編者注：本文介紹的高性能本地存儲，應該沒有針對可靠性方面的設計，因為在數(shù)據(jù)庫層面有復制做為保護手段。

紅包是最近興起的全民參與的活動，2017年新春紅包在參與人數(shù)和業(yè)務峰值上都到達了歷史新高，其中紅包除夕開獎峰值達到90W/s。在云棲社區(qū)2017紅包技術峰會上，阿里云系統(tǒng)和塊存儲負責人、資深專家馬濤從高性能本地存儲架構設計、高性能本地存儲要點分享、高性能本地存儲性能數(shù)據(jù)等方面分享了阿里云在高性能本地存儲方面的實戰(zhàn)經(jīng)驗。

以下內容根據(jù)現(xiàn)場分享和幻燈片整理而成。

支付寶紅包的大致業(yè)務架構包括單元化部署、統(tǒng)一接入、網(wǎng)關、DAO、數(shù)據(jù)庫以及在線/離線數(shù)據(jù)處理，整體流程很長。其中數(shù)據(jù)庫在整理的交易鏈路中起到承上啟下的作用。在紅包業(yè)務中，數(shù)據(jù)庫具有三大特點：

（1）峰值壓力大。除夕夜開獎峰值達到90W/s，但這僅僅是從業(yè)務層面考慮，由于業(yè)務對數(shù)據(jù)庫不僅僅是一次事務的壓力，所以開獎峰值時數(shù)據(jù)庫面臨的壓力可達百萬之多。

（2）延遲要求苛刻。數(shù)據(jù)庫單位時間內能承受的事務是有嚴格要求的，數(shù)據(jù)庫延遲降低后，會大幅降低對數(shù)據(jù)庫數(shù)目的需求，進而降低所需物理機配置，對整體的業(yè)務壓力也會大幅度降低。

（3）自帶容災。對于大型互聯(lián)網(wǎng)公司，他們的數(shù)據(jù)庫業(yè)務實際上是有非常完善的容災機制，數(shù)據(jù)庫具備主從復制；業(yè)務層也會有本身的容災機制。從存儲來看，上層的容災業(yè)務做得很全面。

針對紅包業(yè)務，數(shù)據(jù)庫的需求可以概括為兩點：一是延遲要非常低，延遲要低于100us；二是IOPS一定要高，需要達到20W以上。

現(xiàn)有塊存儲產品

目前阿里提供了三種不同的塊存儲產品，分別是SSD云盤、高效云盤和普通云盤。三者詳細的對比如上圖所示，可以看到：三種塊存儲的產品都具有高可靠的優(yōu)點，它們的數(shù)據(jù)可靠性都達到了99.9999999%；它們的缺點也非常明顯，IOPS和延遲不達標，IOPS最高的SSD云盤也只有20000，延遲最低的SSD云盤也有500us之久，距離20w IOPS和100us延遲的要求還存在很大的差距，這就需要設計一款新的存儲產品來滿足雙十一以及紅包業(yè)務的要求。

因此，高性能本地存儲應運而生。

高性能本地存儲

高性能本地存儲的設計目標是為了滿足高性能數(shù)據(jù)庫的要求，設計要點一是超高的IOPS；另一點是超低延遲。

通用的云本地存儲常規(guī)架構如上圖所示。以MySQL數(shù)據(jù)庫為例，它通過POSIX API與云主機內核交互，云主機內核包括一個標準文件系統(tǒng)和標準的塊設備接口；云主機內核下面是云物理機內核，它自上而下由標準文件系統(tǒng)、標準塊設備接口、硬件驅動和硬件組成。當數(shù)據(jù)庫發(fā)起IO訪問時，要經(jīng)過7個模塊才能到達硬件；請求完成后，再經(jīng)過7個模塊才能返回給應用層，路徑相當之長。云主機內核和云物理機內核中都包括標準文件系統(tǒng)和塊設備層，也就是說同樣的模塊可能在云主機內跑了一遍，還需要在云物理機上再運行一遍，功能上重疊，實現(xiàn)方式上也基本類似；重疊的模塊導致請求訪問時的路徑很長，對于業(yè)務和數(shù)據(jù)庫性能造成的的直觀影響是延遲高、性能差。

