低延迟、高性能的固态硬盘缓存解决方案

MAXCACHE3.0白皮书采用AdaptecmaxCache™3.0读写固态盘缓存解决方案降低延迟，提升应用性能高达44倍执行摘要当今的数据中心和云计算环境要求更高的I/O性能和更低延迟，以支持网络服务、文件服务、数据库、在线交易处理（OLTP）、MicrosoftExchangeServer以及高性能计算（HPC）等大规模应用。该白皮书将重点阐述采用AdaptecmaxCache3.0固态盘缓存解决方案能够给这些关键数据中心应用带来怎样的性能优势，以及如何从改善应用性能中实现成本节约。从性能，平均延迟的技术指标来比较硬盘(HDD)和固态盘的差异，能将随机读写的性能提高100倍。AdaptecmaxCache把固态盘的这种高性能优势利用在读写工作负载上，复制缓存那些需要频繁访问的数据.下文我们将在一个100%随机读的IOmeter工作负载场景以及OLTP场景下，对比启用了maxCache3.0和未启用maxCache3.0的Adaptec存储控制卡，以此证明maxCache在性能和经济方面的优势。这些量化的性能改进可运用于总拥有成本（TCO）的计算中，其中包括了资本开支（CapEx）和运营开支（OpEx）的潜在节约效果。性能亮点加速应用性能、降低延迟、增加每台服务器的用户支持数量，这些都是数据中心和云计算环境的关键要求。基准测试设计用于展示maxCache3.0在理论上的最大效益，它测试的工作场景是：所有被发生的数据，都采用maxCache固态盘缓存（100%命中率），与配备8个1万转SAS硬盘，只支持硬盘的RAID阵列方案相比较得到如下结果：• 在RAID0配置下，每秒读取的密集型(IOPS)性能提升高达44倍•在RAID5配置下，每秒读取的密集型(IOPS)性能提升高达31倍• 在RAID0配置下，读取密集型应用延迟降低达44倍• 在RAID5配置下，读取密集型应用延迟降低达31倍在典型的真实环境中，对比只采用硬盘阵列的解决方案，通过SSD和HDD传输数据的maxCache方案要有明显的优势：• 在RAID5配置下，混合工作负载IOPS性能提升4倍• 在RAID5配置下，混合工作负载IOPS延迟降低4倍• 服务器可用容量提高7倍,每GB成本和每I/O成本大幅度 降低介绍数据中心和云计算环境要求有针对应用调优的高密度服务器，为终端用户提供一贯的高服务质量（QoS）。通常情况下，这些服务器部署是针对某些特定应用，例如网络服务、文件服务、数据库、OLTP、MicrosoftExchangeServer和高性能计算。数据中心和云计算应用的用户通常会签订服务等级协议（SLA），责成运营商提供预先确定的可靠性、可用性、可服务性以及性能等级。为了满足这些要求，数据中心运营商部署具有高I/O吞吐量和高IOPS以及经过应用调优的服务器以确保遵守SLA。违反SLA条款可能会面临严厉的经济处罚，更不用说对于用户体验所产生的不良客户反应。除了SLA要求之外，预算这一项也迫使数据中心增加每台服务器托管的用户数量，以降低每个用户的服务成本（COS）、以及新增硬件的资本开支和运营开支。添加服务器终端用户将导致延迟增加和IOPS降低。由于这两个问题发生在存储容量耗尽之前，所以数据中心和云计算环境不得不添加新的服务器以维持适当的服务等级，即使现有服务器尚有支持更多用户的存储容量。这会导致较低的存储容量利用率以及更高的资本开支和运营开支（也就是维护、供电和冷却成本），并要求有更多的物理空间。此外，为了快速响应时间以及SLA的可用性要求，和通过增加托管用户数量而降低COS，运营商会对服务器进行调优以在系统缓存中池化数据，尽管事实上用户并不会同时访问所有数据。例如，网络服务器会更多地将那些访问频繁的网站主页放到池中。相比一些（“冷”）产品，电子商务应用会将访问频繁（“热”）产品的图像放到查询队列中，并且更频繁地出售这些热门产品。1.