SPDK简介及基本使用

一.概述

随着硬盘、闪存技术的高速发展，NVME-ssd已逐渐进入分布式存储的核心领域。伴随着NVME-ssd的出现，涌现出一批新型的存储名词，包括分层存储、分级存储、冷热存储、混合存储等。而这些名词的出现，也意味着ssd在当前大环境下由于其昂贵的价格还无法大量应用。根据预测，ssd价格将在19年末出现大幅下降，藉此，ssd将成为存储领域重要的存储介质。
ssd存储介质正在取代传统数据中心的机械硬盘。ssd无论是从性能、功耗以及密度上都存在巨大的优势，而这些优势将使得ssd成为下一代存储的主要介质。

二.SPDK

众所周知，在Linux起源之初，文件系统io栈针对机械盘进行了众多优化，包括page、cache等多种优化方式。内核采用中断的方式进行DMA将数据从内核态拷贝回用户态，再交由用户程序处理，这是机械硬盘时代的io处理方式。而随着nvme-ssd的出现，如果再采用此种方式就会导致大量的硬盘空闲，浪费硬盘性能。为了帮助上游的应用厂商以及存储厂商更好的发挥ssd磁盘的性能，intel开发了一套基于nvme-ssd的开发套件，SPDK。SPDK的目标是通过使用Intel的网络，处理，存储技术，将固态存储介质出色的功效发挥到极致。
相对于传统IO方式，SPDK运用了两项关键技术：UIO和pooling。
首先，将设备驱动代码运行在用户态，避免内核上下文切换和中断将会节省大量的处理开销，允许更多的时钟周期被用来做实际的数据存储。无论存储算法（去冗，加密，压缩，空白块存储）多么复杂，浪费更少的时钟周期总是意味着更好的性能和时延。这并不是说内核增加了不必要的开销；相反，内核增加了一些与通用计算用例相关的开销，因而可能不适合专用的存储栈。上文也提及到SPDK实际上是为nvme-ssd开发的一套开发组件，并不适用于机械硬盘。
其次，采用轮询模式改变了传统I/O的基本模型。在传统的I/O模型中，应用程序提交读写请求后进入睡眠状态，一旦I/O完成，中断就会将其唤醒。轮询的工作方式则不同，应用程序提交读写请求后继续执行其他工作，以一定的时间间隔回头检查I/O是否已经完成。这种方式避免了中断带来的延迟和开销，并使得应用程序提高了I/O效率。在机械硬盘时代，中断开销只占整个I/O时间的很小的百分比，因此给系统带来了巨大的效率提升。然而，在固态设备时代，持续引入更低时延的持久化设备，中断开销成为了整个I/O时间中不可忽视的部分。这个问题在更低时延的设备上只会越来越严重。系统已经能够每秒处理数百万个I/O，所以消除数百万个事务的这种开销，能够快速地复制到多个core中。数据包和数据块被立即分发，因为等待花费的时间变小，使得时延更低，一致性时延更多（抖动更少），吞吐量也得到了提高。

三.架构

注意：图中各颜色有不通含义

整个spdk开发套件提供了一整套完整的开发库支持。包括：
驱动层：
NVMe driver：SPDK的基础组件，高度优化且无锁的驱动提供了前所未有的高扩展性，高效性和高性能
IOAT:基于Xeon处理器平台上的copy offload引擎。通过提供用户空间访问，减少了DMA数据移动的阈值，允许对小尺寸I/O或NTB(非透明桥)做更好地利用。
块设备层：
NVMe over Fabrics（NVMe-oF）initiator：本地SPDK NVMe驱动和NVMe-oF initiator共享一套公共的API。本地远程API调用及其简便。
RBD:将rbd设备作为spdk的后端存储。
Blobstore Block Device：基于SPDK技术设计的Blobstore块设备，应用于虚机或数据库场景。由于spdk的无锁机制，将享有更好的性能。
Linux AIO：spdk与内核设备（如机械硬盘）交互。
存储服务层：
bdev：通用的块设备抽象。连接到各种不同设备驱动和块设备的存储协议，类似于文件系统的VFS。在块层提供灵活的API用于额外的用户功能（磁盘阵列，压缩，去冗等）。
Blobstore：SPDK实现一个高精简的类文件的语义（非POSIX）。这可为数据库，容器，虚拟机或其他不依赖于大部分POSIX文件系统功能集（比如用户访问控制）的工作负载提供高性能支撑。
存储协议层
iSCSI target：现在大多使用原生iscsi
NVMe-oF target：实现了新的NVMe-oF规范。虽然这取决于RDMA硬件，NVMe-oF target可以为每个CPU核提供高达40Gbps的流量。
vhost-scsi target：KVM/QEMU的功能利用了SPDK NVMe驱动，使得访客虚拟机访问存储设备时延更低，使得I/O密集型工作负载的整体CPU负载有所下降。

从流程上来看，spdk有数个子构件组成，包括网络前端、处理框架和存储后端。

前端由DPDK、网卡驱动、用户态网络服务构件组成。DPDK给网卡提供一个高性能的包处理框架；网卡驱动提供一个从网卡到用户态空间的数据快速通道；用户态网络服务则破解TCP/IP包并生成iSCSI命令。

处理框架得到包的内容，并将iSCSI命令翻译为SCSI块级命令。不过，在将这些命令送给后端驱动之前，SPDK提供一个API框架以加入用户指定的功能，即spcial sauce（上图绿框中）。例如缓存，去冗，数据压缩，加密，RAID和纠删码计算等，诸如这些功能都包含在SPDK中。不过这些功能仅仅是为了帮助我们模拟应用场景，需要经过严格的测试优化才可使用。

数据到达后端驱动，在这一层中与物理块设备发生交互，即读与写。SPDK包括了几种存储介质的用户态轮询模式驱动：

• NVMe设备；
• inux异步IO设备如传统磁盘；
• 基于块地址的内存应用的内存驱动（如RAMDISKS）；
• 可以使用Intel I/O加速技术设备。

四.编译使用

4.1下载代码

git clone https://github.com/spdk/spdk.git 
git submodule update –init

4.2 编译dpdk

cd spdk/script
./pkgdep.sh  //在编译之前，需安装依赖
make install T=x86_64-native-linuxapp-gcc DESTDIR=.  

4.3 编译spdk

cd ..
make DPDK_DIR=./dpdk/x86_64-native-linuxapp-gcc 

4.4 配置spdk

sh scripts/setup.sh

至此，spdk的基本安装已经完成，下面要做的就是插入nvme ssd设备并进行测试。测试代码在examples下。
4.5 实现原理
通过UIO这个的驱动接口，将驱动中共性的一部分放在内核态实现，eal层次通过解析sysfs的相关节点获取设备信息（bar，function等）传递给用户态的设备模型，之后eal层次用mmap建立内核和用户空间的数据传递通道和同步机制，实现了驱动的用户态功能实现。
Spdk提供了多种存储接口（scsi，nvme等）不同层次的操作接口，可以供用户直接调用完成设备识别，控制，数据传输等。