基于非易失性存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)引擎性能優(yōu)化

王海濤 李戰(zhàn)懷 張 曉* 趙曉南

1(西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 西安 710129)

2(西北工業(yè)大學(xué)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710129)

3(空天地海一體化大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 西安 710072)

1 引 言

目前，大數(shù)據(jù)及其分析成為了科學(xué)研究和商業(yè)運(yùn)行的核心[1-5]。然而，在過去十年，互聯(lián)網(wǎng)平均每秒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量超過 30 TB，且增長(zhǎng)速度持續(xù)加快[6-7]，這對(duì)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)造成了巨大的壓力。為了應(yīng)對(duì)該挑戰(zhàn)，分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)平均分布在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，利用并行的數(shù)據(jù)訪問，擴(kuò)展存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量及性能，但數(shù)據(jù)訪問量的持續(xù)增加仍導(dǎo)致存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能壓力越來越大。為了進(jìn)一步提升分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能，需要減小節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸開銷，提高節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)性能。隨著高速網(wǎng)絡(luò)在存儲(chǔ)集群中的應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸開銷可大幅降低，因此，提高節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)性能成為關(guān)鍵。

分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)一般基于通用文件系統(tǒng)(如Ext4)構(gòu)建存儲(chǔ)引擎，負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理，其優(yōu)勢(shì)是能夠節(jié)約開發(fā)成本，保持較強(qiáng)的通用性。為了保證數(shù)據(jù)一致性，存儲(chǔ)引擎在進(jìn)行寫入操作時(shí)，需要先將數(shù)據(jù)寫入預(yù)寫日志(Write Ahead Log，WAL)文件，并將其持久化到存儲(chǔ)設(shè)備層，然后再將數(shù)據(jù)更新到目標(biāo)文件中。而本地文件系統(tǒng)也會(huì)利用自身的日志機(jī)制保證數(shù)據(jù)一致性，因此造成了雙重日志(Journaling of Journal)[8]的問題，引起了數(shù)據(jù)寫放大，進(jìn)而降低了系統(tǒng)的寫性能。

高性能非易失性存儲(chǔ)器(No n-Volatile Memory，NVM)的出現(xiàn)為存儲(chǔ)引擎的性能優(yōu)化提供了新的機(jī)會(huì)。NVM 也被稱為存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存(Storage Class Memory，SCM)或持久性內(nèi)存(Persistent Memory，PM)，其具有類似動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)的字節(jié)尋址能力與類似閃存的數(shù)據(jù)持久性，有望彌合計(jì)算機(jī)內(nèi)外存之間的性能鴻溝[9-11]。近年來，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界對(duì)多種 NVM 進(jìn)行研究，包括相變存儲(chǔ)器(Phase Change Memory，PCM)、磁性隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)、自旋傳遞扭矩MRAM(Spin Transfer Torque MRAM，STTMRAM)和電阻隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(Resistive Random Access Memory，ReRAM)等[12]。由于NVM 具有極大地提升存儲(chǔ)系統(tǒng)性能的潛力，因此目前有大量工作研究如何在現(xiàn)有系統(tǒng)中利用NVM 進(jìn)行性能優(yōu)化，如結(jié)合 NVM 特性優(yōu)化傳統(tǒng)索引結(jié)構(gòu)[13]，提升物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的存儲(chǔ)性能[14]；作為分布式文件系統(tǒng)的緩存擴(kuò)展[15]，以及配合 DRAM 和固態(tài)硬盤(Solid State Disk，SSD)構(gòu)建混合存儲(chǔ)架構(gòu)，優(yōu)化系統(tǒng)整體性能[16-18]。

在不改變現(xiàn)有系統(tǒng)的前提下，可將存儲(chǔ)引擎底層的存儲(chǔ)設(shè)備替換為 NVM，從而提高系統(tǒng)的讀寫性能。但是，對(duì)于分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)而言，上層應(yīng)用的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過元數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分發(fā)以及存儲(chǔ)引擎的處理才能持久化到底層存儲(chǔ)設(shè)備，這些軟件層次構(gòu)成了系統(tǒng)整體的 I/O 軟件棧。然而，當(dāng)上層數(shù)據(jù)到達(dá)存儲(chǔ)引擎后，需要先在存儲(chǔ)引擎的緩存中進(jìn)行處理，然后通過文件系統(tǒng)以及塊設(shè)備接口層等軟件棧逐層傳輸和處理，最后才能到達(dá)存儲(chǔ)設(shè)備。數(shù)據(jù)在上述 I/O 路徑上的傳輸和處理會(huì)增加延遲，本文稱其為 I/O 軟件棧開銷。在傳統(tǒng)存儲(chǔ)引擎中，除 I/O 軟件棧開銷外，I/O 路徑中的數(shù)據(jù)寫放大也會(huì)限制 NVM 設(shè)備的性能發(fā)揮，因此，簡(jiǎn)單地替換底層存儲(chǔ)設(shè)備并不能有效提高系統(tǒng)存儲(chǔ)性能。如被業(yè)界廣泛使用的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng) Ceph，其存儲(chǔ)引擎的 I/O 軟件棧較長(zhǎng)，且寫入流程會(huì)造成較為嚴(yán)重的數(shù)據(jù)寫放大[19-20]，這會(huì)進(jìn)一步增加寫操作延遲，限制存儲(chǔ)性能的擴(kuò)展。

針對(duì)上述問題，本文以 Ceph 為平臺(tái)，對(duì)存儲(chǔ)引擎的主要性能問題進(jìn)行分析，并提出了一種基于 NVM 的新型存儲(chǔ)引擎 NVMStore。NVMStore 的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是利用 NVM 的字節(jié)可尋址與數(shù)據(jù)持久性，通過內(nèi)存直接訪問的方式讀寫 NVM 設(shè)備，并對(duì)數(shù)據(jù)讀寫流程進(jìn)行改進(jìn)，避免了數(shù)據(jù)在緩存中的拷貝以及小塊數(shù)據(jù)更新造成的“讀-改-寫”操作，減小了 I/O 軟件棧開銷，從而提升了存儲(chǔ)性能。

