浅析如何充分发挥固态硬盘的优势

 浅析如何充分发挥固态硬盘的优势

在过去十几年中，CPU的性能提升了100倍以上，而传统的HDD硬盘（Hard Disk Drive）才提升了1.5倍不到，这种不均衡的计算存储技术发展，极大地影响了IT系统整体性能的提升。直到固态硬盘SSD（Solid State Drive）被发明出来，其性能有了颠覆性的提升，才解决了存储的瓶颈问题。然而，SSD作为一项新技术，仍然存在一些固有的缺陷，如何充分发挥SSD的优势，是一个值得研究的方向。下面从性能、持久性、使用成本等方面对此话题做一些探讨。

　　一、如何充分发挥出SSD的性能

　　首先，我们来看看传统HDD的使用方式：

　　1.协议一般都采用SAS、SATA接口；

　　2.Linux的IO调度需要用电梯算法来对IO进行重排以优化磁头的路径；

　　3.企业级存储通常使用Raid卡做数据保护。

　　在接口协议方面，随着SSD的发明，NVMe协议应运而生。相较于SAS、SATA的单队列机制，NVMe最多可以有65535个队列，并且直接采用PCIe接口，消除了链路和协议瓶颈。

　　在控制卡生态方面，各大厂商也纷纷推出自己的NVMe控制卡芯片，有PMC（现属于Microchip）、LSI、Marvel、Intel、慧荣以及国内的得瑞等，技术也已经非常成熟。

　　在Linux 驱动和IO协议栈方面，也做了相应的优化，如下图所示，NVMe驱动可以直接绕过那些传统的、专为HDD设计的调度层，大大缩短了处理路径。

　　到目前为止，为了充分发挥SSD的性能，上面提到的三个传统HDD的问题中前两个已经得到了解决，然而在企业级市场上，基于NVMe的Raid始终没有太好的方案。传统企业最广泛使用的Raid5/Raid6数据保护机制（N+1, N+2），通常是把数据条带化分片，然后计算出冗余的Parity Code（奇偶校验码），将数据存放到多块硬盘，写入新数据通常是一种“读改写”的机制。这种机制本身就成为了性能瓶颈，并且“读改写”对SSD的使用寿命有很大的损耗。另外，因为NVMe协议把控制卡放到了NVMe盘的内部，IO都由NVMe盘内部的DMA模块来完成，这就给基于NVMe的Raid卡设计带来了更大的困难。目前市场上这类Raid控制卡可用方案也很少，并且性能上也无法发挥出NVMe的优势，因此没能被广泛使用。

　　基于目前这种状况，很多企业级存储方案仍然在使用SAS/SATA的SSD加传统的Raid卡，这种方式又会出现前面已经解决的两个问题，SSD的性能得不到充分发挥。

　　然而，这样的情况也在发生改变，由Lightbits Labs发明的NVMe over TCP（NVMe/TCP）存储集群解决方案就对这个问题做了很好的处理。该解决方案通过自主研发的一块数据加速卡，采用Erasure Code（纠删码）机制可以做到超过1M IOPS的随机写性能，并且可以避免“读改写”带来的使用寿命损耗。另外，Lightbits提出了Elastic Raid机制，该机制提供弹性的N+1保护（类似于Raid5），相较于传统的Raid5需要热备盘或者需要及时替换损坏盘，该机制在一块硬盘发生损坏之后能自动平衡形成新的保护。比如一个节点内原先有10块盘，采用9+1的保护，当某块盘损坏后，系统会自动切换成8+1的保护状态，并且把原先的数据再平衡到新的保护状态，从而在可维护和数据安全性方面实现了大幅提升。此外，该数据加速卡还能做到100Gb的线速压缩，显著提高了可用容量，进而能大幅降低系统使用成本。