NetApp的WAFL文件系统对RAID的写优化

 

参考资料：SAN 存储区域网络 / File System Design for an NFS File Server Appliance

 

一.  如何优化RAID4/5的写性能

RAID4/5都有写性能低下的问题，因为涉及到校验数据的处理。但是，一次写操作尽量写入一个分条(stripe)中尽量多的分块(block)，可以优化写性能。

上图显示了一个带有4个成员磁盘阵列的读、修改和写的周期，其中一个磁盘包含分条的校验数据。

当新的数据被写入一个独立访问阵列时，将使用下列过程更新校验数据和写入新数据：

1. 从主机 I/O 控制器接收 I/O 请求和新数据。
2. 读出将被替代分块的原有数据。
3. 读出该块的校验数据。
4. 对校验数据与原有数据实施XOR操作，去除原有数据对校验数据的贡献。
5. 对该校验数据与新数据实施XOR操作，得到新的校验数据。
6. 将新的校验数据写入磁盘。
7. 将新数据写入磁盘。

这个过程称为读、修改和写周期。

在一个读、修改和写周期中，一次单个驱动器的写操作需要独立访问阵列做4次数据传输，即原有数据读出、校验数据读出、新校验数据写入以及新数据写入，这导致单个I / O请求的大量的开销。

因为读、修改和写周期的开销，所以独立访问阵列的读操作比其写操作快得多。事实上，独立访问阵列的写速度比单个磁盘的写操作更慢，也比并行访问阵列的写慢。由于这个原因，当独立访问阵列用于读操作比例大于写操作的应用时，它应该配以回写缓存。

上面是对分条中的少量分块的写操作，假如是对分条的所有分块做写操作，可以直接XOR校验并写入数据盘和校验盘。这样可以大大提高写性能。

假如对分条中一半以上的块做写操作，那么可以：

1. 为即将要写的若干分块保存新的数据。
2. 从不被更新的一些分块中读出现存的数据。
3. 计算新的校验数据。
4. 写新的分块数据和新的校验数据。

一个回写算法的磁盘缓存可以保存磁盘写，使单个操作能够写入更多的分块。

 

二. WAFL文件系统对RAID写操作的优化

WAFL是广泛用于NetApp存储缓存设备的文件系统，WAFL名称的本意是Write Anywhere File Layout。这种设计可以让WAFL尽量将多个写入块写入操作调度到同一个RAID条带中，避免对一个条带的单块写入，来提高RAID的写性能。

WAFL文件系统的meta-data是存储在文件中的(很多文件系统存储meta-data在磁盘的固定位置)，WAFL有3个meta-data文件:

1. inde file - contains the inodes for the file system
2. block map file - identifies free blocks
3. inode map file - identifies free inodes

将meta-data存储在文件可以让WAFL将meta-data写入到磁盘的任意位置，便于WAFL来优化写操作。