2 Ceph 存儲(chǔ)引擎分析

目前，Ceph 官方提供了 FileStore 和BlueStore 兩種成熟的存儲(chǔ)引擎，以及正在開發(fā)的一種新存儲(chǔ)引擎 SeaStore，該引擎主要面向高速的 SSD 設(shè)備以及高速網(wǎng)絡(luò)，尚未正式發(fā)布?，F(xiàn)有關(guān)于 Ceph 的研究工作主要是在特定場(chǎng)景下的集群配置參數(shù)優(yōu)化，使用 SSD 等快速存儲(chǔ)設(shè)備來提高集群性能[21]，優(yōu)化集群的分布式鎖管理機(jī)制[22]以及故障恢復(fù)流程[23]，或基于開放通道 SSD 的特性設(shè)計(jì)新型存儲(chǔ)引擎以提升存儲(chǔ)性能[24]，但是尚未出現(xiàn)基于 NVM 的 Ceph 存儲(chǔ)引擎。對(duì)于 Ceph 存儲(chǔ)引擎的性能問題，相關(guān)文獻(xiàn)已進(jìn)行較為充分的研究[19,24]，本節(jié)在此基礎(chǔ)上作簡(jiǎn)要分析。

對(duì)于 Ceph 的 FileStore，每次數(shù)據(jù)寫操作會(huì)轉(zhuǎn)換為一次寫日志和一次寫對(duì)象，因此，實(shí)際向磁盤寫入的數(shù)據(jù)量至少為用戶寫入數(shù)據(jù)的兩倍。加之對(duì)象數(shù)據(jù)更新引起的底層文件系統(tǒng)更新，會(huì)使實(shí)際的寫放大更嚴(yán)重，從而造成大幅度的性能退化。此外，F(xiàn)ileStore 的日志機(jī)制基于本地文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，然而，本地文件系統(tǒng)也具有日志機(jī)制，這兩層日志功能存在一定程度的重合，加劇了數(shù)據(jù)寫放大。在這種情況下，F(xiàn)ileStore的數(shù)據(jù)寫放大(即實(shí)際寫入底層存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)量與用戶寫入操作原始數(shù)據(jù)量之間的比值)可達(dá) 14.56，導(dǎo)致了嚴(yán)重的性能退化[19]。BlueStore可有效減小數(shù)據(jù)寫放大，在很大程度上解決FileStore 的雙重日志問題，因而成為 Ceph 的默認(rèn)存儲(chǔ)引擎，70% 的用戶選擇在生產(chǎn)環(huán)境中使用BlueStore[20]。

如圖 1 所示，在用戶態(tài)下，BlueStore 使用Linux 異步 I/O 機(jī)制直接操作塊設(shè)備，避免了通用文件系統(tǒng)的復(fù)雜軟件棧帶來的延遲，利用鍵值存儲(chǔ)系統(tǒng) RocksDB 管理元數(shù)據(jù)和小塊數(shù)據(jù)，并使用一個(gè)簡(jiǎn)化的用戶態(tài)文件系統(tǒng) BlueFS 管理RocksDB 的數(shù)據(jù)。BlueFS 使用 Linux 直接 I/O 接口管理塊設(shè)備，只支持 RocksDB 需要的讀寫接口，去除了通用文件系統(tǒng)中的復(fù)雜功能和屬性，進(jìn)一步減少了文件系統(tǒng)帶來的性能開銷。

圖1 BlueStore 架構(gòu)以及寫入流程Fig. 1 The architecture and write process of BlueStore

BlueStore 針對(duì)不同存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)置了不同的空間分配單元(即 bluestore_min_alloc_size 配置項(xiàng))，對(duì)于旋轉(zhuǎn)型存儲(chǔ)設(shè)備(如 HDD)默認(rèn)使用64 KB 的分配單元，以發(fā)揮其順序訪問性能優(yōu)勢(shì)。對(duì)于非旋轉(zhuǎn)型存儲(chǔ)設(shè)備(如 SDD)，則默認(rèn)使用 4 KB 的分配單元，主要原因是此類設(shè)備的隨機(jī)訪問性能與順序訪問性能的差距較小，設(shè)置4 KB 的分配單元即可降低小塊數(shù)據(jù)更新時(shí)的“讀-改-寫”操作負(fù)載，進(jìn)而提升存儲(chǔ)性能。設(shè)備上的讀寫操作通過分配單元進(jìn)行切分，從而確定需要操作的數(shù)據(jù)區(qū)域。當(dāng) BlueStore 接收到用戶的寫操作請(qǐng)求時(shí)，首先根據(jù)目標(biāo)對(duì)象的元數(shù)據(jù)定位目標(biāo)區(qū)域，然后再針對(duì)各個(gè)區(qū)域進(jìn)行寫入操作。在 BlueStore 中，寫操作整體上可分為兩種：

(1)新寫：當(dāng)寫入數(shù)據(jù)的目標(biāo)位置是新分配的空間時(shí)，直接在新空間中寫入數(shù)據(jù)(步驟②～③)，然后通過 RocksDB 更新相應(yīng)的元數(shù)據(jù)(步驟④)，寫操作完成。由于寫操作不覆蓋已有數(shù)據(jù)，因此，即使在寫入過程中發(fā)生崩潰，也不會(huì)破壞數(shù)據(jù)一致性。

(2)覆蓋寫：若寫入的數(shù)據(jù)量大于分配單元，則首先將其分割，將達(dá)到分配單元的部分按照新寫方式處理，未達(dá)到分配單元的部分則寫入RocksDB 中(步驟④)，完成用戶寫操作。最后，RocksDB 通過異步 I/O 的方式把數(shù)據(jù)寫入到目標(biāo)位置，并更新相應(yīng)的元數(shù)據(jù)(步驟⑥～⑦)，由RocksDB 的事務(wù)機(jī)制保證數(shù)據(jù)一致性。

