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FAS8000:面向企业的横向扩展存储
Steven Miller
Steven Miller
作者:NetApp 高级技术总监兼平台架构师

第一款 NetApp® 存储系统于 1993 年推出,具有一个 Intel® i486 CPU 和最大 14 GB 的原始磁盘容量。(没错,单位是 GB。总存储还不如现在大多数智能手机的容量。)现代化 FAS 存储可以追溯到这个原始平台,但是现已扩展到数 PB 容量(增加了超过 300,000 倍),而且所提供的功能也是 20 年前无法想象的。

接下来,我们来了解一下新一代 NetApp 存储。在 FAS8000 中,我们增强并完善了 FAS 平台的各个方面,并且在此过程中,我们汲取了过去的精华,构建了非常符合当今企业需求的混合存储系统。FAS8000 旨在帮助您更加快速地开展业务,同时减少管理开销、简化 IT 运营并提高投资回报。

我们一直致力于提高灵活性,因此 FAS8000 可以适应您不断变化的需求,您不必安排计划内停机,而且执行硬件变更也不会造成中断。借助 FlexArray 存储虚拟化软件(本期 Tech OnTap 中一篇文章的主题),FAS8000 还可以虚拟化和管理现有存储阵列,从而将 Data ONTAP® 操作系统的功能扩展到您的存储基础架构中。

在本文中,我将介绍 FAS8000 架构,重点关注我们对处理器、内存、闪存和 I/O 所做的大量改进,从而提供您期望从 FAS 存储中获得的性能、可扩展性、可靠性和灵活性。

FAS8000 简介

对于许多 IT 组织而言,添加存储容量会造成中断。大多数存储系统适用范围非常有限,而且 功能单一,所以最终造成存在大量存储系统、存储孤岛、孤立的容量和更大的管理复杂性。借助 FAS8000 统一横向扩展存储,您可以根据具体业务需求,通过扩展存储环境来 解决上述问题。借助灵活的混合存储选项,您可以为每项工作负载提供最佳加速级别。

由于 FAS8000 兼具创新硬件设计与经验证的集群模式 Data ONTAP 功能和行业领先的管理功能,同时享有面向主流虚拟机管理程序、应用程序以及管理和业务流程工具的无与伦比的 支持,因此它既可提供横向扩展的优势,又不会影响运营所依赖的任何功能。


                         FAS8000 集新一代硬件与集群模式 Data ONTAP、OnCommand 和领先的集成于一体。

图 1) FAS8000 集新一代硬件与集群模式 Data ONTAP、OnCommand 和领先的集成于一体。

横向扩展和纵向扩展

FAS 是唯一一款统一横向扩展存储架构。与前几代产品相同,FAS8000 可根据需要支持 SAN 和 NAS 协议,而且 FAS8000 还是第一款专门为集群模式 Data ONTAP 所设计的 FAS 架构。 所有 FAS8000 型号均可横向扩展到最多 24 个节点。

FAS8000 还提供了重要的纵向扩展功能。您可以根据需要纵向扩展 FAS 控制器,通过添加更多容量、更多不同类型的介质以及安装 Flash Cache™ 智能缓存或更多接口卡来满足具体的存储要求。同时,您可以在不同型号的控制器之间无中断地升级;一直以来,NetApp 客户非常期望借助数据原位升级方式获得性能和容量,而无需中断数据迁移。

借助 FlexArray,FAS8000 系统还可以将现有 EMC、HDS 和 NetApp E 系列存储阵列整合到横向扩展集群中,而无需购买额外的硬件。


                         FAS8000 支持横向扩展、纵向扩展和集成现有阵列。

图 2) FAS8000 支持横向扩展、纵向扩展和集成现有阵列。

混用各代产品并且无需中断即可执行技术更新

如果您已经拥有 FAS 集群,可以将现有节点与 FAS8000 型号集成。这意味着,您可以继续扩展集群,也可以过渡到最新控制器技术,任何情况下都不会造成停机,也不会中断重要的业务运营 (当混合使用各代节点时,集群节点上限由最低级别节点的数量限制决定)。

