中端存储趋势：x86、SSD缓存和虚拟化

　

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在上一篇《SPC-1：闪存 vs.磁盘新旧势力的战场》中，我们对2011年公布的SPC-1测试成绩进行了汇总分析，其中提出了一些问题，有的得出答案而有些还尚未了结。从本文的标题上，您应该看出笔者想先从中端存储系统入手，做进一步的讨论。
　　为什么选择中端存储系统呢？因为这可以说是一个“百花齐放，百家争鸣”的市场。首先是前文中涉及的五款中端阵列：NetApp FAS3270A、IBM Storwize V7000、Pillar Axiom 600 Series 3、华为赛门铁克Oceanspace S5600T，以及Oracle Sun ZFS Storage 7420c分别有一定的代表性，尽管没有包括EMC VNX/CLARiiON、HDS AMS2000、戴尔Compellent和惠普（P6000）EVA这四个系列产品，但基本上也涵盖了绝大多数FC SAN所支持的功能。相比之下，入门级存储系统通常无法提供一些高级特性，而高端阵列的出货量和覆盖用户群则要小得多。

　　我们还是先回顾一下之前遗留的问题：

　　1.同样是中端SAN阵列，NetApp FAS3270A是如何在驱动器数量较少的情况下实现较高的效率？

　　2.IBM V7000和Pillar Axiom 600在这里看似亮点不多，它们“贵”在哪里？也就是说哪些方面为用户提供了更多的附加价值？

　　3.华赛S5600T和Sun ZFS 7420c是怎样在价格竞争力突出的情况下，性能效率又在传统磁盘阵列中领先？

中端存储趋势：x86、SSD缓存和虚拟化

从SPC-1测试报告中截选出每款存储系统相对重要（所占大头）的部件参考价格，其中没有包含服务。笔者感觉最“给力”的Oracle Sun ZFS 7420c，其实就是2台定制的Sun Fire X4470服务器，每控制器配置4颗Intel Xeon X7550八核心2.0GHz CPU，一共128条8GB 1066MHz DDR3内存（每控制器512GB），8个2.5英寸512GB SATA SSD读闪存加速（可能是eMLC或者MLC NAND）和8个3.5英寸SLC SAS-2 SSD写闪存加速（容量和具体用途我们将在下文中交代）。

　　上表中的部分内容和名词，到了介绍对应产品时会有解释。当然笔者在本文还有很多想要和大家交流的地方，比如说通过SPC-1测试报告中的结构图和配置信息，来简单分析每一款存储系统的硬件设计。我们也会补充其它方面的资料，结合笔者以前积累的经验。其中部分内容在存储行业资深人士看来可能有些班门弄斧，某种程度上带有一定产品技术普及的目的。

　　另外，最近我也收到了来自一些同行中肯的意见反馈：比如SPC-1结果无法全面反映出存储系统各种配置下的性能、以及附带/支持的软件功能等价值。因此，笔者在比较不同型号阵列时，也会相应的提到统一存储、自动分层存储、SSD缓存、存储虚拟化、Scale-out横向扩展、压缩/重复数据删除等方面的高级技术特性。希望能够让读者对产品有一个更全面了解。

中端存储趋势：x86、SSD缓存和虚拟化

这个表中的大部分数字在上一篇文章中出示过，我们曾经提到了空间利用率与每驱动器IOPS之间的微妙关系，而“每驱动器IOPS×空间利用率×2”是一个仅供参考的数字，其目的是排除未用存储容量（短击硬盘？）对性能测试可能带来的影响。

　　在后面的几页中，笔者将分别讨论5款各具特点的中端存储系统。涉及的话题包括x86架构控制器、存储虚拟化技术的不同形式、自动分层存储应用现状分析、形形***的SSD缓存加速、ZFS/WAFL文件系统效率比拼、Scale-out性能一定比Scale-up好吗？...

