存儲在線專欄文章：今天，西瓜哥來分享一下SolidFire CEO Dave的一個演講。這哥們長得很帥，講得更棒，有很多的技術(shù)細(xì)節(jié)，英文比較好的可以點擊后面的{閱讀原文}觀看（建議用電腦看，因為iOS不支持flash，不過可下載vimeo客戶端觀看）。

這是他在今年4月份在Tech Filed Day的一個演講。首先是一個聲明，他說這些材料都是基于公開的內(nèi)容，沒有設(shè)計為突出某種架構(gòu)好，只是說明每一種方法的權(quán)衡，當(dāng)然，他內(nèi)心還是認(rèn)為自己的架構(gòu)最好。好誠實的小伙，O(∩_∩)O哈！當(dāng)然，演講沒有包括市場上全部的AFA架構(gòu)，因為很多和傳統(tǒng)的存儲架構(gòu)一樣，很多沒有豐富的特性，有些還文檔缺乏。

這是AFA的競爭全景圖，我們看到大帥哥把IBM的TMS放在Flash Applicance分類里面了，因為它是以硬件為中心的設(shè)計方式。3PAR是傳統(tǒng)陣列的改良，而本質(zhì)上專為全閃存系統(tǒng)全新設(shè)計的是Pure Storage（后面簡稱Pure）、XtremIO和SolidFire（后面簡稱SF）。這些產(chǎn)品的特點是采用商用硬件，以軟件為中心，提供豐富的數(shù)據(jù)服務(wù)，支持在線的數(shù)據(jù)縮減功能。

為什么傳統(tǒng)的架構(gòu)不適合閃存？一是基于extent映射和固定塊對齊的方式很難支持重刪和壓縮，二是傳統(tǒng)的RAID方式帶來閃存的性能和磨損問題，三是控制器的資源和閃存的需要不匹配，因為閃存需要更多的原數(shù)據(jù)的存儲和管理。

每個架構(gòu)主要從6個方面的設(shè)計來闡述他們的選擇。

• 第一點，首先是系統(tǒng)的擴(kuò)展性考慮。也就是這個架構(gòu)如何支持容量和性能的擴(kuò)展。

Pure采用的是縱向擴(kuò)展的方式，和傳統(tǒng)的塊存儲架構(gòu)一樣。需要更多性能，你只能升級到更強(qiáng)大的控制器，容量可以通過磁盤框來擴(kuò)展，但性能受限于兩個控制器的能力。

而SF和XtremIO都采用橫向擴(kuò)展的架構(gòu)。性能和容量都可以線性增長。目前SF集群的節(jié)點可以是不同類型，而且性能可以動態(tài)均衡。

一般來說，縱向擴(kuò)展的架構(gòu)適合小型、固定可預(yù)測的負(fù)載，而橫向擴(kuò)展架構(gòu)適合大規(guī)模、不可預(yù)測和更需要彈性的場合。

• 第二點，看一下系統(tǒng)冗余的設(shè)計，也就是如何保證高可用和進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)的。

Pure和XtremIO都是采用雙控共享硬盤的架構(gòu)，和傳統(tǒng)的塊存儲架構(gòu)一樣。如果硬盤失效，在該硬盤框內(nèi)重構(gòu)，控制器失效，另外一個控制器接管。如果硬盤框壞了，系統(tǒng)就不能運行了，也就是磁盤框是SPOF（單點失效）。

而SF采用的是啥也不共享的架構(gòu)。西瓜哥認(rèn)為，其實就是現(xiàn)在云（對象）存儲，如華為的UDS常采用的架構(gòu)。這種架構(gòu)采用多副本技術(shù)，好像SF是2副本，可以承受最少一個節(jié)點故障。但與會嘉賓提出了“質(zhì)疑”，說軟件成為了SPOF，O(∩_∩)O哈！因此，軟件的健壯性很重要。

這兩種架構(gòu)的區(qū)別如下，共享硬盤架構(gòu)比較適合小容量起步的場合，硬盤成本高，而啥也不共享架構(gòu)比較適合大容量場景，控制器成本高。

• 第三點，看數(shù)據(jù)的組織和IO路徑。數(shù)據(jù)是如何組織，放置和定位，這個對重刪的實現(xiàn)影響很大�，F(xiàn)代的閃存架構(gòu)對比傳統(tǒng)的塊存儲就是采用大量的元數(shù)據(jù)。

Pure采用位置尋址技術(shù)。主要的元數(shù)據(jù)是一個KV倉庫（映射表）。另外，需要多個附加的元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括鏈接表，重刪表和中間表（定向圖）。所有的元數(shù)據(jù)都保存在SSD里，采用內(nèi)存做Cache。

這個是IO讀寫的路徑。

而SF和XtremIO采用的是內(nèi)存尋址的方式。卷的元數(shù)據(jù)是一個KV倉庫，但key指向的地方不是塊的位置，而是指紋。塊的元數(shù)據(jù)是一個分布的KV倉庫，指向?qū)嶋H的塊數(shù)據(jù)。這個實際就是XtremIO經(jīng)常說的兩階段元數(shù)據(jù)架構(gòu)。所有的元數(shù)據(jù)都保存在SSD上，但全部在內(nèi)存里運行。