FAS8000 型号

虽然前几代 FAS 也支持横向扩展,但 FAS8000 是第一代专门针对该用途而设计的平台。理念的转变造就了一个更加精简小巧的产品系列。您可以通过在一个集群中混合搭配控制器(节点)、不同类型介质和网络连接来获得所需的功能 — 性能、容量、存储层、连接性。

FAS8000 系列包括三大型号:FAS8020、FAS8040 和 FAS8060。FAS8020、FAS8040 和 FAS8060 分别取代了 FAS3220、FAS3250 和 FAS6220。

您可以在多达 24 个节点的任意组合中结合使用各个 FAS8000 型号;运行 SAN 协议的集群最多可以包含 8 个节点。您可以利用相同的节点创建同构横向扩展基础架构,也可以利用类型和(或)配置各不相同的节点创建异构横向扩展基础架构。


                         FAS8020 (3U) 和 FAS8040/8060 (6U) 控制器。

图 3) FAS8020 (3U) 和 FAS8040/8060 (6U) 控制器。

每个 FAS8000 机箱最多包含两个控制器,提供单机箱高可用性并保持包装箱高度密集。如 表 1 所示,我们改进了这些平台并显著增加了板载 I/O,从而最大限度地减少附加 I/O 卡需求。
表 1) FAS8000 型号比较。

FAS8060 FAS8040 FAS8020
最大容量 4800 TB 2880 TB 1920 TB
最大磁盘驱动器数 1200 720 480
控制器外形规格 单机箱高可用性;
一个 6U 机箱中装有 2 个
控制器
单机箱高可用性; 一个 6U 机箱中装有 2 个控制器 单机箱高可用性; 一个 3U 机箱中装有 2 个控制器
内存 128 GB 64 GB 48 GB
最大闪存 8 TB 4 TB 3 TB
Flash Pool 最大容量 18 TB 12 TB 6 TB
VST 闪存最大总容量 18 TB 12 TB 6 TB
NVRAM 16 GB 16 GB 8 GB
PCIe 扩展插槽数 8 8 4
板载 I/O:10GbE 8 8 4
板载 I/O:UTA2 (10GbE/16 Gb FC) 8 8 4
板载 I/O:6 Gb SAS 8 8 4
操作系统版本 Data ONTAP 8.2.1 RC2 或更高版本


                         FAS8020 (3U) 和 FAS8040/8060 (6U) 控制器(后视图)。

图 4) FAS8020 (3U) 和 FAS8040/8060 (6U) 控制器(后视图)。

FAS8000 架构

为了将横向扩展设计发挥到极致并在满足前端性能需求的同时,利用后端数据管理和存储效率功能,我们仔细分析了集群模式 Data ONTAP 可以在 FAS 架构中的哪些地方利用更多硬件资源。然后,我们对这些资源进行了相应的优化和调整。我们大幅扩展了几乎每个硬件指标,并提高了整体可靠性、可用性、可维护性和易管理性 (Reliability,Availability,Serviceability,and Manageability,RASM)。

表 2) 全新 FAS8000 型号与前一代型号之间的对比。

FAS8060 FAS8040 FAS8020
取代 FAS6220 FAS3250 FAS3220
核心 2 倍 1 倍 1.5 倍
内存 1.3 倍 1.6 倍 2 倍
内存带宽 1.6 倍 4 倍 3 倍
NVRAM 2 倍 4 倍 2.5 倍
I/O 带宽 2 倍 10 倍 10 倍
闪存(对于 VST) 1.5 倍 3 倍 3 倍以上
整体性能 1.7 倍 1.9 倍 2.3 倍

多核 Sandy Bridge 处理器

十多年来,FAS 架构一直支持多核操作。我们稳步提升了并行处理能力并对 Data ONTAP 进行了调整,力求与 Intel 同步提高核心数量。

FAS8000 利用 Sandy Bridge 架构;每个型号均提供比前一代产品更多和(或)更快的核心。如此一来,这些平台中支持的计算量显著增加,我们可以用来同时推动前端和后端工作。我们与 Intel 密切合作,开发了 Sandy Bridge 中的加密和数据压缩指令,以及支持将单个指令应用到多条数据的高级矢量扩展技术。

