考验你的男票是否是个细心暖男boy的时候到了~
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下次自动登录暖男型高端存储的关键技术解读
大家周三好。上次西瓜哥写了一篇暖男型存储的文章后，在中端领域，已经有人哭着喊着说：老板，给我来两存储，要暖男型的哦。但高端存储里面，是否也有暖男型存储呢？现在的暖男都被韩国人代言了，其实在我们古代，唐伯虎也算一个暖男，而且是高端暖男，因此会作诗哦。但高端暖男存储到底有啥能力，是否能够七步成诗，还是徒有虚名？今天正好看到华为对渠道发布了一个OceanStor 0 V3高端存储技术白皮书，里面也很多的技术细节，我们来解读一下。华为把 OceanStor 0 V3定位为高端存储了，这个定位和OceanStor 18000有所重叠。西瓜哥认为这个应该还是针对入门级的高端存储市场，而OceanStor 18000还是针对传统的高端市场。技术白皮书还是比较详细的，其第三节介绍了很多技术的原理和实现方式，建议技术型暖男看看原文，可以帮助你理解存储的一些新技术是如何实现的。我们今天只挑选西瓜哥认为比较有特色的技术实现，和大家分享一下。华为OceanStor 0 V3 高端存储是建立在拥有重删压缩功能、块级虚拟化RAID2.0+的新一代存储平台之上，拥有细粒度的资源调配、动态迁移和均衡、精简配置、数据消重和无损快照等一体化平台带来的优点。不同于传统厂商的统一存储，华为新一代存储操作系统OceanStor OS 的SAN 和NAS 并非在LUN 上建文件系统或在文件系统上抽象出LUN 的接口给主机，华为的统一SAN 和NAS 是真正的融合，文件系统和块接口都直接构建在存储虚拟资源池之上，没有传统统一存储SAN 和NAS 上面的层叠关系，对资源的使用效率更胜一筹。同时，OceanStor 0 V3 高端存储既实现传统阵列的闪存加速的混合存储，又同时支持构建基于闪存特点而设计的全闪存阵列，实现HDD 和SSD 的自由融合。OceanStor 0 V3 高端存储采用全新的硬件平台，采用最新的英特尔IvyBridge 处理器，最多支持128 个核心，并采用了业界领先的PCIE3.0 和SAS3.0 技术，实现端到端的高速数据通道，同时推出了16Gb FC、10GE TOE、10 Gb FCoE 3 合1 的软件定义接口，灵活客户的配置。以上这段介绍是白皮书里面的原话，概括来说，华为宣传OceanStor 0 V3为高端统一存储，优点主要是采用最新的硬件平台，自研的软件定义接口卡技术，支持重删压缩一般高端存储没有的特性，而且采取“真融合”的方式支持NAS和SAN。我们先来看一下其架构。OceanStor 0 V3是紧耦合4控架构，这个有点像HP 3PAR 7400。四控间采取PCIE3.0 智能背板全互联架构设计，其逻辑连接图如图二。每个控制器都内嵌PCIE 交换芯片，实现4 控内控制器之间的高速互联，提供80 Lane PCIE3.0 连接，高达80GB 的控制器间的互联带宽。单框4 控紧耦合的设计增加了整个存储的可靠性，四控之间通过持续cache 镜像来实现4 控间的高可用性。在一个控制器故障时也不用降低集群的高可用性，四控之间持续镜像技术使得整个单框四控架构可容忍高达3 控的控制器损坏而不影响业务的可用性，满足银行、金融、政府等行业关键应用对高端存储的5 个9 的极高可用性。OceanStor0 V3目前支持最高8 个控制器节点，单框四控与单框四控之间采用10Gb 以太网交换机做高速互联，实现各控制器间的业务交换。每个控制器都通过至少2 个10GbE 口连接到2个冗余的互联交换机，全阵列设计无单点故障，并为以后单框4 控之间IP 扩展提供预留，将支持16 控乃至更高的控制器扩展。以前西瓜哥介绍高端存储的时候介绍过，EMC的VMAX和华为的OceanStor 18000采用的都是两控为节点的松耦合架构，有些用户还是担心两控的可靠性不够，因为松耦合的特点是这个控制框出问题，后面的磁盘就不能访问了。而OceanStor 0 V3平衡了紧耦合和松耦合的关系，每个控制框是紧耦合的4控，但也支持松耦合的横向扩展。但要注意的是，也许为了成本原因，Scale-out方式的互连方式没有采用其高端用的PCIe技术，而是采用中端常用的万兆网络。OceanStor OS V3采用华为自主研发的XNET作为集群互联之间的交换协议。