因此，采用通用的云本地存儲常規(guī)架構是無法解決紅包業(yè)務的需求，也不能設計出高性能的存儲產品。那該如何將云本地存儲的性能發(fā)揮到極致呢？我們的切入點是高性能存儲架構。

上圖是高性能存儲架構，圖中左側是標準物理機情況下存儲性能達到極致的框架：它的層次比較少，數(shù)據(jù)庫經(jīng)過POSIX API直接就到標準文件系統(tǒng)、塊設備層、硬件驅動、硬件，請求所經(jīng)過的模塊比上文提到的云本地存儲常規(guī)架構少2-3個，性能也相對有所提升。

那么如何在云主機的環(huán)境下搭建一個類似物理機的環(huán)境呢？首先云主機的必要模塊是必須保留的，應該盡可能精簡云物理機內核中的模塊，進而達到性能的最佳值。如上圖右側所示，首先必須保留云主機內的標準文件系統(tǒng)和塊設備層，因為它們和業(yè)務數(shù)據(jù)庫是息息相關的，標準文件系統(tǒng)提供了標準的Open、Creat、Write之類的接口，如果省去該模塊，業(yè)務是無法適配這種修改的。

對用戶而言，云物理機內所有的修改都是透明的，因此在云物理機上只保留硬件驅動，從而達到最佳性能。

高性能本地存儲關鍵組件

在云主機內，標準文件系統(tǒng)是不能變化的，因為它是存儲與數(shù)據(jù)庫、業(yè)務交互的地方。因此，想要進行性能優(yōu)化，只能考慮在塊設備層、硬件驅動、硬件三個模塊入手加速本地存儲的性能。

經(jīng)過一系列的調研與研發(fā)測試，最終在塊設備層使用了標準virtio blk驅動；硬件驅動使用了SPDK工具集；硬件使用了NVMe SSD。下面對這三個模塊進行詳細的解讀與分析。

Virtio-blk

利用Virtio blk可以實現(xiàn)云主機和云物理機之間的高性能數(shù)據(jù)交互。Virtio提供了半虛擬化的接口，所謂半虛擬化就是在虛擬機和物理機之間通過某種方式（修改了虛擬機某些接口），從而使得虛擬機和物理機之間實現(xiàn)高速傳輸，性能比傳統(tǒng)的全虛擬化有所提高。

Virtio blk是標準塊設備接口，通過塊設備接口可以對塊設備進行格式化、分區(qū)、創(chuàng)建文件系統(tǒng)等標準操作，對用戶完全透明，數(shù)據(jù)庫無需任何更改。Virtio blk另一個優(yōu)點是采用了Virtio協(xié)議，通過共享環(huán)交換數(shù)據(jù)。在上圖中，藍色部分是虛擬機，紅色部分是物理機。虛擬機通過Virtio Front End將數(shù)據(jù)通過Virtio Ring傳遞到后端的Virtio Back End；Virtio Back End將這些數(shù)據(jù)處理后再回傳給Virtio Front End，完成了一次數(shù)據(jù)的交互。

SPDK

除了Virtio blk之外，SPDK是另一個重要的組件。SPDK全稱是Storage Performance Development Kit，它是一組用來編寫高性能、高擴展性的用戶態(tài)存儲應用的工具集。

相比于SPDK，DPDK可能更為人知，它主要是為了解決網(wǎng)絡方面的問題。SPDK在很多模塊上是與DPDK共用的，它的核心觀點是通過用戶態(tài)協(xié)議加無鎖設計加輪詢機制達到高性能：

（1）用戶態(tài)協(xié)議是指SPDK實現(xiàn)了用戶NVMe協(xié)議，讓用戶可以在旁路內核的情況下去訪問設備；其缺點是不支持posix API、不支持標準的文件系統(tǒng)，也沒有標準的設備支持，應用性較差。

（2）無鎖設計，對于高性能編程而言，無鎖設計都是核心的思想，此次不再展開。

（3）輪詢機制，SPDK提供了Polling Mode ，它摒棄了內核中常用的中斷這類的機制，消除了中斷的影響，提高了整體性能。

NVMe SSD

NVMe SSD有兩個核心點：首先SSD是PCI-E的SSD，本身的訪問速度是非?？斓模徊捎肗VMe之后，速度會更快，NVMe是用來代替SCSI的新協(xié)議，它具有高帶寬、低延遲的特點，比SCSI協(xié)議更簡單高效，提高了系統(tǒng)整體的性能。