内存增强功能

除了强化计算功能之外,我们还显著改进了内存架构,支持更多内存,并且每个型号的内存带宽比所取代的前一代型号高出四倍。

FAS8000 控制器通过每个处理器提供了最大可用内存,从而针对 I/O 请求提供最大吞吐量。 我们实现了每内存通道一个 DIMM 的设计,旨在为内存提供最大带宽 — 这是其他一些 Sandy Bridge 实施的带宽的两倍。FAS8060 能够在内存和核心之间提供 85 GB/秒带宽。

全新 NVRAM 设计

此时,您可能已经开始检测模式。FAS8000 中使用的全新 NVRAM9 架构提供的带宽是 NVRAM8 的两倍,并且在所有型号中大幅增加了容量。由于 NVRAM9 集成在每个主板上,因此不会占用任何扩展插槽。在发生电力故障时,NVRAM 的内容将自动转储到闪存中,所以不管中断持续多长时间,数据都会处于受保护状态。

对于大型顺序写入,FAS8000 上的额外 NVRAM 可以提供特别的性能优势。许多随机 I/O 工作负载也具有顺序写入组件。例如,借助 OLTP,日志记录活动具有顺序性。Data ONTAP 经过调整后,可以针对 FAS8000 上的 OLTP 和类似工作负载对性能进行优化。其他会产生 大量顺序写入活动的应用程序包括备份、媒体应用程序、卫星数据采集和地震数据处理。

I/O:坚实可靠的 PCIe Gen3

I/O 架构是 FAS8000 令我感到特别自豪的一个地方。所有 FAS8000 型号均使用 PCIe Gen3,从而提高了可用 I/O 带宽。FAS8060 提供 80 个 Gen3 通道(6220 中是 72 个 Gen2 通道),将带宽增加了两倍。FAS8040 和 FAS8020 均可提供 40 个 Gen3 通道,内部 I/O 带宽是其前一代产品的 10 倍。

您可能不知道,PCIe Gen3 的发展之路并非一帆风顺。最早的采用者遇到了大量困难,有时会造成系统暂挂,必须关闭并重新打开系统电源。NetApp 工程部门花费两年时间潜心研究 Gen3,找出根本原因并修复了所有问题,最终做到真正无懈可击。

FAS8000 使用 PCIe Gen3,并通过扩展插槽支持添加 I/O 卡和 Flash Cache。FAS8020 的每个控制器配备两个插槽(每个高可用性对四个插槽),而 FAS8040 和 FAS8060 的每个控制器配备四个插槽(每个高可用性对八个插槽)。

板载端口提供更高的灵活性

FAS8000 的 I/O 架构的一个重要方面是板载端口的数量和种类。您作为用户可以享受更灵活的即用型配置,同时保留 PCIe 插槽。相比之下,过去的 FAS 型号在配置方面过于僵化和固定。

每个 FAS8000 控制器主要包括四种板载端口:GbE、SAS、10GbE 和统一目标适配器 2 (Unified Target Adapter 2,UTA2)。FAS8020 在每个控制器中包含两个同一类型的端口(每个高可用性对有四个同一类型的端口),而 FAS8040 和 FAS8060 在每个控制器中包含四个同一类型的端口(每个高可用性对有八个同一类型的端口)。

行业第一款灵活的 UTA2 端口。 我们全新的 UTA2 端口属行业首创。通过更改光纤和设置软件交换机,这些端口可以提供 16 Gb/秒光纤通道(第一款提供该功能的 FAS 平台)或 10GbE。我们相信,不仅现在可以为您提供更高灵活性,未来也是如此。

您可以连接到具有最高可用 FC 带宽的现有 FC SAN;16 Gb FC 也非常适合连接到现有存储并利用 FlexArray 进行虚拟化。如果您目前不需要 FC,可以配置 10GbE 端口,以支持 FCoE 和 iSCSI SAN 连接以及 NFS 和 CIFS/SMB 客户端连接,不会产生丝毫浪费。