由上述寫流程可知，BlueStore 基本解決了由 FileStore 日志造成的數(shù)據(jù)寫放大問題。首先，BlueStore 繞開了通用文件系統(tǒng)，直接管理塊設(shè)備，因此，不受通用文件系統(tǒng)日志的影響。其次，新寫操作不需使用日志，只需一次數(shù)據(jù)落盤，一次元數(shù)據(jù)通過 RocksDB 事務(wù)提交落盤。最后，小塊的覆蓋寫操作可通過 RocksDB 合并到日志中進(jìn)行提交，日志提交完成即可通知用戶寫完成，再將數(shù)據(jù)寫入到目標(biāo)位置。經(jīng)上述優(yōu)化后，BlueStore 減小了 FileStore 的數(shù)據(jù)寫放大，提高了存儲(chǔ)引擎層的性能。

但是，當(dāng) BlueStore 使用 RocksDB 處理小塊數(shù)據(jù)(包括元數(shù)據(jù))時(shí)，RocksDB 的日志機(jī)制造成了較為嚴(yán)重的寫放大，如進(jìn)行 4 KB 的隨機(jī)寫時(shí)，寫放大最高可達(dá) 50 倍[19]。此外，BlueStore與 FileStore 都是通過 Linux 系統(tǒng)的通用塊接口來訪問存儲(chǔ)設(shè)備，導(dǎo)致了較長(zhǎng)的 I/O 軟件棧。特別是對(duì)于字節(jié)可尋址設(shè)備(如 NVM)而言，冗長(zhǎng)的I/O 軟件棧可能會(huì)成為其性能瓶頸[25]。據(jù)英特爾在 2018 年閃存峰會(huì)上公布的測(cè)試數(shù)據(jù)，當(dāng)使用NVM 作為存儲(chǔ)設(shè)備時(shí)，軟件棧造成的延遲可達(dá)總延遲的 90%。因此，需進(jìn)一步研究如何優(yōu)化存儲(chǔ)引擎的架構(gòu)以及 I/O 軟件棧，配合底層存儲(chǔ)設(shè)備的特性來提升讀寫性能。

3 新型存儲(chǔ)引擎設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本節(jié)提出了一種基于 NVM 的新型存儲(chǔ)引擎NVMStore——通過內(nèi)存映射而非傳統(tǒng)塊接口的方式訪問 NVM 設(shè)備，并根據(jù) NVM 的特性優(yōu)化數(shù)據(jù)讀寫流程，從而減小數(shù)據(jù)讀寫放大以及 I/O軟件棧開銷，進(jìn)一步提高讀寫性能。

3.1 NVMStore 架構(gòu)

圖 2 為 NVMStore 的架構(gòu)以及存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。與使用通用塊接口的 BlueStore 相比，NVMStore具有更短的 I/O 路徑，并且通過內(nèi)存直接訪問(Direct Access，DAX)的方式可繞過系統(tǒng)緩存直接讀寫 NVM 設(shè)備，利用緩存刷新指令(如clflush)將 CPU 緩存行中的數(shù)據(jù)直接持久化到NVM 中，避免數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的重復(fù)拷貝，從而減小軟件棧的開銷。DAX 的核心思想是繞過操作系統(tǒng)的頁緩存直接訪問設(shè)備，支持 DAX的文件系統(tǒng)(如 Ext4)只提供內(nèi)存映射接口，具體的數(shù)據(jù)則由 DAX 接口之上的用戶程序來管理。用戶程序通過定制化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和讀寫流程來管理 NVM 的空間和數(shù)據(jù)，不會(huì)由于繞過傳統(tǒng)文件系統(tǒng)而影響其功能，而且避免了傳統(tǒng)文件系統(tǒng)引入的性能開銷，可獲得一定的性能提升。

圖2 NVMStore 架構(gòu)以及存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)Fig. 2 The architecture and storage structure of NVMStore

將 NVM 作為底層存儲(chǔ)設(shè)備的主要挑戰(zhàn)是原子粒度的不匹配，即 CPU 和 NVM 之間的數(shù)據(jù)傳輸粒度是 CPU 緩存行(通常為 64 字節(jié))，而NVM 設(shè)備的讀寫單元是內(nèi)存數(shù)據(jù)位寬(通常為8 字節(jié))。在 NVM 上，大于 8 字節(jié)的數(shù)據(jù)寫入會(huì)被分割為多個(gè)寫入單元，因此，若在數(shù)據(jù)覆蓋寫的過程中系統(tǒng)崩潰，則可能造成只有部分新數(shù)據(jù)寫入成功，從而破壞數(shù)據(jù)一致性。針對(duì)該問題，NVMStore 構(gòu)建了一個(gè)事務(wù)管理模塊，通過事務(wù)的形式進(jìn)行覆蓋寫操作，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生崩潰重啟時(shí)，通過重放日志中的有效事務(wù)記錄來恢復(fù)數(shù)據(jù)一致性(詳見第 3.3 節(jié))。

如圖 2 所示，NVMStore 將其管理的 NVM存儲(chǔ)空間分為超級(jí)塊(4 KB)、元數(shù)據(jù)塊(4 MB)、數(shù)據(jù)區(qū)以及日志塊(4 MB)。其中，超級(jí)塊位于空間起始位置，用于存放系統(tǒng)標(biāo)簽、元數(shù)據(jù)塊地址以及日志塊地址等系統(tǒng)元數(shù)據(jù)。超級(jí)塊之后是第一個(gè)元數(shù)據(jù)塊，用于記錄系統(tǒng)中各個(gè)對(duì)象的ID 以及對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)域(即數(shù)據(jù)在對(duì)象中的邏輯偏移、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度以及對(duì)應(yīng)到存儲(chǔ)設(shè)備上的物理偏移等)。元數(shù)據(jù)塊以 4 MB 為單位進(jìn)行分配，當(dāng)一個(gè)元數(shù)據(jù)塊寫滿時(shí)，可在數(shù)據(jù)區(qū)中申請(qǐng)新塊，并在超級(jí)塊中進(jìn)行相應(yīng)的記錄。由于元數(shù)據(jù)塊的大小是固定的，因此當(dāng)新增一個(gè)元數(shù)據(jù)塊時(shí)，只需在超級(jí)塊的元數(shù)據(jù)列表中新增一個(gè) 8 字節(jié)指針，指針指向新增元數(shù)據(jù)塊的起始地址，該架構(gòu)利用NVM 的 8 字節(jié)原子性保證了新增元數(shù)據(jù)塊操作的原子性。日志塊以 4 MB 為單位進(jìn)行分配，用于支持事務(wù)管理模塊。簡(jiǎn)而言之，事務(wù)數(shù)據(jù)先在寫入日志塊中追加進(jìn)行持久化存儲(chǔ)，然后再將更新的數(shù)據(jù)寫入目標(biāo)空間中，從而保證系統(tǒng)的崩潰一致性。當(dāng)需要新增日志塊時(shí)，先從數(shù)據(jù)區(qū)分配一塊空間，然后在超級(jí)塊的日志列表中新增一條記錄，方法與元數(shù)據(jù)塊相同。不同的是，當(dāng)日志中的事務(wù)成功提交到系統(tǒng)，將其數(shù)據(jù)持久化到設(shè)備后，相應(yīng)的日志即可標(biāo)記為廢棄(廢棄標(biāo)記為 8 字節(jié)，保證原子性)，日志占用的空間即可回收。