“WhenmoreWebsitevisitorshurtyourbusiness:Areyoureadyforpeaktraffic?,”EquationResearch2010MAXCACHE3.0白皮书AdaptecmaxCache3.02但是，至关重要的不止SLA。终端用户和客户对于延迟以及糟糕的IOPS性能的容忍度越来越低。参照Equation Research:1• 78%的网站访问者因为高峰期间该网站糟糕的性能表现 而去了竞争对手的网站。• 88%的网站访问者在得到糟糕的用户体验之后不太可能再 返回该网站。• 47%的网站访问者离开该网站时会对该公司有不积极的 看法.性能表现较差的网站可能会受到可量化的收入影响。例如Amazon已经发现，仅仅0.1秒的延迟就会削减1%的销售收入.1而那些解决了延迟挑战的公司已经获得回报。例如，根据Shopzilla的报告，网站性能改善5秒钟，页面浏览量增加25%，收入提高12%；大型金融机构利用0.5秒的速度优势可以执行每秒数百万的订单并获得创纪录的利润.1能够为“热”数据提供快速响应、同时为“冷”数据提供大存储容量的技术，能够带来服务器部数据数量减少的直接效果。换句话说，服务器I/O能力方面的任何提升，都将增加每台服务器的用户数量，降低每个用户的成本。能够提升性能、同时增加服务器可用容量的技术，会更加显著地改善每个用户的成本和每台服务器用户数等参数。AdaptecmaxCache3.0固态盘缓存满足了I/O密集型数据中心和云计算环境的需求，将行业标准服务器转变成具有成本效益、高性能、横向扩展的应用存储设备，优化关键用途、性能和财务指标 关于AdaptecmaxCache固态缓存解决方案AdaptecmaxCache结合了用作缓存的固态盘以及AdaptecmaxCache固态盘软件，大幅度加速I/O性能并降低成本，而且不影响现有的操作。它几乎消除了CPU、内存和存储之间可能出现的瓶颈。与硬盘（HDD）相比，固态盘具有诸多优势，包括更高的读取带宽、更高的IOPS，更好的机械可靠性（因为没有活动部件）、更高的耐冲击性和抗震性。不过相比HDD，提供了这些优点特性同时也遇到一些固有的局限性，例如容量有限、流写入带宽较低。一个固态盘的寿命也直接受写运作的次数而定。为了发挥固态盘的优势，同时抑制其局限性，maxCache固态盘缓存提供了针对读操作和写操作的性能优点。正在申请专利的“Learned-Path”算法可以识别访问频繁的数据，通过将这些数据直接拷贝到一个经过优化的固态盘缓存池中优化读写，以便日后在收到请求后更快速的找回。在固态盘缓存中只保存“热”数据，优化固态盘性能与容量之间的平衡。maxCache3.0固态盘缓存利用这种独特的、存在数据路径中的方式创建一个“热”数据“缓存池”，相比只采用HDD部署，maxCache3.0能带来性能明显的提升。(图1)。 图1.AdaptecmaxCache3.0部署 maxCache3.0的“Learned-Path”算法优势在于能够提高读缓存功能，支持非冗余缓存池（RAID0）场景。在这种情况下，即使固态盘出现故障,也不会影响数据的可用性。因为冗余RAID中配备有硬盘，所有的数据可安全地存储在硬盘RAID中。AdaptecmaxCache3.0还可以缓存写数据，通过缓存写入一个冗余固态盘缓存池，（RAID1E或RAID5），maxCache3.0将固态盘缓存性能和延迟方面的优势带入读/写混合的工作负载中。用途扩大后的固态盘缓存使maxCache3.0成为大规模数据中心部署的理想选择，提供更显著成本节约的同时简化了硬件设计和实施。maxCache3.0所具有的新特性还包括磁盘优化利用（OptimizedDiskUtilization-ODU）。随着固态盘存储空间大小持续扩大，将固态盘整个空间作为缓存池的方案，就不吸引了。这时采用ODU，可以允许固态盘被分割为一个缓存池和逻辑设备（图2）。区别于缓存池，逻辑分区可直接开放给操作系统，作为OS启动驱动器，或存储其他需要快速，低延迟访问的数据。