XNET作为一个通讯协议定义了数据传输的语义和上下文，用于OceanStor OS在集群环境下不同控制器之间点对点的所有RPC和数据传递，满足数据传递过程中对安全，流控，快速，大容量传输的需求。XNET支持了多种的底层传输介质PCIe、UDP；我们为了满足数据在存储多控之间传输的特点，继续引入了业界领先的RDMA技术，使XNET支持RDMA作为底层传输介质。RDMA（remote direct memory access）是一种远程内存直接访问技术，可以在不需要操作系统干预下，完成两个主机之间内存数据传输。RDMA技术具有IO延迟低，带宽性能高，主机CPU负载低的特点。通过RDMA技术的引入，XNET数据在链路上的时延以us计算。从华为白皮书的描述看，由于采用的RDMA技术，因此虽然采用10GE作为集群的互连网络技术，但时延也非常低，是us级别。另外，其采用电信设备的设计思路，业务、控制和管理平面各个通道之间的相互隔离，确保了业务平面、控制平面和管理平面之间的隔离，每个功能平面可在各自平面内部单独完成故障检测、修复和隔离，互不影响。华为还对其统一存储为啥是“真融合”的进行了详细的描述。OceanStor 0 V3 高端存储融合平台架构如下图五，文件系统和块接口是平行的出在Space 子系统之上，下面是基于RAID2.0+的块虚拟化存储池子系统。在这个架构中，文件系统和LUN 都直接与底层的Space 子系统交互。文件系统架构是基于对象集，每个文件或文件夹是一个对象，而每个文件系统是一个对象集。对于LUN 来说，LUN 分Thin LUN 和传统的Thick LUN。二种LUN 也都来自于Pool 和Space 系统，并没有建立在文件系统之上。这样简化的软件栈带来的存储效率比图六这种传统的统一存储架构效率要高，同时LUN 和文件系统各自保持独立，互不影响。而对比友商，像EMC 统一存储VNX 的NAS 功能，需要加配X-Blade(NAS 网关)来提供共享文件服务，采用的文件系统和块服务是运行在二套不同的操作平台之上，增加了架构和软件堆栈的复杂性；而像Netapp 的FAS 系列，其统一存储虽然运行在统一平台之上，但块语义是基于WAFL(Write Anywhere File Layout)的文件系统之上，在软件层级上也较OceanStor V3 存储平台的复杂。从软件堆栈的层级来看，建立在华为OceanStor V3融合平台之上的统一存储，效率将更高。而对于RAID 2.0+，大家都比较熟悉了，西瓜哥就不解读了。唯一要注意的就是白皮书强调SAN和NAS都共用这个技术。由于文件系统和LUN 真正融合在RAID2.0+架构之上，不管是文件系统还是LUN 空间，都将享有RAID2.0+带来的自动均衡、快速重构、提高可靠性等好处。很多人也经常关注RAID 2.0+到底支持哪些RAID类型，从白皮书列出来的类型看，常用不常用的RAID类型基本都支持了。其RAID类型支持并不比传统的RAID阵列少，包括RAID 50都支持，用户的选择余地还是非常大的。然后白皮书介绍了其Cache和SmartCache的设计。建立在OceanStor OS 平台之上的华为企业统一存储缓存分为读、写、镜像三种类型。读、写、镜像共用所有缓存，镜像缓存保存对端控制器写缓存的数据，用于当对端控制器故障时，恢复对端缓存数据。在垂直维度上，Cache 分为一层Cache 和二层Cache：一层Cache 是用户Cache，目的是减少客户读写时延，由Space 子系统管理；二层Cache 是strip cache，目的是硬盘加速，由Pool 子系统管理。一层Cache 和二层Cache 均具有读、写、数据镜像功能，对文件系统和LUN 在完成数据加速访问的同时也保证了单控复位或故障时文件系统数据的一致性和业务的连续性。1) 读、写、镜像缓存有配额限制，写缓存的大小与镜像缓存的大小相等。2) 写和镜像缓存没有使用时，读缓存最大可以占有所有缓存资源。3) 若写和镜像缓存达到限制的最大配额时，读缓存大小为控制器缓存大小减去写和镜像缓存之和。4) 系统对最小读缓存有预留，在写业务压力大时，仍能保证读业务有最小的缓存资源可以使用。OceanStor 0 V3 高端存储缓存算法实现了多路顺序流识别算法，即在大量乱序和随机的IO 中识别出顺序IO 流，对顺序的读写IO 流采用预取和合并算法，能优化有多种应用的场景的系统性能。同时，OceanStor 0 V3 高端存储的预取算法实现了智能预取、固定预取、倍数预取等算法。智能预取能自动识别IO 特征，根据IO 特征决定是否预取、预取多大长度，确保产品性能能满足不同应用场景。