NVMStore 不改變現(xiàn)有的存儲(chǔ)服務(wù)接口，其底層的存儲(chǔ)流程對(duì)用戶是透明的，不會(huì)影響上層用戶的使用，因此，不需修改用戶程序便可使用新的存儲(chǔ)引擎來提高存儲(chǔ)性能。NVMStore 是基于 Ceph 大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)引擎，因此只支持 Ceph 存儲(chǔ)后端需要的功能，不提供服務(wù)給通用的文件系統(tǒng)。在實(shí)現(xiàn) Ceph 后端存儲(chǔ)功能的前提下，NVMStore 的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)。

3.2 數(shù)據(jù)寫入流程

NVMStore 讀取流程與寫入流程類似，但若目標(biāo)數(shù)據(jù)在 CPU 緩存中命中，則無須訪問 NVM設(shè)備。NVMStore 與 BlueStore 的寫操作流程類似，主要區(qū)別在于 NVMStore 通過內(nèi)存接口訪問 NVM 設(shè)備，且利用 NVM 的字節(jié)可尋址特性對(duì)數(shù)據(jù)寫入流程進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)用戶寫操作到達(dá)NVMStore 時(shí)，NVMStore 首先根據(jù)對(duì)象元數(shù)據(jù)找到與寫入數(shù)據(jù)塊對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)域，然后按照存儲(chǔ)空間分配單元(默認(rèn)等于內(nèi)存頁面大小，即 4 KB)切分寫操作，再根據(jù)寫操作的類型執(zhí)行不同的寫入流程，總體上也可分為新寫和覆蓋寫兩大類型，具體分析如下：

(1)新寫

對(duì)于新寫的數(shù)據(jù)塊，直接在設(shè)備上分配新存儲(chǔ)單元并寫入數(shù)據(jù)，然后利用緩存刷新指令將數(shù)據(jù)持久化到 NVM 設(shè)備，最后通過事務(wù)管理模塊更新相應(yīng)的元數(shù)據(jù)，完成寫操作。

BlueStore 使用傳統(tǒng)的塊接口寫入數(shù)據(jù)，為了與設(shè)備上的塊單元對(duì)齊，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ) 0 操作，從而造成一定的數(shù)據(jù)寫放大。而 NVMStore利用 NVM 的字節(jié)可尋址特性，無須額外的數(shù)據(jù)補(bǔ) 0 操作，可直接將小塊數(shù)據(jù)寫入新空間。因此，NVMStore 的寫入流程更簡(jiǎn)單，且減小了數(shù)據(jù)寫放大。

BlueStore 通過 RocksDB 寫入元數(shù)據(jù)，而RocksDB 具有較長(zhǎng)的 I/O 軟件棧，其數(shù)據(jù)壓縮流程會(huì)造成嚴(yán)重的寫放大。NVMStore 則使用一個(gè)簡(jiǎn)單的事務(wù)管理模塊更新元數(shù)據(jù)，通過內(nèi)存接口將數(shù)據(jù)持久化到 NVM 設(shè)備，避免了 RocksDB 的多層數(shù)據(jù)壓縮，從而減小了數(shù)據(jù)寫放大，并縮短了 I/O 軟件棧。

(2)覆蓋寫

如圖 3 所示，NVMStore 在寫入對(duì)象 A 時(shí)，首先將寫操作按照分配單元進(jìn)行切分，對(duì)達(dá)到分配單元的整塊覆蓋寫，將其直接寫入新分配的空間(步驟①)。對(duì)不足分配單元的新寫(稱為部分新寫)，則直接分配一個(gè)新的單元并寫入(步驟②)。對(duì)不足一塊的覆蓋寫(稱為部分覆蓋寫)，則先將數(shù)據(jù)寫入日志塊，并持久化到 NVM 設(shè)備(步驟③)，然后將數(shù)據(jù)更新到目標(biāo)區(qū)域(步驟④)，最后以事務(wù)的方式更新對(duì)象 A 的元數(shù)據(jù)，完成寫操作(步驟⑤)。

圖3 覆蓋寫操作示例Fig. 3 Overwrite example

與 BlueStore 的寫入流程相比，NVMStore 的寫入流程更為簡(jiǎn)單。且由于 NVM 具有字節(jié)可尋址特性，NVMStore 將數(shù)據(jù)更新到目標(biāo)區(qū)域時(shí)，不必對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行“讀-改-寫”操作，就可直接將數(shù)據(jù)寫入指定位置(如步驟②和④)，因此，能減小數(shù)據(jù)讀寫放大，特別是小塊數(shù)據(jù)操作。由于 CPU 訪問 NVM 的粒度為緩存行，所以在讀取小塊數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)直接讀取數(shù)據(jù)所在的整個(gè)緩存行空間，造成一定程度的數(shù)據(jù)讀放大。但與傳統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備上的預(yù)讀操作一樣，這種數(shù)據(jù)預(yù)讀操作可利用數(shù)據(jù)訪問的空間局部性，提高緩存命中率，減小訪問存儲(chǔ)設(shè)備的頻率，通常能夠有效提升用戶的數(shù)據(jù)讀取性能。為了更好地發(fā)揮緩存性能，NVMStore 為對(duì)象分配新空間時(shí)，會(huì)優(yōu)先選擇其現(xiàn)有空間附近的空閑空間，從而提高對(duì)象數(shù)據(jù)訪問的空間局部性。