這是他們的讀寫路徑。

這是兩種尋址方式的對比。位置尋址只是單層映射，即LBA->位置，因此位置和元數(shù)據(jù)是緊耦合的關(guān)系，數(shù)據(jù)移動需要更新元數(shù)據(jù)，重刪實現(xiàn)需要附加的表格和索引。而內(nèi)容存儲方式采用兩層元數(shù)據(jù)映射LBA->塊ID->位置，物理位置和元數(shù)據(jù)是松耦合，靈活性更好，天然就支持重刪。位置尋址適合所有的控制器都可以全局訪問元數(shù)據(jù)的架構(gòu)，而內(nèi)容尋址適合大規(guī)模全局重刪和分布式架構(gòu)。

• 第四點是如何刪除不用的數(shù)據(jù)。即數(shù)據(jù)不用了，如何刪除？這個對于傳統(tǒng)的塊存儲不是問題，數(shù)據(jù)塊重寫就可以了，但對于全局重刪、快照優(yōu)化的架構(gòu)非常復(fù)雜，因為你不知道誰還在引用這個數(shù)據(jù)。

Pure采取的是引用驗證的方式。當(dāng)回收空間的時候（垃圾收集），檢查各種表看是否還有人在引用這個數(shù)據(jù)，如果沒有就刪除。

而XtremIO采取的是引用計數(shù)的方式。原理其實很簡單，塊的元數(shù)據(jù)（塊ID->位置映射）包含一個引用計數(shù)，“寫”一次計數(shù)就加一，重寫時舊的塊（其實就是刪除）就減一。大家注意這個寫打引號了，不是真正去寫物理位置。如果是一個卷的刪除、克隆和XCOPY操作，由于需要大量修改引用計數(shù)，因此會觸發(fā)后臺進(jìn)程去做這件事情。當(dāng)引用為零，說明沒人用這個塊了，就可以被條帶更新時覆蓋寫了。（XtremIO不做系統(tǒng)級的垃圾收集，下面我們討論這個問題）

SF采用的方法是標(biāo)記&掃除GC的方式。塊的元數(shù)據(jù)的每個入口都包含一個“在用”的標(biāo)志，每隔一定的時間，所有的塊都標(biāo)記為未使用。卷的元數(shù)據(jù)創(chuàng)建當(dāng)前使用的塊ID的Bloom Filters（布隆濾波器，一種高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，西瓜哥的數(shù)學(xué)是語文老師教的，大家可以百度學(xué)習(xí)），送到塊層，在布隆濾波器里面的塊就標(biāo)志為“在用”，在GC結(jié)束后沒有在用的塊就刪除了。這樣周而復(fù)始。（西瓜哥認(rèn)為這個設(shè)計的關(guān)鍵是找了一個高效的布隆濾波器，其特點是高效但可能有非常小的誤判，但誤判只是浪費一點點空間而已，即有些塊沒有用而標(biāo)記為使用了。但這個誤判不影響數(shù)據(jù)的安全，但效率大大提高）。

這個三種方法的區(qū)別如下，引用驗證的方式需要存儲層和元數(shù)據(jù)層緊耦合，允許幾乎馬上就決定那個數(shù)據(jù)不在用，特別適合全局共享元數(shù)據(jù)場景；引用計數(shù)的方式在某些操作（克隆，XCOPY)需要大量更新計數(shù)器，計數(shù)要非常精確，不能有絲毫差錯，也可以幾乎立即決定哪些數(shù)據(jù)沒有用，非常適合單一信任源的元數(shù)據(jù)場景；而標(biāo)記&掃除 GC的方式，需要GC掃除在后臺運行，系統(tǒng)的抗干擾性非常高，允許沒有改變塊元數(shù)據(jù)下對卷的元數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，非常適合松耦合的分布系統(tǒng)。

• 第5點是關(guān)于閃存數(shù)據(jù)布局的設(shè)計。也就是數(shù)據(jù)如何組織和保存在各個固態(tài)硬盤里。傳統(tǒng)的基于extent/chunk的布局并不合適，因為有閃存性能和寫放大問題，快照和克隆的低效問題和固定的RAID幾何形狀和熱備盤問題。

XtremIO采用的是固定塊的方式。數(shù)據(jù)以一個RAID條帶（23+2）條帶寫入，一旦硬盤寫滿，部分條帶被新數(shù)據(jù)更新，一旦寫入，數(shù)據(jù)不再“移動”，數(shù)據(jù)塊固定為4K大�。ìF(xiàn)在XIOS 3.0已經(jīng)改為8K，因此需要破壞升級，如昨天我們討論的那樣）。

而SF和Pure采用的是日志結(jié)構(gòu)方式。SSD空間分成固定大小的段，進(jìn)入的數(shù)據(jù)匯聚成段并順序?qū)懭耄�一旦硬盤寫滿，部分的段被垃圾收集，并寫到新的位置，每個塊大小可以不同。

