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基于英特尔® 技术的浪潮云海® 超融合 一体机 InCloud Rail 解决方案

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摘要

  作为一种软硬一体化的基础设施架构,超融合具备易运维、易部署等典型优势,在多种行业与场景中得到了广泛应用。浪潮聚焦云原生、5G、大数据、云边端等应用场景,结合自身软硬件能力,近年来持续推动浪潮云海® 超融合一体机 InCloud Rail 的创新与演进。该一体机通过 InCloud DataCenter 云管理平台,支持跨云平台融合和异构虚拟化环境的集中管理。一体机同时搭载基础环境快速部署工具,部署速度远超传统解决方案。

  在金融、医疗等行业的部署中,面向数据库等场景的超融合一体机面临着巨大的存储性能挑战,用户需要尽可能地提升数据吞吐能力并降低时延,以支撑关键型业务的高效运行。为了提升存储子系统的性能,浪潮使用了英特尔® 存储性能开发套件(SPDK),并通过 NVMe over Fabrics(NVMe-oF)协议进行加速。NVMe-oF 协议作为 iSCSI 协议的替代者,可以让主机以使用本机 NVMe 协议方式访问分布式存储,提供低延时、高吞吐的块存储设备,解决了内核态驱动读写 NVMe 磁盘时可能会出现的内核上下文切换和 CPU 中断问题。优化后的方案能够为客户虚拟机提供高性能的分布式存储,降低总体时延和减少时延差异,满足金融和医疗客户在数据库等多个场景中的需求。

背景介绍

  由于用户规模庞大、业务与数据价值高等因素,金融和医疗机构一直是信息化和技术应用方面的先行者,业务发展对 IT 系统的依赖度非常高。近年来,随着金融与医疗机构纷纷开启数字化转型,如何优化与重构 IT 基础设施,为上层应用和业务创新提供灵活可靠的 IT 服务平台,已经成为其数字化战略的发展重点。

  在此背景下,越来越多的金融与医疗机构开始拥抱超融合,希望通过部署超融合一体机等方式,对硬件加以重构,以软件定义的方式打造灵活高效的 IT 基础设施,以便降低IT 基础设施运维和扩展的压力,获得更大的业务弹性,从而将更多资源用于拓展业务。

  在拥抱超融合的同时,金融与医疗机构也非常关注超融合能否提供强大的存储能力。伴随着用户增长与业务创新,金融与医疗机构内部场景化、移动化、碎片化的数据在快速增长,这给存储系统带来了巨大的压力。以金融数据库应用为例,互联网交易、数据风控、实时营销等应用需要数据库实现快速响应。而在大并发量的业务背景下,存储系统很容易成为性能瓶颈,影响业务的整体响应能力。

  导致存储系统性能瓶颈的原因之一是存储介质。最近几年,存储介质得到了快速发展,如今 NVMe SSD 的 IOPS 已经远远高出 HDD 磁盘,时延从毫秒压缩到微秒,系统的性能瓶颈也由存储硬件本身逐渐转移到网络及处理器上。传统文件系统和调度器等方法由于无法充分发挥新存储介质的性能,成为存储系统的新瓶颈。这些瓶颈包括:

  • 利用常规的 NVMe 内核驱动读写 NVMe 磁盘时,会遇到内核上下文切换和 CPU 中断问题。在高性能的全闪存储中,中断意味着时延的不确定,会导致较大时延和性能开销。

  • 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。待 I/O 完成后,中断会将其唤醒,中断开销成为了整个I/O 时间中非常重要的一部分。

方案概述

  作为新一代超融合解决方案,浪潮云海® 超融合一体机 InCloud Rail 通过软件定义的计算、存储和网络技术实现了服务器的资源池化,使整个 IT 环境比单独的物理硬件具有更高的可用性、安全性和扩展性,能够有效满足企业对于降低成本、简化管理、提高安全性和扩展性的需求,助力企业向云计算迁移核心业务,构建企业云数据中心。浪潮云海® 超融合一体机 InCloud Rail 实现了存储资源的池化和统一管理,并通过全闪存架构的软件定义存储 SmartONE 支持异构算力的融合。SmartONE 采用 etcd 组件作为集群管理,负责分布式存储的节点的关系、节点之间的元数据传递及一致性等。在资源管理方面,SmartONE 提供了 qemu、iSCSI 和NVMe-oF 的服务入口,对接 VDI 卷管理入口,对外提供存储资源。在对象存储方面,SmartONE 主要接收 VDI 的 IO 请求,根据数据分布算法调度到相关节点,根据副本策略和 EC 规则调用 Gateway 分发到分布式存储的存储节点。

  

  图 1. 浪潮云海® 超融合一体机 InCloud Rail 架构

  为了满足数据库等实时读写、随机访问超大规模数据集等场景对于存储性能的严苛要求,浪潮云海® 超融合一体机 InCloud Rail 除了探索使用新一代存储介质之外,还与英特尔合作,采用了英特尔® 至强® 可扩展处理器和英特尔® 以太网适配器 E810,并从存储引擎层面来化解性能瓶颈。

  • 英特尔® 至强® 可扩展处理器: 该处理器专为数据中心现代化革新而设计,能够提高各种基础设施、企业应用及技术计算应用的运行效率,进而改善总体拥有成本(TCO),提升用户生产力。它拥有更高的单核性能,能够在计算、存储和网络应用中,为计算密集型工作负载提供卓越的性能和可扩展性。