綜上所述，與 BlueStore 相比，NVMStore 減小的性能開銷主要包含兩部分：一是通過 DAX的方式訪問設(shè)備，數(shù)據(jù)直接從 CPU 寫入 NVM，避免了緩存中的拷貝開銷；二是 NVMStore 通過內(nèi)存接口讀寫數(shù)據(jù)，當(dāng)寫入小塊數(shù)據(jù)時(shí)，避免了由塊接口的“讀-改-寫”操作導(dǎo)致的開銷。

3.3 崩潰一致性保證

NVMStore 通過事務(wù)管理模塊保證系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的崩潰一致性。對(duì)于整塊覆蓋寫或新寫(包括部分新寫)操作，NVMStore 直接分配新的空間寫入數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)持久化成功后，再通過事務(wù)管理模塊更新元數(shù)據(jù)。在此過程中，如果系統(tǒng)崩潰導(dǎo)致數(shù)據(jù)持久化失敗，那么由于原有的數(shù)據(jù)并沒有受到破壞，不影響數(shù)據(jù)一致性。如果數(shù)據(jù)持久化成功，但元數(shù)據(jù)更新失敗，那么元數(shù)據(jù)依然指向原有的數(shù)據(jù)塊(由事務(wù)管理模塊保證)，也不會(huì)破壞數(shù)據(jù)一致性。

對(duì)于元數(shù)據(jù)的更新以及部分覆蓋寫操作，事務(wù)管理模塊利用日志機(jī)制保證其數(shù)據(jù)的一致性。圖 4 為事務(wù)管理模塊的寫入流程，如果寫操作的數(shù)據(jù)不大于 8 字節(jié)(如設(shè)置日志塊廢棄標(biāo)記)，那么可直接將其寫入目標(biāo)區(qū)域(步驟①)，然后將目標(biāo)數(shù)據(jù)持久化到 NVM 設(shè)備(步驟⑧)，利用NVM 設(shè)備本身的 8 字節(jié)原子性保證寫入操作的原子性，只需一次持久化操作。如果寫操作的數(shù)據(jù)量大于 8 字節(jié)，那么 NVM 本身的硬件特性將無法保證寫操作的原子性，因此需要通過日志機(jī)制來支持?jǐn)?shù)據(jù)一致性，需進(jìn)行兩次持久化操作。

圖4 事務(wù)管理模塊寫入流程Fig. 4 The write process of transaction management module

當(dāng)寫操作的數(shù)據(jù)量大于 8 字節(jié)時(shí)，事務(wù)管理模塊首先將寫操作編碼為特定格式的事務(wù)記錄(步驟②，編碼數(shù)據(jù)包括寫操作的目標(biāo)地址、數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)以及校驗(yàn)碼等)，然后判斷目前的日志塊是否有足夠的空閑空間寫入當(dāng)前事務(wù)記錄(步驟③)。若當(dāng)前日志塊中有足夠的空閑空間，則直接寫入事務(wù)記錄并將其持久化(步驟⑤～⑥)；否則分配一個(gè)新的日志塊(步驟④)，將事務(wù)記錄追加到日志塊中(步驟⑤)，然后將其持久化(步驟⑥)。在此之后，更新目標(biāo)數(shù)據(jù)并持久化(步驟⑦～⑧)，完成寫入操作。其中，步驟⑥和⑧分別用于持久化目標(biāo)數(shù)據(jù)和日志數(shù)據(jù)，二者利用 NVM 的內(nèi)存操作接口，通過緩存刷新指令(如 clflush)，從 CPU 緩存中將數(shù)據(jù)直接寫入設(shè)備中。

在此過程中，若在寫入日志完成前系統(tǒng)崩潰，則認(rèn)為本次操作失敗，由于原有的數(shù)據(jù)尚未更新，因此不破壞數(shù)據(jù)一致性。若寫入日志成功，但是在更新目標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)系統(tǒng)崩潰，則在重啟時(shí)掃描最后更新的日志塊，重放其中的有效事務(wù)記錄，從而恢復(fù)數(shù)據(jù)一致性。綜上所述，NVMStore 通過事務(wù)管理模塊保證了系統(tǒng)的崩潰一致性。

4 實(shí)驗(yàn)評(píng)估與分析

本文結(jié)合英特爾開源的 N V M 開發(fā)庫PMDK①(Persistent Memory Development Kit)，以及 Ceph 的對(duì)象存儲(chǔ)(Object Store)抽象接口實(shí)現(xiàn) NVMStore。具體實(shí)現(xiàn)過程中，Ceph 源碼是 14.2.8 版，PMDK 是 1.10 版，NVM 設(shè)備是Intel Optane DC Persistent Memory Module(簡(jiǎn)稱“Optane”)。

Optane 為上層應(yīng)用提供兩種訪問模式——內(nèi)存模式(Memory Mode)和應(yīng)用直接訪問模式(App Direct Mode)。在內(nèi)存模式下，CPU 和操作系統(tǒng)忽略 Optane 的數(shù)據(jù)持久性，而將其視為 DRAM空間的擴(kuò)展，從而提高系統(tǒng)的內(nèi)存容量。在應(yīng)用直接訪問模式下，CPU 和操作系統(tǒng)將 Optane 視為獨(dú)立的存儲(chǔ)設(shè)備，用戶可跳過 DRAM 緩存，通過內(nèi)存接口直接訪問，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)持久性存儲(chǔ)的同時(shí)，避免了數(shù)據(jù)在 DRAM 中的拷貝開銷。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)持久性存儲(chǔ)和減小 I/O 軟件棧的開銷，NVMStore 采用了直接訪問模式來讀寫Optane。

由于目前成熟的 Ceph 的后端存儲(chǔ)引擎只有FileStore 和 BlueStore，尚未發(fā)布基于 NVM 的存儲(chǔ)引擎，因此，本實(shí)驗(yàn)對(duì)使用 NVM 作為存儲(chǔ)設(shè)備的 FileStore、BlueStore 和 NVMStore 的讀寫性能進(jìn)行了對(duì)比。