數(shù)據(jù)鏈路

高性能本地云儲存的數(shù)據(jù)鏈路如上圖所示，在云主機中，核心數(shù)據(jù)庫、POSIX API和標準文件系統(tǒng)保持不變。云數(shù)據(jù)庫通過標準的POSIX API 訪問標準文件系統(tǒng)；標準文件系統(tǒng)通過Virtio-Blk和SPDK用戶態(tài)驅動直接交互，在SPDK用戶態(tài)驅動中再與NVMe SSD交互，減少了數(shù)據(jù)鏈路的長度，同時提高了IO性能。

延遲分布

高性能本地云儲存搭建之后，我們使用了fio磁盤測試工具在CentOS7上對通用虛擬化架構本地盤和阿里云高性能本地存儲的隨機IO平均延遲進行了對比測試。測試時塊設備IO調度器均設置為noop，測試參數(shù)為--direct=1--bs=4k--iodepth=1--numjobs=1。

從上圖可以看出，在隨機讀兩方面，阿里云高IO本地盤延遲只有70us左右，而通用虛擬化架構本地盤延遲在130us左右；隨機寫方面，阿里云高IO本地盤的延遲只有30us左右；通用虛擬化架構本地盤延遲在60us左右。

數(shù)據(jù)庫性能對比

上圖是新舊數(shù)據(jù)庫Index-Update性能對比，可以看到：在舊數(shù)據(jù)庫實例的情況下，TPS只有14242.65、RT為8.21ms；新數(shù)據(jù)庫實例下，TPS可以達到26969.81、RT為1.7ms，整體性能大幅度提升。

釋放紅包技術福利，即將在公有云上線

通過延遲分布和數(shù)據(jù)庫性能的對比，可以看出高本地云存儲對性能提升起到了很大的作用，在紅包活動中發(fā)揮了很大的作用。在完成雙十一及紅包活動之后，阿里云希望將高性能本地云存儲技術推廣給其他用戶使用。因此，在今年2月底，高性能本地云存儲在公共云上線，它的技術架構與支撐支付寶紅包的技術架構相同：采用NVMe SSD+SPDK技術，也是全球首家采用該技術的高性能本地盤。

本地盤2.0性能非常好，容量為3TB、IOPS為50萬、延遲為50us、帶寬為4GB。具體參數(shù)如下表所示：

可以看出，最優(yōu)產品讀寫IOPS單盤可達24000；讀帶寬達2GBps；寫帶寬為1.2GBps。

高IO本地存儲實例

有了本地盤作為基礎，如果想要實現(xiàn)高性能本地存儲實例，還需要在計算性能、存儲IO性能、網(wǎng)絡性能上進行相應地提升：

（1）為了保證計算性能穩(wěn)定，采用了Intel Xeon E5-2682 v4（Broadwell）處理器，主頻為2.5GHz，DDR4內存。

（2）為了保證存儲IO性能穩(wěn)定，采用了基于NVMe SSD和SPDK技術，提供高達數(shù)十萬隨機IO讀寫能力的同時，保持在us級別的時延水平。

（3）網(wǎng)絡性能方面，實例網(wǎng)絡性能與計算規(guī)格相對應（實例計算規(guī)格越大則網(wǎng)絡性能越強）。

綜上所述，將SPDK與NVMe SSD技術結合起來，能夠讓本地盤接近或類似物理機的性能，在雙十一以及新春紅包這類峰值壓力很大的場景下，性能依舊很好。

關于分享者：

馬濤，花名伯瑜，阿里云系統(tǒng)和塊存儲負責人、資深專家、國內知名Linux內核研發(fā)人員，10年以上操作系統(tǒng)以及存儲研發(fā)經(jīng)驗，在塊存儲，文件系統(tǒng)等領域為Linux內核主線做出了卓越的貢獻，在Linux內核主線有超過300個提交，同時對分布式文件系統(tǒng)，分布式存儲等領域也有多年深入的研究。目前目前帶領團隊負責阿里巴巴Linux內核以及分布式塊存儲等相關的研發(fā)工作。

文章摘自云棲社區(qū)

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