長(zhǎng)期以來(lái)，數(shù)據(jù)都是一種蘊(yùn)含著價(jià)值的商品，不論是在企業(yè)內(nèi)部環(huán)境中部署，抑或是放到公有云端去實(shí)現(xiàn)，它 都是IT系統(tǒng)的核心所在。自上世紀(jì)50年代，磁帶和磁盤發(fā)明后，我們便產(chǎn)生了在存儲(chǔ)介質(zhì)上持久存放數(shù)據(jù)的需要。

當(dāng)然，這種持續(xù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是要付出代價(jià)的。不論是磁盤、磁帶或是閃存，存儲(chǔ)設(shè)備的速度都無(wú)法趕上處理器和內(nèi)存系統(tǒng)的發(fā)展。于是，為了得到良好的整體存儲(chǔ)性能，我們必須不斷嘗試各種方式，使得存儲(chǔ)介質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)得更快。

我們?cè)谕獠看鎯?chǔ)介質(zhì)中保留數(shù)據(jù)通常只有兩種原因：長(zhǎng)期存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)保護(hù)。

長(zhǎng)期存儲(chǔ)意味著在應(yīng)用程序關(guān)閉或服務(wù)器斷電后數(shù)據(jù)仍然能得以保留。數(shù)據(jù)無(wú)法長(zhǎng)期駐留于系統(tǒng)內(nèi)存(DRAM)，所以當(dāng)服務(wù)器或應(yīng)用程序發(fā)生故障時(shí)，數(shù)據(jù)每隔一段時(shí)間就要寫入到相應(yīng)的介質(zhì)之中。

數(shù)據(jù)保護(hù)亦是至關(guān)重要的，服務(wù)器有時(shí)會(huì)出現(xiàn)故障，甚至發(fā)生一些意想不到的事故災(zāi)害，如果不在多個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)上創(chuàng)建冗余，保留多個(gè)數(shù)據(jù)副本，我們很容易會(huì)遇到麻煩。數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制包含RAID、糾刪碼和快照等，它們可以用來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)免遭物理和邏輯損壞，以及常見(jiàn)的“使用者操作失誤”。

存儲(chǔ)的性能指標(biāo)

存儲(chǔ)性能的評(píng)估通常使用這三種指標(biāo)。

延遲：用以衡量設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間。系統(tǒng)內(nèi)存的延遲通常以納秒(ns)為單位、閃存以微秒(μs)計(jì)，而硬盤驅(qū)動(dòng)器的單位則用毫秒 (ms)。

帶寬：表示設(shè)備在特定時(shí)間段內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的能力，通常以每秒兆比特(Mbps)或每秒千兆比特(Gbps)為單位。

吞吐量：代表了設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)際能力，通常以每秒兆字節(jié)(MBps)或每秒千兆字節(jié)(GBps)為單位。

雖然看似類同，但帶寬與吞吐量卻有著本質(zhì)上的差別。例如，硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)和固態(tài)驅(qū)動(dòng)器(SSD)接口的最大帶寬相同，但其輸入/輸出(I / O)順序或隨機(jī)、讀或?qū)懙臄?shù)據(jù)吞吐量卻有著天壤之別。

在理想環(huán)境中，所有的數(shù)據(jù)都將存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)存之中，以最快的性能提供訪問(wèn)，但系統(tǒng)內(nèi)存代價(jià)不菲且容易丟失，服務(wù)器內(nèi)又只能配置有限的容量。大多數(shù)應(yīng)用程序不需要一直訪問(wèn)所有的數(shù)據(jù)，考慮到成本因素，我們?cè)L問(wèn)這些數(shù)據(jù)的頻繁程度和所要求的速度決定了數(shù)據(jù)最適合的存儲(chǔ)位置。

那么，如何才能充分利用存儲(chǔ)資源呢?我們可以怎樣調(diào)優(yōu)，才能以最低的成本贏得最佳性能?