4.1 實(shí)驗(yàn)配置與評(píng)估方法

理論上，NVM 具有遠(yuǎn)超 HDD 的讀寫速度，特別是在小塊數(shù)據(jù)的隨機(jī)讀寫方面，因此利用 NVM 替換存儲(chǔ)系統(tǒng)中的 HDD，能夠提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能。為了驗(yàn)證該理論，本實(shí)驗(yàn)對(duì)HDD 與 NVM 設(shè)備的讀寫性能進(jìn)行比較，得出二者的性能基準(zhǔn)。并將 NVM 替換 HDD 設(shè)備后，對(duì) FileStore 和 BlueStore 的性能提升效果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本文優(yōu)化方法的有效性。

實(shí)驗(yàn)中使用 4 臺(tái)配置相同的 Linux 服務(wù)器搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其中，3 臺(tái)搭建 Ceph 集群，每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置 1 個(gè) HDD 設(shè)備和 1 個(gè) NVM 設(shè)備。另外 1 臺(tái)作為性能測(cè)試的客戶端，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間使用萬兆以太網(wǎng)連接，具體實(shí)驗(yàn)配置如表 1 所示。測(cè)試工具是業(yè)界廣泛使用的 Fio，可直接對(duì)塊設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，獲得塊設(shè)備的吞吐量、IOPS以及讀寫延遲等性能指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)對(duì)順序讀、順序?qū)?、隨機(jī)讀和隨機(jī)寫這 4 種基準(zhǔn)負(fù)載模式進(jìn)行測(cè)試。每次讀寫的 I/O 塊大小分別設(shè)置為 1 KB、4 KB、16 KB、64 KB、256 KB、1 MB 和 4 MB。當(dāng)讀寫測(cè)試時(shí)間達(dá)到 10 min 或數(shù)據(jù)量達(dá)到 100 GB時(shí)，測(cè)試停止，測(cè)試 5 次取性能平均值，然后進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 實(shí)驗(yàn)配置Table 1 Experimental configurations

如第 2 節(jié)所述，BlueStore 對(duì)非旋轉(zhuǎn)型的存儲(chǔ)設(shè)備默認(rèn)使用 4 KB 的分配單元，以提升存儲(chǔ)性能，NVM 設(shè)備也屬于非旋轉(zhuǎn)型的存儲(chǔ)設(shè)備，因此，為更合理地對(duì)比性能，本文在進(jìn)行 NVM 性能測(cè)試時(shí)，將 BlueStore 的分配單元設(shè)置為 4 KB(通過 BlueStore 的日志可驗(yàn)證)，與 NVMStore上的分配單元保持一致。

4.2 塊設(shè)備性能對(duì)比

本節(jié)對(duì)比了 HDD 與 Optane 作為塊設(shè)備的數(shù)據(jù)讀寫性能，為了達(dá)到塊設(shè)備的性能峰值，實(shí)驗(yàn)中的 Fio 測(cè)試引擎設(shè)置為異步 I/O，隊(duì)列深度設(shè)置為 32，并繞過系統(tǒng)頁緩存和塊緩存直接對(duì)塊設(shè)備進(jìn)行讀寫測(cè)試。實(shí)驗(yàn)對(duì)比的性能指標(biāo)為吞吐量(MB/s)，HDD 的性能數(shù)據(jù)如表 2 所示，Optane的性能數(shù)據(jù)如表 3 所示，Optane 與 HDD 的性能比值如表 4 所示。

表2 HDD 吞吐量Table 2 Throughput of HDD

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，Optane 設(shè)備的吞吐量遠(yuǎn)高于 HDD，如 Optane 的 1 KB 隨機(jī)寫性能可達(dá)HDD 的 5 243.67 倍，4 MB 順序?qū)懶阅芸蛇_(dá) HDD的 5.94 倍(見表 4)。由于 HDD 機(jī)械部件導(dǎo)致的延遲，其隨機(jī)性能遠(yuǎn)低于順序性能，特別是當(dāng) I/O塊較小時(shí)，對(duì)比更為明顯。而 Optane 設(shè)備沒有機(jī)械部件，其讀寫性能主要取決于數(shù)據(jù)的分發(fā)是否能充分利用底層存儲(chǔ)器件的并發(fā)性。如表 3 所示，雖然 Optane 設(shè)備的讀性能高于寫性能，順序性能高于隨機(jī)性能，但是二者之間的性能差距遠(yuǎn)小于 HDD 的性能差距。此外，Optane 的吞吐量隨著 I/O 塊的增大而提高，且當(dāng) I/O 塊大小約為64 KB 時(shí)達(dá)到峰值，這主要是由 Optane 底層存儲(chǔ)介質(zhì)的特性及其內(nèi)部存儲(chǔ)單元的分布決定的。

表3 Optane 吞吐量Table 3 Throughput of Optane

表4 Optane 與 HDD 的性能比值Table 4 Performance ratio of Optane to HDD

4.3 塊接口與內(nèi)存接口性能對(duì)比

本小節(jié)對(duì)使用內(nèi)存映射的方法讀寫 Optane時(shí)的性能優(yōu)勢(shì)進(jìn)行驗(yàn)證。由于目前 Fio 不支持Optane 的內(nèi)存接口測(cè)試，因此本小節(jié)通過 PMDK提供的內(nèi)存讀寫接口進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 5 所示，其中，Optane-Block 表示使用傳統(tǒng)的塊接口讀寫 Optane，Optane-Mmap 表示使用內(nèi)存映射的方式讀寫 Optane。

由圖 5 可知，Optane-Mmap 的整體性能高于Optane-Block，特別是小塊數(shù)據(jù)讀寫。由圖 5(b)可知，當(dāng) I/O 塊大小為 1 KB 時(shí)，Optane-Mmap 的性能約為 Optane-Block 的 2.5 倍。原因是 Optane具有字節(jié)可尋址特性，可通過內(nèi)存接口直接訪問設(shè)備，避免了塊接口較長(zhǎng)的 I/O 軟件棧及數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的不必要拷貝，從而可獲得較高的性能。因此，與傳統(tǒng)的塊接口相比，本文提出的NVMStore 通過內(nèi)存接口訪問 NVM 設(shè)備，理論上具有更優(yōu)的性能。