当系统缓存占用率达到阈值时，淘汰算法根据历史访问频率和当前的访问频率，计算数据块的热度，结合多路顺序流识别算法，选择合适的数据进行淘汰。而SmartCache 利用SSD 划分为一个独立的性能层级，来为数据做加速。SSD 层可以作为一层Cache 的扩充，为一层Cache 缓存其存放不下的热点数据；也可以作为内部元数据的读缓存，如数据消重的元数据可以直接使用SmartCache 来加速读。SmartCache 在对SSD 资源进行管理上，分为两部分：SmartCache 池和SmartCache 分区。系统默认在每个控制器上生成一个SmartCache 池，每个SmartCache 池管理本控制器的所有SSD 盘，并在本控制器上提供细粒度的本地SSD 资源申请、释放功能。SmartCache池要保证每个子分区的资源来自不同SSD 盘，防止不同SSD 盘负载不均衡。系统在每个控制器对上生成一个默认SmartCache 分区，除了默认的SmartCache 分区外，用户可以创建多个SmartCache 分区，用户创建的分区也是基于控制器对的。一个控制器对上的SmartCache 分区实际由两个控制器上的子分区构成。SmartCache 子分区申请到细粒度的非连续SSD 资源后，由子分区自己实现更细力度的资源申请、释放操作。申请到缓存资源后，SmartCache 分区独立进行数据缓存、淘汰。对文件系统而言，文件系统操作涉及到三种类型的数据操作：用户数据（对应硬盘上对象的数据）、间接块和文件的属性dnode（存放在硬盘的对象管理结构中)。当用户数据和文件的属性操作在一层cache 中完成后，文件系统即可对用户返回操作成功，后续流程为异步执行，通过对文件系统元数据修改，小IO 做合并，从而实现对文件系统访问的加速功能。从白皮书的描述看，华为的Cache算法还是比较智能和复杂的，当然西瓜哥感觉IBM DS8000的更复杂。不过华为可以把SSD作为Cache，也可以作为分层，能同时实现这两种技术的产品也不是太多。在往下我们要看一下重删压缩了。与OceanStor 0 V3 高端存储一起推出的重删压缩功能，采用了硬件加速卡的方式来对数据进行重删，把对数据块的指纹计算、压缩、解压缩等功能都卸载到硬件上，减少对控制器CPU 的压力，同时利用SSD 作为重删元数据加速，提高整个存储重删的性能。OceanStor 0 V3 高端存储的数据消重选择了在线消重，针对文件系统和ThinLun的数据流以4K~64K（基于文件系统和ThinLUN 的Grain 大小）粒度做指纹计算，然后通过指纹比对或亦可选择开启逐字节对比来对重复数据消重。同时，硬件加速卡对重删后的数据进行压缩和解压缩。得益于SAN 和NAS 的融合架构，文件系统和Thin LUN 均可以打开重复数据消重功能，实现基于块的在线数据消重。从描述看，是采用硬件的在线数据消重技术，对系统的性能影响不大。但从描述上看，块重删功能只针对文件系统和Thin LUN，Thick LUN应该不支持，不过这种平台，很少用Thick LUN了。OceanStor V3对V2的快照有一个重大的改变，也就是支持ROW快照了，这个快照技术特别适合闪存的环境，快照的数量可以支持非常多。但从白皮书的描述看，ROW快照只支持Thin LUN，也就是Thick LUN还需要用传统的ROW快照。在容灾这块，华为宣传OceanStor V3可以实现秒级的RPO。我们来看看其如何做到的。HyperReplication/A 采用了多时间戳（Timestamp）缓存技术，缓存中的数据和与缓存交互的IO 都携带时间戳信息，在进行复制和同步时，直接从主LUN Cache 中读取相应时间戳分片的数据复制到从LUN，降低了时延，同时降低了传统异步远程复制快照对性能的影响，因此同步周期可以缩短为秒级。① 每当间隔一个同步周期（由用户设定，范围为3s～1440min），系统会自动启动一个将主站点数据增量同步到从站点的同步过程（如果同步类型为手动，则需要用户来触发同步）。每个复制周期启动时在主LUN（LUN A）和从LUN（LUN B）的缓存中产生新的时间戳分片（TPN+1 和TPX+1）；② 主站点接收生产主机写请求；③ 主站点将写请求的数据写入缓存时间戳为TPN+1 的分片中，立即响应主机写完成；④ 同步数据时，读取前一个周期主LUN（LUN A）缓存中时间戳为TPN 分片的数据，复制写入从LUN（LUN B）缓存中时间戳为TPX+1 的分片中；⑤ 同步数据完成后，按照刷盘策略将主LUN（LUN A）和从LUN（LUN B）缓存中时间戳为TPN 和TPX+1 分片的数据下盘，等待下一个同步的到来。