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NetApp FAS3270：统一存储+FlashCache

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NetApp FAS3270A运行SPC-1测试配置的参考示意图

　　NetApp FAS系列统一存储和V系列网关都能同时提供SAN和NAS文件协议访问的支持，曾经有一段时间NetApp几乎就是NAS的代名词，IBM OEM自NetApp的N系列产品几乎就是当作NAS来卖。还有人认为NetApp在WAFL文件系统的基础上“模拟”块存储设备，其效率可能不如纯粹的SAN阵列。不过从FAS3270A的SPC-1测试结果来看，如今对于NetApp中端存储系统的这种顾虑基本可以打消了。

　　其实任何RAID阵列的数据分块（Stripe）方式，应该都需要有基本的元数据或者映射表，文件系统的索引也属于这种形式。在此借用一位业内朋友的话：“当LUN从树上下来开始直立行走的时候，才发现其实文件系统早就变成人了。”

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NetApp FAS3270A SPC-1测试配置

　　如上图，NetApp FAS3270A统一存储系统的2个控制器位于单一的3U机箱内，还有一种2个两个机箱各安装一个控制器和IOXM（I/O扩展模块）的HA配置形式。每个控制器带有16GB内存（总共32GB）、6MB二级缓存的CPU、512GB FlashCache闪存卡（一共1024GB，用于读缓存），运行NetApp FAS/V系列产品通用的Data ONTAP 8.0.1版本操作系统。

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NetApp FAS3270A的控制器机箱的2种配置方式：上面那个为3U机箱内安装一个控制器和IOXM，实现HA配置需要再增加一个机箱；下面的图在一个机箱中实现了2个控制器的HA配置，但没有I/O扩展模块。

　　FAS3270A分别使用2条6Gb SAS后端连接（miniSAS x4，带宽2.4GB/s）访问后端级联的5台DS3424驱动器架（扩展柜）――每个DS4243里满配24块3.5英寸300GB 15K RPM高转速SAS硬盘。控制器前端则各有2个4Gb/s光纤通道接口（可选8Gb FC）经过2台博科300 FC交换机的冗余存储网络配置连接到2台服务器。

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NetApp Flash Cache (PAM II) PCIe闪存卡，硬件上类似于Fusion-io，安装在外置存储系统中使其具备服务器主机共享的读缓存加速功能。Fusion-io的“PCIe SSD”虽然可以实现更低的访问延时，不过被其收购的ioTurbine软件（以及由它组成的ioCache方案）是在一台服务器的Windows虚拟机之间共享SSD缓存。

　　FAS3270A使用120个驱动器的SPC IOPS测试结果为68,034.63，不知继续增加驱动器数量性能会有什么样的提升（最多支持960个）？其实包括EMC CLARiiON CX4-960/VNX等在内的传统Scale-up（纵向扩展）阵列，硬盘/SSD添加到一定程度都会面临这个问题，因为控制器处理能力无法随之一同提高。NetApp高容量利用率的RAID DP（双校验盘，类似于RAID 6）却能够达到本次测试最高的每驱动器IOPS效率，我们认为除了WAFL（Write Anywhere File Layout，写任意文件布局）文件系统重定向随机写操作之外，Flash Cache对于随机读可能有一定贡献，当然也因此带来了成本的上升。

　　注：据了解NetApp现在出货的高端产品FAS6200系列，应该是免费赠送512GB的PAM II闪存卡。

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尽管NetApp官方资料中并没有公布其阵列使用的CPU型号，但是通过《2011存储Benchmark盘点，意义何在？》一文提到的SPECsfs2008网络文件系统IOPS测试报告，我们查询到FAS3270使用了Intel Xeon E5240双核处理器，每控制器2颗（一共4颗），这与上面SPC-1配置中的6MB L2 Cache是一致的。

　　FAS3270在NetApp FAS3200系列中规格最高，作为一款在2010年下半年发布的产品，仍然使用至强5400平台似乎有点陈旧，而且2颗Xeon 5200系列CPU的性能才相当于一颗5400四核处理器。相对于FAS6200系列使用的Xeon 5500平台相比，FAS3200更像是在FAS3100基础上的一个小幅升级。另一方面，也可以看出相比那些用于计算的服务器来说，存储系统对CPU的要求并不是很高。

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Storwize V7000 Unified是IBM这款产品现在的正式名称，因为在去年10月增加了可选的File Module（文件模块）即NAS网关之后，V7000也成为一款统一存储。

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IBM Storwize V7000运行SPC-1测试配置的参考示意图

　　上图给我们的第一感觉有点抽象，看起来是2个Storwize V7000节点（其实就是2个控制器，见下文说明），各自通过2条6Gb SAS（同样是miniSAS x4）与后端10个包含24块硬盘的单元连接；前端使用每节点4个8Gb/s FC接口经由2个光纤通道交换机连接到2块双端口FC HBA卡。而图片下方的文字解释有点容易让人产生误解。

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IBM Storwize V7000 SPC-1测试配置