存儲(chǔ)介質(zhì)性能的比較

在深入探討之前，我們先來(lái)看下可供企業(yè)選擇的各種存儲(chǔ)介質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)。

DRAM：是在性能和延遲方面都表現(xiàn)最佳的存儲(chǔ)介質(zhì)，缺點(diǎn)是所存儲(chǔ)的內(nèi)容并不穩(wěn)定。DRAM容量擴(kuò)容并不容易，而且不能在多臺(tái)服務(wù)器之間輕松共享。DRAM可以按字節(jié)尋址。

NVDIMM：使用和DIMM相同的外形尺寸，可以像DRAM那樣非?？焖伲⑶以跀嚯姇r(shí)可以借助閃存或其它技術(shù)來(lái)保留內(nèi)容。其在速度上略遜于DRAM，也有類似的訪問(wèn)性和擴(kuò)展性問(wèn)題。NVDIMM通常以字節(jié)尋址。

閃存：非?？焖俚某志么鎯?chǔ)介質(zhì)，并具有良好的可擴(kuò)展性，可作為單臺(tái)服務(wù)器或是存儲(chǔ)陣列的組成部分。它比DRAM便宜很多，并按數(shù)據(jù)塊尋址。根據(jù)不同價(jià)格、性能、成本可以區(qū)分出不同的閃存類型，如MLC、TLC等。

硬盤驅(qū)動(dòng)器：一種相對(duì)較慢的，用以長(zhǎng)期存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的介質(zhì)，現(xiàn)在更多用于歸檔和備份數(shù)據(jù)的存放。硬盤驅(qū)動(dòng)器同樣是數(shù)據(jù)塊尋址的。

上述這些介質(zhì)均可單獨(dú)或混合使用，從而實(shí)現(xiàn)了一系列不同存儲(chǔ)性能的方案。

服務(wù)器內(nèi)部的存儲(chǔ)介質(zhì)選擇

存儲(chǔ)可以直接部署在服務(wù)器內(nèi)部，盡可能靠近中央處理器，縮短數(shù)據(jù)的I/O路徑，從而減少延遲。

閃存則必硬盤具有更高的性能水平。根據(jù)訪問(wèn)數(shù)據(jù)的性能需求，可以組合使用不同閃存/硬盤驅(qū)動(dòng)器容量配比的方案，從而在成本和性能之間達(dá)成平衡。閃存與系統(tǒng)內(nèi)存可以用作高速緩存來(lái)存放活躍的數(shù)據(jù)，而同時(shí)將相對(duì)靜止的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到硬盤驅(qū)動(dòng)器上。

這其中涉及到命中率的問(wèn)題，即活躍數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在緩存中，根據(jù)命中率可以推測(cè)出I/O性能。如果數(shù)據(jù)需要從硬盤驅(qū)動(dòng)器而非緩存中讀取，那么其訪問(wèn)請(qǐng)求的性能將受到影響。一種方案是將廉價(jià)和昂貴的不同閃存類型混合使用，從而實(shí)現(xiàn)適合的方案性價(jià)比。

服務(wù)器中存儲(chǔ)的另一項(xiàng)考慮因素是要防止設(shè)備故障。假如驅(qū)動(dòng)器發(fā)生故障，那么服務(wù)器可能要完全宕機(jī)才能更換部件，除非該設(shè)備支持熱插拔。假如服務(wù)器發(fā)生故障，內(nèi)部設(shè)備上的數(shù)據(jù)都將無(wú)法訪問(wèn)，因此我們需要復(fù)制數(shù)據(jù)。這取決于將一組服務(wù)器連接起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)的速度，給I/O增加了額外的延遲。

考量存儲(chǔ)陣列的性能

共享存儲(chǔ)陣列為數(shù)據(jù)帶來(lái)了更高的可用性和更好的可訪問(wèn)性，不過(guò)由于需要遍歷以太網(wǎng)或光纖通道的存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，這可能會(huì)造成延遲。

目前一些新產(chǎn)品正在上市，提供不同的連接選項(xiàng)(如RDMA，RoCE和NVMe)等解決方案。相比傳統(tǒng)的存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，這些新技術(shù)雖然擴(kuò)展性較差，但顯著降低了延遲。