全新 UTA2 卡。 如果这些 UTA2 端口的灵活性已让您心动,那么NetApp发布的一款具有相同功能的全新双端口 PCIe Gen3 适配器,一定更让您倾心。您可以将这些适配器添加到 FAS8000,从而支持更多连接方式,而且在 FAS3220、FAS3250 和所有 FAS6200 型号上均受支持。

板载 10GbE。 板载 10GbE 端口用于集群互连或客户端和主机网络连接。FAS8020 使用双集群互连,而 FAS8040 和 FAS8060 支持双互连或四互连,可提供更高的集群带宽。

结合使用板载 UTA2 端口,FAS8000 可以提供大量 10GbE 端口并以全带宽运行这些端口,从而提供任务关键型应用程序和云连接所需的性能以及灵活性。

全新 10GBase-T 卡。 如果您需要更多 10GbE 连接,可以添加 UTA2 适配器(如上所述)或者添加我们现有 10GbE NIC 中的一种。此外,我们的产品组合中还新增了全新 10GBase-T NIC,因此您可以使用 CAT 6A(或更高规格)缆线连接 FAS 系统。这些端口可以在 10GbE 和 GbE 速度之间自动调整。

闪存支持

近几年,NetApp 对闪存产品做出了巨大改进;FAS8000 系列中的大多数全新 FAS 系统均支持混合存储配置,同时结合闪存和 HDD 来提高性能及容量。这意味着,与其他方面的改进一样,我们希望且必须改进 FAS8000 的闪存功能。

混合存储。 您大概已经知道,NetApp 虚拟存储层 (VST) 产品组合 包括丰富的选项,支持您将闪存与传统 HDD 相结合,用作处理热数据的高速缓存。其中包括 Flash Cache 加速器卡(可以安装在每个 FAS8000 控制器上)、Flash Pool 配置(在同一个 NetApp 聚合中结合使用 HDD 和 SSD)以及 Flash Accel™ 服务器缓存(用于服务器端缓存)。

我们显著增加了在 FAS8000 型号中支持的 Flash Cache 和 Flash Pool 的数量。闪存增加多达 3 倍,支持您更快地处理更多工作负载并针对特定要求进一步优化存储配置。

纯闪存聚合和纯闪存配置。 除了 VST 闪存加速,FAS8000 系统还支持完全由 SSD 组成的纯闪存聚合。纯闪存聚合可以与全磁盘聚合和 Flash Pool 聚合一起部署。同时,您还可以采用纯闪存配置来部署 FAS8000 系统。这为您带来了极高的灵活性,可以从单个存储系统或横向扩展集群中提供多层存储。

对于每项事务都需要绝对最低延迟的应用程序来说,纯闪存选项可以提供最佳性能。

纯闪存聚合和纯闪存配置。 除了 VST 闪存加速,FAS8000 系统还支持完全由 SSD 组成的纯闪存聚合。纯闪存聚合可以与全磁盘聚合和 Flash Pool 聚合一起部署。同时,您还可以采用纯闪存配置来部署 FAS8000 系统。这为您带来了极高的灵活性,可以从单个存储系统或横向扩展集群中提供多层存储。

对于每项事务都需要绝对最低延迟的应用程序来说,纯闪存选项可以提供最佳性能。

全系列 SSD 选项。 无论您是部署 Flash Pool 还是纯闪存选项,NetApp 都提供了一系列 SSD 产品组合,其中包括 200 GB、400 GB、800 GB 和 1.6 TB 容量。这样,可以针对您的特定需求更加轻松地配置合适的闪存容量。我们适用于 Data ONTAP 8.2.1 的全新 Automated Workload Analyzer 可以帮助您在部署 Flash Pool 之前准确地了解需要多少缓存,从而更加方便地选择最佳 SSD 配置,为您的工作负载提供支持。

可靠性、可用性、可服务性和可管理性 (RASM)

所有 FAS8000 型号都能够提供 99.999% 或更高的可用性。如您预期,FAS8000 基于前几代的 RASM 功能构建,其中包括磁盘架的备用控制路径以及前文所述的 NVRAM 转储。每个控制器均具有与主控制器逻辑隔离的集成服务处理器,即使当主板上的其余部件发生故障时,仍然可以运行。