　　这里的“双节点集群”，指的是V7000控制机箱中的两个控制器，每个控制器带有8GB内存/缓存。Storwize V7000上面的8Gb/s光纤通道接口既可以连接主机，也可以（经过FC交换机）连接其它存储系统，因为V7000的软件系统使用了SVC SAN存储虚拟化核心代码。因此该产品是一款具备存储虚拟化功能的FC+iSCSI阵列。

　　9个驱动器扩展机箱与控制机箱之间的连接方式见下图：

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　　Storwize V7000增加扩展柜按照右侧一列文字从1到9的顺序，下方5个由蓝色示意线级联的扩展柜属于SAS Chain（链路） 1，控制机箱和上面使用绿色示意线级联的4个扩展柜属于SAS Chain 2，SPC-1测试配置的每个机箱中都装满了2.5英寸300GB 10K RPM SAS驱动器。

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IBM Storwize V7000控制器结构示意图

　　上图是IBM V7000单个控制器的结构示意图，其中使用了一颗代号为Jasper Forest的Intel Xeon C5500/3500系列四核2.1GHz CPU（应该是实际频率2.13GHz的Intel Xeon EC3539）。

IBM Storwize V7000软件模块示意图

　　Storwize V7000号称集IBM存储技术之大成。上面绿色部分为来自SVC（SAN Volume Controller）已有的I/O堆栈，并在二款产品之间通用；蓝色部分为来自DS8000 DA Adapter的RAID代码；粉色部分包括针对V7000硬件组件编写的新Firmware，以及从XIV“Scale-out网格存储”移植过来的图形用户界面。

　　当然还有最初应用在IBM System Storage DS8700高端阵列上的Easy Tier自动分层存储技术。V7000目前支持SSD和HDD两个性能层级，也就是说如果有不同转速的机械硬盘都会被当作同一个分层来处理，而现在DS8800的Easy Tier已经可以支持3个分层。

　　本文涉及的5款产品中，IBM V7000是唯一支持自动分层存储的。同样属于将热点数据放在固态存储上优化性能并节约成本的技术，我们看到SSD缓存技术应用越来越多，而自动分层存储技术的应用似乎没有当初预料的那样多。究其原因，笔者认为首先是闪存存储技术还不完全成熟，特别是由其自身结构带来的写入性能和寿命问题，SLC NAND的情况相对好一些，eMLC和MLC现阶段主要适合于以随机读为主的应用。其次是实现的复杂度，SSD作为缓存不基本需要用户进行设置就能实现比较理想的效果，自动分层则必须有一个数据迁移策略，并允许用户对其规则进行定制；而且读缓存在闪存单元失效的情况下也不会丢失数据，而自动分层存储则需要考虑SSD模块的冗余高可用，现在流行的RAID 1（10）保护方式又使其逻辑容量减半。

　　还有一点，就是存储系统的定位和处理能力。我们在这里暂时先不谈全闪存阵列，当前的高端阵列IBM DS8800、EMC Symmetrix VMAX、HDS VSP和惠普3PAR都有各家的自动分层存储功能，这个前提是存储系统能够发挥出一定数量SSD的性能，而且购买相应设备的用户愿意支付这个成本。以自动分层存储技术见长的Compellent就不是推荐所有的用户选择SSD，在不同转速驱动器、RAID级别甚至硬盘内/外圈分层都有各自的应用价值。3PAR V800配置1,920块HDD创造45万SPC-1 IOPS纪录并不让我感到意外，因为以前他们是一家比较务实的公司，在宣传自动分层存储技术时并没有一味强调性能，而是在同样性能水平降低30%的成本。这仍是绝大多数传统磁盘阵列的现状。

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IBM Storwize V7000 Unified统一存储组成示意图

　　V7000 Unified的NAS网关“基于GPFS近20年在分布式文件领域的技术”，可以说相当于在SONAS基础上简化而来。这一对File Module（文件模块）中是不包含写缓存的，这样的好处是不需要像戴尔EqualLogic FS7500等统一存储那样使用UPS或者电池等来保护DRAM中的数据，另外在Active/Active双节点高可用的实现上省去了对写缓存进行一致性镜像。缺点是文件系统服务器不对写入数据进行缓存加速处理。

　　Storwize V7000发布时支持240个驱动器（加入双系统集群功能之后一共480块盘），SPC-1 IOPS测试在中端阵列中没有明显的亮点，不过这款产品集成的功能还是比较丰富的

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