存儲(chǔ)陣列亦可以通過(guò)選擇不同的存儲(chǔ)介質(zhì)來(lái)改善性能。

DRAM緩存能夠改進(jìn)讀寫性能，而混合系統(tǒng)中的閃存與磁盤驅(qū)動(dòng)器則能實(shí)現(xiàn)最好的方案性價(jià)比。

同時(shí)，與上文中討論的“緩存未命中”問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)相比，全閃存系統(tǒng)能夠確保所有數(shù)據(jù)的I / O性能與延遲。

閃存技術(shù)的應(yīng)用引發(fā)了一系列技術(shù)的產(chǎn)生，已經(jīng)不在局限于單純地提高吞吐量、解決延遲。通常來(lái)說(shuō)，用越多的內(nèi)存和閃存來(lái)取代磁盤，我們就能得到越好的存儲(chǔ)性能。

存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的性能

當(dāng)使用外部存儲(chǔ)陣列時(shí)，我們可以通過(guò)調(diào)整存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)以提高整體系統(tǒng)的性能。

最新的主機(jī)總線適配器(HBA)帶來(lái)了非常高的帶寬(32Gbps光纖通道、40Gbps和100Gbps以太網(wǎng))，而網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)則實(shí)現(xiàn)了很低的延遲。通常來(lái)說(shuō)，更快的單個(gè)設(shè)備都會(huì)促使整體系統(tǒng)的性能得以更好地發(fā)揮，盡管不斷升級(jí)交換機(jī)的成本或許是不容小覷的。通過(guò)添加更多的前端連接(額外的HBA)，我們可以將工作負(fù)載擴(kuò)展分配到更多的連接之上，從而提高對(duì)存儲(chǔ)陣列的吞吐量。

另有一些其它的技術(shù)同樣可以改善性能：

負(fù)載均衡：這項(xiàng)技術(shù)能夠在盡可能多的設(shè)備上平衡資源的利用率。這意味著你可以將數(shù)據(jù)擴(kuò)展分布到多塊磁盤(閃存或硬盤驅(qū)動(dòng)器)，并充分利用所有連接，能夠在服務(wù)器和存儲(chǔ)陣列之間實(shí)現(xiàn)寬條帶化技術(shù)。

負(fù)載優(yōu)化：訪問(wèn)活躍數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生較重的工作負(fù)載，可以將其遷移到更快速的設(shè)備上，例如閃存，由于閃存代價(jià)不菲，因此需要盡可能使用在最需要的地方。假如可以克服服務(wù)器可用性的問(wèn)題，那么NVDIMM的應(yīng)用或許可以大大提高某些工作負(fù)載的性能。

緩存：我們已經(jīng)探討過(guò)存儲(chǔ)陣列和服務(wù)器上的緩存，其亦可以跨設(shè)備使用，即在服務(wù)器上使用DRAM和閃存，對(duì)來(lái)自外部存儲(chǔ)的I / O進(jìn)行緩存，這在讀取操作上沒(méi)有限制，而寫出操作則要求一定的彈性以防止數(shù)據(jù)丟失。

存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)調(diào)優(yōu)：在更為復(fù)雜的存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中，共享存儲(chǔ)端口和交換機(jī)之間的鏈路或許會(huì)變成瓶頸，需要檢查隊(duì)列深度和緩沖區(qū)信用閥值等設(shè)置，或者利用網(wǎng)絡(luò)自帶的拓?fù)浼夹g(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

通過(guò)上述討論，我們不難看出：改善性能的前提是具備適合的度量方式。如果缺乏合適的度量工具，量化性能問(wèn)題、判斷問(wèn)題是否得以解決便無(wú)從談起。

所有存儲(chǔ)供應(yīng)商都會(huì)提供衡量其產(chǎn)品性能的工具，甚至還能實(shí)現(xiàn)端到端的性能測(cè)試，顯示出存儲(chǔ)對(duì)整體應(yīng)用系統(tǒng)性能的影響。通過(guò)這些工具，你還可以看出當(dāng)前實(shí)時(shí)的性能和歷史的性能數(shù)值——這對(duì)于持續(xù)改進(jìn)存儲(chǔ)系統(tǒng)性能而言亦是至關(guān)重要的。