说明：? 时间戳分片：在缓存中管理一段时间内写入数据的逻辑空间（数据大小没有限定）? 在低RPO 的应用场景下，异步远程复制周期很短，OceanStor 企业统一存储系统的缓存中能缓存多个时间戳分片中的全部数据；如果主机业务带宽或容灾带宽出现异常或故障，造成复制周期变长或中断，此时缓存中的数据会按照刷盘策略自动刷盘并进行一致性保护，复制时再从盘上进行读取。大家看到，区别于一般的中端存储，华为采用在内存中打时间戳的方式，因此同步的周期可以缩小。一般的中端存储采用快照技术，数据落盘后再快照，不可能做太频繁，否则对主机的性能有很大影响，因此RPO一般都是分钟级别。严格来讲，华为的同步周期最短是3s，最坏的情况就是上一个周期的没有同步完成，这个时候主存储出故障了，因此损失的数据量最大是两个同步周期，也就是RPO最小是6s。我看很多华为的资料宣传5s，严格来讲是不正确的。华为还对支持异构虚拟化的原理进行了描述。从描述结果看，采取把外部存储的LUN再封装的方式，元数据保存在主存储上，因此不破坏原来的数据。而且，主存储还支持后端的多路径技术，使得外部存储可以采用多路径接入，提高了可靠性。这使得异构虚拟化后的LUN支持主存储的各种增值功能，实现统一的管理。但技术白皮书说异构的LUN支持的是COW快照，因此西瓜哥怀疑异构的LUN的类型可能是Thick LUN。对于分层技术，西瓜哥注意到，SmartTier 有2 种迁移触发模式：手动触发迁移模式和定时触发迁移模式。此外，SmartTier 可设置高中低三档迁移速度，进行迁移的动态控速。其中，低档迁移速度上限为10MB/S，中档迁移速度上限为20MB/S，高档迁移速度上限为100MB/S。还有迁移的时候采用双写的方式，即在迁移过程中，读IO 访问会从源extent 中读取数据，写IO 会同时写源extent 和目的extent。自动精简方式支持的原理也不复杂。SmartThin 主要通过Capacity-on-write 和Direct-on-time 两种技术来响应主机对Thin LUN 的读写操作。利用Capacity-on-write 来进行写时空间分配，再使用Direct-on-time 技术来进行读写重定向。SmartThin 功能支持标准SCSI 命令(unmap)和零数据释放两种空间回收方式。我们再来看一下其QoS控制。SmartQoS 特性从以下三个方面来保证数据业务的服务质量：? IO 优先级调度技术：通过区分不同业务的重要性来划分业务响应的优先级。在存储系统为不同业务分配系统资源的时候，优先保证高优先级业务的资源分配请求。在资源紧张的情况下，为高优先级的资源分配较多的资源，以此尽可能保证高优先级业务的服务质量。当前用户可以配置的优先级分为高、中、低三个等级；? IO 流量控制技术：基于传统的令牌桶机制，针对用户设置的性能控制目标（IOPS或者带宽）进行流量限制，通过IO 流控机制，限制某些业务由于流量过大而影响其它业务；? IO 性能保证技术：基于流量扼制的方式，允许用户为高优先级业务指定最低性能目标（最小IOPS/带宽或最大时延），当该业务的最低性能无法保障时，系统内部通过对其他低优先级业务的IO 逐级增加时延的方式来限制其流量，从而尽力保障该业务的最低性能目标。西瓜哥看到，QoS方面，OceanStor V3可以说支持得比一般厂商完善，大部分厂商一般都不支持优先级控制，一般只能限制带宽和IOPS。华为的优先级调度通过控制前端主机并发，系统CPU 资源，阵列内缓存资源，后端硬盘资源四种瓶颈资源的分配来达到控制每个调度对象在存储系统内部的响应时间。最后看一下缓存分区功能。这个也是华为比较有特色的一个功能。SmartPartition 支持用户单独为分区配置读、写缓存的大小，从而满足不同类型业务的要求。这个特性一般传统的高端存储如EMC VMAX和HDS VSP才有，在一些特定场合还是有一定的用途的。总的来说，华为的OceanStor 0 V3确实有比较先进的软硬件架构，规格上也超过了很多高端存储。因此，定位为一款入门的高端存储没有问题。高端存储也有了暖男型，是否系统管理员可以有更多的时间回家陪老婆，暖男多了，这个世界应该会更加和谐了吧。好，今天就聊到这里。建议技术型选手还是读读原文。明天见。
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