圖5 Optane 塊接口與內(nèi)存接口性能對(duì)比Fig. 5 Performance comparison between Optane’s block and memory interface

4.4 存儲(chǔ)引擎性能提升效果

本節(jié)通過實(shí)驗(yàn)分析，當(dāng)使用 Optane 設(shè)備替換 HDD 時(shí)，不同存儲(chǔ)引擎的 Ceph 獲得的性能提升效果。由于 Ceph 的塊接口的實(shí)際應(yīng)用較為廣泛，因此，本節(jié)針對(duì) Ceph 的 Rados 塊設(shè)備(Rados Block Device，RBD)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試方法是，在 Ceph 集群中創(chuàng)建一個(gè)大小為 100 GB 的RBD 鏡像，然后使用 Fio 的 RBD 引擎對(duì)該鏡像進(jìn)行讀寫性能測(cè)試。為更直觀地展示性能提升效果，根據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備為 HDD 的 FileStore(FileStore-HDD)的吞吐量(MB/s)，將性能數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。最終對(duì) Optane 的 FileStore(FileStore-Optane)和 BlueStore(BlueStore-Optane)相對(duì)于FileStore-HDD 的性能提升倍數(shù)進(jìn)行對(duì)比。圖 6為性能提升效果，F(xiàn)ileStore-HDD 的性能值標(biāo)準(zhǔn)化為 1，不在圖中展示。

圖6 使用 Optane 的存儲(chǔ)引擎性能提升效果Fig. 6 Performance improvement of storage engine using Optane

由圖 6 可知，小塊隨機(jī)寫性能的提升最為明顯，且 BlueStore-Optane 的性能更高。當(dāng) I/O 塊小于 64 KB 時(shí)，與 FileStore-HDD 相比，F(xiàn)ileStore-Optane 和 BlueStore-Optane 的隨機(jī)寫性能提升可達(dá) 180 倍以上。與 FileStore-Optane 相比，BlueStore-Optane 的性能更高，其原因是FileStore 中的雙重日志問題造成了數(shù)據(jù)寫放大，占用了一部分 Optane 的帶寬，限制了 Optane 的性能發(fā)揮。而 BlueStore 直接管理塊設(shè)備，很大程度上減小了數(shù)據(jù)寫放大，且 BlueStore 的 I/O軟件棧較為簡(jiǎn)單，因此，更容易發(fā)揮 Optane 的性能優(yōu)勢(shì)。

本實(shí)驗(yàn)將不同存儲(chǔ)引擎的 Ceph 存儲(chǔ)系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行對(duì)比，不能簡(jiǎn)單地將其與第 4.2 節(jié)塊設(shè)備的性能對(duì)比結(jié)果一一對(duì)應(yīng)。如在第 4.2 節(jié)塊設(shè)備性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，當(dāng) I/O 塊為 64 KB 時(shí)，Optane 設(shè)備的順序讀性能約為 HDD 的 10 倍(詳見表 4)。但是如圖 6(b)所示，在同樣的負(fù)載模式下，Ceph 整體的順序讀性能提高了近 40 倍。其原因是 Ceph 整體上能夠?qū)?shù)據(jù)均勻地分布在各個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上，當(dāng)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的讀寫操作時(shí)，能夠較好地發(fā)揮各個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)以及存儲(chǔ)設(shè)備的并發(fā)性，實(shí)現(xiàn)性能的擴(kuò)展，尤其是在數(shù)據(jù)塊較大的負(fù)載模式下。

然而，直接利用 Optane 替換 HDD，并不能充分發(fā)揮 Optane 的性能優(yōu)勢(shì)。例如，Optane 的小塊隨機(jī)讀性能可達(dá) HDD 的上千倍(詳見表 4)，但是如圖 6(d)所示，將底層存儲(chǔ)設(shè)備換為Optane 后，Ceph 的 1 KB 隨機(jī)讀性能卻只提升了30 倍左右。該情況一方面是由于集群節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸增加了部分延遲；另一方面則是由于FileStore 與 BlueStore 底層都使用了傳統(tǒng)的塊接口和異步 I/O 機(jī)制，引入了較大的 I/O 軟件棧開銷，從而限制了 Optane 設(shè)備的性能發(fā)揮。

4.5 NVMStore 性能評(píng)估

目前，已有開源的基于 NVM 的鍵值存儲(chǔ)系統(tǒng)(如 pmemkv②)，但仍未有開源的可用于Ceph 后端的 NVM 存儲(chǔ)引擎。因此，本節(jié)對(duì)使用 Optane 設(shè)備的 NVMStore(表示為 NVMStore-Optane)與 Ceph 現(xiàn)有存儲(chǔ)引擎的讀寫性能進(jìn)行對(duì)比。由于目前 Ceph 默認(rèn)使用的存儲(chǔ)引擎是BlueStore，且第 4.4 節(jié)實(shí)驗(yàn)已證明 BlueStore-Optane 的整體性能優(yōu)于 FileStore-Optane，因此本實(shí)驗(yàn)直接對(duì) NVMStore-Optane 與 BlueStore-Optane 的性能進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)方法為，首先在Ceph 集群中創(chuàng)建一個(gè) RBD 鏡像設(shè)備，然后使用Fio 的 RBD 引擎對(duì)該鏡像進(jìn)行讀寫測(cè)試，獲得每秒執(zhí)行 I/O 操作的次數(shù)(Input/Output Operations Per Second，IOPS)和吞吐量性能，性能對(duì)比結(jié)果如圖 7 所示。