  • 英特尔® 以太网适配器 E810: 该网络适配器具备 100/25GbE性能,支持单个或双端口连接,在 PCIe 4.0 x 16 插槽中提供了出色的性能,并支持应用程序设备队列(ADQ)、动态设备个性化(DDP)、RDMA iWARP 和 RoCEv2 等各种高级功能,能够有效满足各种工作负载对于带宽和时延的严苛要求。

  

  图 2. 浪潮 SmartONE 软件架构

详细解决方案

  英特尔® SPDK 提供了一组工具、库和方案,用于编写高性能和可扩展的用户态存储应用程序。它通过使用多种关键技术来实现高性能和高扩展,诸如将一些驱动程序移至用户空间,避免了系统调用,并允许从应用程序进行零拷贝访问。它通过无锁化、消息机制和异步编程实现高性能应用框架,同时提供统一的用户态通用块设备来高效管理不同的存储后端设备。

  使用英特尔® SPDK 之后,用户态的驱动通过轮询硬件而不是依赖中断来完成,可以有效降低总时延和减少时延差异,同时和内核驱动相比,在每个 CPU 内核的 IOPS 上具有更明显的性能优势。此外,英特尔® SPDK 具备 I/O 路径的无锁高性能模式,避免了所有在 I/O 关键路径中的锁,而是依靠消息传递在多个线程中共享资源,从而提高了并行性。

  浪潮与英特尔合作,在 SmartONE 分布式存储的单机存储引擎、NVMe-oF 存储服务等模块中,采用了英特尔® SPDK 进行优化。

 

 图 3. 英特尔® SPDK 架构

单机存储引擎

  浪潮 SmartONE 分布式存储基于英特尔® SPDK 的 NVMe 驱动实现了高性能底座,支持和 NVMe 磁盘设备直接交互,同时采用无锁设计,并行处理 IO 命令。此外,NVMe 上层实现了专属 NVMe 的单机存储引擎系统,该引擎系统通过基于内存的元数据和日志管理系统,有效避免了传统文件系统的双写问题

  基于英特尔® 技术的新一代单机存储引擎实现了性能的显著提升。测试数据显示,浪潮 SmartONE 分布式存储的单机存储引擎几乎达到了 NVMe 物理硬盘支持的性能上限。

NVMe-oF 分布式存储服务

  NVMe-oF 分布式存储服务为超融合平台提供两种块服务解决方案,其一是采用 vhost-user 技术方案,可以为虚拟机提供更短的 IO 路径;其二是作为存储服务,为服务器提供NVMe-oF 的 TCP/RDMA 的块服务。SmartONE 利用 SPDK vhost-user 技术,直接消除 Guest 虚拟机通过 PCIE 方式访问 NVMe 设备,避免内核更新 PCI 配置空间;同时直接在用户态捕获 QEMU 虚拟 IO,以零拷贝方式将数据传输到存储系统中。

  SmartONE 支持以 NVMe-oF 存储协议方式提供块存储服务,它可以提供 TCP 和 RDMA 两种形式的外部访问。NVMe-oF存储协议作为 iSCSI 协议的替代者,可以让主机以使用本机NVMe 协议的方式访问分布式存储,提供低延时、高吞吐的块存储设备。

  为了验证 SmartONE NVMe-oF 分布式存储服务的性能表现,浪潮分别对比了 iSCSI 存储协议在浪潮 M5 系列服务器1 和浪潮M6 系列服务器2 上的性能表现,以及 NVMe-oF 存储协议在浪潮 M6 系列服务器上的性能表现(NVMe 副本模式,2 副本)。

客户收益

  得益于英特尔® 软硬件产品与技术的应用,浪潮 SmartONE 分布式存储系统能够充分发挥 NVMe 固态盘的性能潜力,应对在IOPS 和时延方面有着较高要求的数据库应用场景。

  • 显著提升存储系统的性能,并降低数据时延,能够满足有着苛刻要求的数据库应用场景,同时有效控制分布式存储系统的总体拥有成本(TCO);

  • 充分发挥英特尔® 硬件的性能优势,并从新一代英特尔® 硬件的创新中获益;

  • 集成于超融合一体机中,能够通过一体机所预置的虚拟化平台、云管理平台、快速部署工具以及相关的工作流程,显著简化部署、管理和运维工作的复杂性。

  面向云数智一体的应用环境,浪潮将继续强化包括存储能力在内的超融合系统的创新,采用新一代英特尔® 至强® 可扩展处理器、英特尔® 傲腾™ 持久内存、英特尔® 以太网适配器等硬件产品,以及领先的软件方案,在高性能、高可靠、易运维、易扩展四个层面提升核心竞争力,满足全行业、全场景的需求。

  浪潮还计划选择英特尔® 傲腾™ 持久内存作为单机存储引擎缓存层的存储介质。英特尔® 傲腾™ 持久内存是一项变革性的内存技术,提供了融合高速、高性价比、大容量、持久数据保护、高级加密等优势于一体的内存选项。其结合英特尔® PMDK 使用,可以支持应用直接访问持久内存设备,而不需要经过文件系统的页高速缓存系统、系统调用和驱动,从而能够降低 I/O 过程的开销,显著缩短数据时延。

  未来,浪潮还将坚持以用户为中心,紧密结合前沿技术发展趋势与市场需求,持续创新引领、迭代优化,打造集融合至简、性能不凡、强大可靠、开放生态特性于一身的超融合一体机,持续为用户业务上云、数字化转型升级贡献力量。


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