大帥哥還講了不同SSD不同讀寫模式下硬盤性能的對比。

如果是普通的cMLC的硬盤，由于其控制芯片處理能力差，超供也不高，因此，剛開始性能還不錯，但開始垃圾收集的時候，128K隨機(jī)讀性能馬上下降到2500 IOPS。

如果是1M的隨機(jī)讀，IOPS雖然可以到9000，但抖動厲害。

但1M的順序讀性能基本可以穩(wěn)定在17000 IOPS。

這也是為啥XtremIO自己不做GC的原因。因為其寫是隨機(jī)寫。而日志架構(gòu)的方式，可以做到順序的大塊聚合寫。因此系統(tǒng)可以做GC，也就是可以采用cMLC的SSD，降低介質(zhì)成本。

而XtremIO必須采用eMLC SSD，因為需要SSD自己來做GC。這個Anobit的eMLC SSD,在GC的時候，128K隨機(jī)寫的性能是15000IOPS。性能還是不如上面的cMLC 1M順序?qū)憽?/p>

因此，固定塊方法很難支持變長的塊，大塊的寫會分成多個4k（或8K)的寫，SSD控制器來做閃存的page管理，需要更多的SSD超供（28%），這種架構(gòu)適合比較簡單的文件系統(tǒng)，采用eMLC SSD的場景。而日志結(jié)構(gòu)的方法，很容易支持變長的塊，寫可以聯(lián)合，即多個小的寫聚合成一個大塊的寫，存儲系統(tǒng)幫助閃存做page管理，SSD的超供只需要7%，特別適合采用cMLC SSD，支持壓縮的場景。（不過，現(xiàn)在XtremIO XIOS 3.0也支持壓縮了）。

• 第6點，也是最后一點，講一下掉電保護(hù)的方法。也就是掉電后如何保證數(shù)據(jù)的安全，這個和傳統(tǒng)的存儲一樣，不需要特別考慮，除了性能要求很高情形和盡量平衡閃存磨損方面。僅僅寫到SSD并不是一個好方法。

Pure采用鏡像SLC SSD的方式，所有的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)更新流化到一個持久的日志文件里，使用2個SLC SSD做鏡像，兩個SSD都放在第一個硬盤框里。這種方法使用小部分的SLC SSD空間，但可以增加壽命，提供更一致的寫延遲。

而XtremIO采用系統(tǒng)內(nèi)存加UPS的方法。待寫的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)保存在2個控制器的內(nèi)存里，臟數(shù)據(jù)在后臺聚合成RAID條帶寫，和VNX類似，所有的控制器需要外部UPS保護(hù)，只不過VNX2現(xiàn)在用的是內(nèi)部的BBU。在掉電的時候，臟數(shù)據(jù)刷到磁盤框或者內(nèi)部控制器的SSD。如果單個BBU故障如何處理不明（可能會繼續(xù)保持運行）。

SF采用PCIe NVRAM的方式，每一個節(jié)點都內(nèi)置一個8G NVRAM卡，上面有超級電容和SLC閃存，所有的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)都同時提交給2個節(jié)點，掉電時，卡把數(shù)據(jù)刷到閃存，來電的時候恢復(fù)到內(nèi)存里。（這個方法和華為FusionStorage的保護(hù)方式類似）

這三種方法的對比如下。SLC SSD的方式性能最差，PCIe NMRAM其次，DRAM w/UPS方式最快。SLC SSD方式磁盤框壞了數(shù)據(jù)就不可用了，而其他兩種則沒有SPOF。SLC SSD和PCIe NVRAM的方式都可以防止軟件崩潰，而DRAM w/UPS在雙kenel panic下有數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險，維護(hù)性也差一些。SLC SSD的方法適合從控制器去除持久數(shù)據(jù)的場景（這個就是為啥Pure支持NDU的一個原因，因為使用了無狀態(tài)控制器），而DRAM w/UPS的方式實現(xiàn)簡單，性能好，但PCIe NVRAM方式提供最高級別的保護(hù)。

最后匯總了三個閃存產(chǎn)品架構(gòu)在這6方面的實現(xiàn)方法，有些方法擴(kuò)展性好，有些方法實現(xiàn)簡單，有些方法成本最優(yōu)，有些方法可靠性最高。圖中用不同的顏色做了標(biāo)記。總的來說，Pure關(guān)注TTM，可用性和成本，而XtremIO關(guān)注TTM和擴(kuò)展性，SF關(guān)注擴(kuò)展性、可用性和成本。

而擴(kuò)展性、可用性和成本正是下一代數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵屬性。哈，原來大帥哥還是有偏見的，O(∩_∩)O哈！

總結(jié)：西瓜哥認(rèn)為，這三種架構(gòu)，其實各有優(yōu)缺點。今天學(xué)習(xí)以后，終于知道為啥XtremIO不用做垃圾收集了，也知道為啥它不用cMLC了，也更了解為啥它的性能為啥如此好，并且能夠保持一致的性能了，也了解大家對他元數(shù)據(jù)安全的擔(dān)心。因此，西瓜哥的觀點，如果追求性價比，我會采用Pure，如果追求極致性能，我重點考慮XtremIO，如果考慮大規(guī)模的擴(kuò)展，SF是不二之選。

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