由圖 7 可知，NVMStore-Optane 的性能優(yōu)于 BlueStore-Optane，且讀寫負(fù)載的 I/O 塊越小，NVMStore-Optane 性能優(yōu)勢(shì)越大。如圖 7(a)所示，當(dāng) I/O 塊為 1 KB 的順序?qū)懾?fù)載時(shí)，NVMStore-Optane 的性能約為 BlueStore-Optane的 2 倍。主要原因是，Optane 讀寫單塊數(shù)據(jù)的硬件延遲是穩(wěn)定的，但是當(dāng)處理小塊(小于等于 4 KB 的數(shù)據(jù)塊)I/O 負(fù)載時(shí)，BlueStore 需要頻繁地通過塊接口訪問 Optane，導(dǎo)致大量的軟件棧延遲，且小塊操作造成的數(shù)據(jù)寫放大進(jìn)一步增加了延遲。而 NVMStore 利用內(nèi)存直接訪問 Optane，減小了軟件棧引入的延遲，且利用NVM 的字節(jié)可尋址特性減小了數(shù)據(jù)寫放大，因此性能提升較為明顯。

圖7 NVMStore 性能優(yōu)化效果Fig. 7 Performance improvement of NVMStore

為了驗(yàn)證該結(jié)論，在 BlueStore 與 NVMStore的代碼中增加日志輸出，創(chuàng)建 Ceph RBD 塊設(shè)備，并針對(duì)小塊隨機(jī)寫入負(fù)載進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試方法為，使用 Fio 的 RBD 引擎進(jìn)行 120 s 的 1 KB隨機(jī)寫入，統(tǒng)計(jì) BlueStore 與 NVMStore 的 I/O 軟件棧延遲占比以及數(shù)據(jù)寫放大，測(cè)試結(jié)果如表 5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與 BlueStore 相比，NVMStore 的 I/O 軟件棧延遲占比更小，且能夠大幅度減小數(shù)據(jù)寫放大，因而在小塊寫入時(shí)其性能提升較為明顯。

表5 I/O 軟件棧延遲占比以及數(shù)據(jù)寫放大對(duì)比Table 5 Latency ratio of I/O software stack and data write amplification comparison

當(dāng) I/O 塊較小(不超過 64 KB 的數(shù)據(jù)塊)時(shí)，NVMStore 的性能略高于 BlueStore。主要原因是，BlueStore 通過塊接口訪問設(shè)備的頻率降低，I/O 軟件棧的開銷占總延遲的比例降低，進(jìn)而縮小了與 NVMStore 的性能差距。當(dāng) I/O 塊較大時(shí)(大于 64 KB 的數(shù)據(jù)塊)，NVMStore-Optane與 BlueStore-Optane 的性能相當(dāng)。主要是因?yàn)?，?dāng)讀寫數(shù)據(jù)量一定時(shí)，隨著 I/O 操作的粒度增大，調(diào)用 I/O 軟件棧的頻率將大幅降低，從而減小了 I/O 軟件棧引入的延遲，使得 Optane 的數(shù)據(jù)讀寫延遲占據(jù)了性能開銷的主要部分。此時(shí)，NVMStore 雖然能夠減小 I/O 軟件棧引入的延遲，但是對(duì)整體讀寫操作的影響較小，從而限制了其性能提升效果。因此，NVMStore 更適用于大量小塊數(shù)據(jù)讀寫的應(yīng)用場(chǎng)景。目前，在Facebook 等流行的社交網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)或者虛擬桌面云平臺(tái)應(yīng)用場(chǎng)景中，小塊數(shù)據(jù)的隨機(jī)讀寫負(fù)載非常普遍[19,25-27]，因此，以 NVMStore 為代表的性能優(yōu)化方向具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

如圖 7 所示，當(dāng) Optane 為底層存儲(chǔ)設(shè)備時(shí)，Ceph RBD 設(shè)備的隨機(jī)讀寫性能高于順序讀寫操作性能。主要是因?yàn)?，在進(jìn)行大量數(shù)據(jù)讀寫時(shí)，客戶端在 RBD 設(shè)備上的順序操作，經(jīng)數(shù)據(jù)的切分與分發(fā)，到達(dá)各個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)后，轉(zhuǎn)化為各個(gè)存儲(chǔ)引擎上的隨機(jī)操作。與 HDD 等慢速設(shè)備相比，Optane 設(shè)備上的隨機(jī)操作性能與順序操作性能差異較小，因此，存儲(chǔ)引擎處理隨機(jī)操作不會(huì)造成嚴(yán)重的性能退化。相反，大量隨機(jī)讀寫操作更容易均勻地分布到各個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的多個(gè)對(duì)象中，有助于發(fā)揮存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)以及 Optane 設(shè)備底層存儲(chǔ)單元的并發(fā)性，最終達(dá)到更高的讀寫性能。

5 結(jié) 論

大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的存儲(chǔ)引擎對(duì)系統(tǒng)的整體性能至關(guān)重要。雖然使用高性能的 NVM 設(shè)備替換傳統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備可以提高存儲(chǔ)性能，但是并不能充分發(fā)揮 NVM 設(shè)備的性能優(yōu)勢(shì)。主要原因是傳統(tǒng)的存儲(chǔ)引擎使用塊接口來訪問 NVM 設(shè)備，多層次的 I/O 軟件棧開銷以及數(shù)據(jù)寫放大造成的延遲，限制了 NVM 性能優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，進(jìn)而影響了存儲(chǔ)引擎的性能擴(kuò)展。針對(duì)該問題，本文對(duì)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng) Ceph 的存儲(chǔ)引擎及其 I/O 軟件棧進(jìn)行了分析，提出了一種基于 NVM 的存儲(chǔ)引擎 NVMStore，其利用內(nèi)存直接映射的方式訪問NVM，并根據(jù) NVM 的特性對(duì)存儲(chǔ)引擎的數(shù)據(jù)讀寫流程進(jìn)行優(yōu)化，減小了 I/O 軟件棧的開銷以及數(shù)據(jù)讀寫放大，進(jìn)一步提升了存儲(chǔ)引擎的性能。最后在 NVM 設(shè)備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將 NVMStore 與現(xiàn)有的 Ceph 默認(rèn)存儲(chǔ)引擎 BlueStore 的基準(zhǔn)讀寫性能進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NVMStore 能夠顯著提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的小塊數(shù)據(jù)讀寫性能。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，由于小塊數(shù)據(jù)讀寫負(fù)載較為普遍，因此，NVMStore 的性能優(yōu)化方向具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。