guī)模Web應(yīng)用所面臨的可擴(kuò)展性問(wèn)題。其次將啟用新的應(yīng)用類,比當(dāng)今深入100-1000倍操作數(shù)據(jù)將成為可能;RAMCloud集群可以支持單個(gè)的代謝那個(gè)程序或許多較小的應(yīng)用程序,并可在小型應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮蛻?yīng)用的開(kāi)發(fā)時(shí)保證沒(méi)有額外的復(fù)雜性。

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