图2.AdaptecmaxCache3.0磁盘优化利用(ODU) 操作务冷读取抄写冷写入操作热数据I/O应操作SSD缓存池热写入热读取1.“WhenmoreWebsitevisitorshurtyourbusiness:Areyoureadyforpeaktraffic?,”EquationResearch2010SSD2SSD1SSD3RAID5用于数据存储用于冗余回写缓存的缓存池MAXCACHE3.0白皮书AdaptecmaxCache3.03AdaptecmaxCache3.0与标准固态盘和PCIe闪存卡基于闪存的存储设备的价格越来越实惠，并且被广泛用于计算环境中，但是不能将其与maxCache3.0解决方案混为一谈。为了在使用标准固态盘或者PCIe闪存卡时获得最高性能，应用必须通过调优在高性能固态盘或者闪存中保存那些要求更高IOPS的数据。这就需要管理员熟悉某个特定应用，并且了解将要求更高IOPS的数据保存在固态盘上。通过自动透明的分析，以及路由读/写数据，AdaptecmaxCache废除特定应用的手动调整方式。此外，maxCache3.0的灵活性是PCIe闪存卡不具备的。采用maxCache3.0，终端用户通过安装固态盘，可以把其性能特性和耐写性与应用最好的结合起来。即使，maxCache固态盘失效，它也很容易地被替换。相反，PCIe为基础的场景，一旦部分闪存失效，整个闪卡就必须被替换。为AdaptecmaxCache3.0推荐的固态盘针对写海量数据到固态盘的情况，maxCache3.0需要采用企业级固态盘。相比个人型固态盘，如超极本，笔记本和台式电脑所使用的固态盘，企业级固态盘可以提供超高的写入耐用性（闪存模块在不稳定前，总的写操作次数），支持繁重的写操作（数据中心假设每天用24小时，对比员工所用的个人电脑每天只需8小时），以及忍受极端环境条件的功能。对于只有读缓存的场景，因为写的次数是有限的，虽然还是推荐使用企业级固态盘,但也可使用低成本的固态盘，例如较少的过渡配置的，和较低擦写次数的固态盘。测试方法我们使用IOmeter来测量采用Adaptec7Q系列存储控制卡和硬盘对比采启动了maxCache3.0固态盘缓存解决方案加固态盘的性能。我们运行两组测试，首先第一组测试，是在100%只读工作负载下,在RAID0和RAID5配置中运行。第二组测试，是在混合读/写工作负载的场景下,在RAID5配置中运行。虽然写缓存可以在RAID0配置中运用，但我们强烈推荐只在冗余的RAID配置中使用。读缓存性能—RAID0读取密集型应用——例如网络服务器、文件服务器、电子商务应用——从根本上受益于maxCache3.0，显著提高IOPS性能增益。在RAID0中，maxCache比只支持硬盘阵列的方案，提高读缓存的IOPS高达44倍• 100%随机读的IOmeter工作负载下,RAID0性能对比(图3)。只采用HDD的配置:10个7200转转SAS硬盘,每个容量500GB,做RAID0• 只采用HDD的配置:10个7200转SAS硬盘,每个容量500GB,做RAID0• AdaptecmaxCache3.0配置:10个7200转SAS硬盘,每个容量500GB,6个6Gb/sSATA固态盘，每个50GB，做RAID0 图3.maxCache3.0提高读缓存的IOPS高达44倍写缓存性能—RAID5在RAID5中，比较只采用硬盘阵列的解决方案,maxCache方案提高读缓存的IOPS高达31倍(图4)。• 100%随机读IOmeter工作负载下RAID5性能对比• 只采用只支持硬盘配置：10个7200转6Gb/sSAS硬盘，每个容量500GB，做RAID5• AdaptecmaxCache3.0配置：10个7200转6Gb/sSAS硬盘，每个容量500GB，6个6Gb/sSATA固态盘，每个50GB，做RAID5图4.maxCache3.0提高读缓