完整处理器诊断。 可以通过以太网或串行控制台访问服务处理器,以便在发生问题时进行故障排除。例如,即使处理器已锁定,我们也可以提取其完整状态。相较于前几代 Intel 处理器,Sandy Bridge 可以提供更多信息,因而我们从内嵌在主板或安装在 PCIe 插槽的处理器和各种 I/O 设备中取证调查的能力较之以往有大幅提升。

FAS8000 性能

现在,您已经知道我们对每个 FAS8000 型号中的硬件进行了改进,一个显而易见的问题是,它们的运行状况如何?我们发布了几项有关 FAS8020 和 FAS8040 的基准测试结果,并且我们已经在内部对 FAS8000 性能特征进行了详细的划分。

接下来,我想谈一下基准测试。最近,随着纯闪存阵列的流行,IOPS 被罔顾事实地拔高,而往往忽略了实现给定结果所用的工作负载到底是怎样。有时,您听到的一些难以置信的数值通常与“简单”的工作负载相关联,例如,只包括 512B 到 4KB 的读取;在许多情形下(即使不是大多数情形),都未指定实际工作负载。因而,在谈论性能时,难以做出有意义的比较。

相比而言,SPECsfs SPC-1 是两项密切监控的独立基准测试,基于专门为复制实际应用程序而设计的工作负载。每项基准测试的很大一部分是由写入构成,并且超过 100 万次 IOPS 的数值非常少见,即使是纯闪存配置也不例外。NetApp 在 2011 年年末正式公布 24 节点 FAS6240 每秒执行的 SPECsfs2008_nfs.v3 操作超过 150 万次,如今这一数值仍然领先于参加 SPECsfs NFS 基准测试的其他主要存储供应商。


                         FAS8000 SPECsfs 和 SPC-1 性能结果

图 5) FAS8000 SPECsfs 和 SPC-1 性能结果

SPECsfs

我们针对FAS8020 执行了 NFS 和 CIFS 版 SPECsfs 基准测试。在两种情形下配置均相同:一个双节点 FAS8020 集群(具有 144 个磁盘,每个控制器中装有 1 个 512 GB Flash Cache 2 卡)。

FAS8020 的测试结果强有力地证明了 FAS8000 系列在纵向扩展和横向扩展方面拥有出色的性能,可以提供高吞吐量和极低的延迟。

对于 NFS,FAS8020 实现了每秒 110,281 次 SPECsfs2008_nfs.v3 操作,整体响应时间 (Overall Response Time,ORT) 或平均延迟为 1.18 毫秒。

  • 此双节点配置的测试结果与一个横向扩展竞争产品的 14 节点配置(控制器数量高出 7 倍)的每秒操作数相同,而竞争产品的 ORT 几乎多出三倍。
  • 此配置在每秒操作数高达 65,000 次的情况下实现了亚毫秒级延迟,而在每秒操作数几乎高达 100,000 次的情况下,保持低于 2 毫秒的延迟,展现出接近纯闪存存储的延迟性。

对于 CIFS,FAS8020 实现了每秒 105,050 次 SPECsfs2008_cifs 操作,并且 ORT 为 1.42 毫秒:

  • 此双节点配置的测试结果与一个横向扩展竞争产品的 7 节点配置的每秒操作数相同,而竞争产品的 ORT 多出两倍。
  • 此配置在每秒操作数高达 50,000 次的情况下实现了亚毫秒级延迟,而在每秒操作数几乎高达 85,000 次的情况下,保持低于 2 毫秒的延迟。

SPC-1

我们在 SPC-1 基准测试中对双节点 FAS8040 进行了测试。该配置共包括 192 个磁盘,每个控制器中装有 1 个 512 GB Flash Cache 2 卡,实现了 86,072 次 SPC-1 IOPS。

有关 FAS8040 的这些结果清楚地展示了 FAS8000 混合存储配置的出色性能和低延迟,也充分地证明如果您需要高性能和大容量,那么对于广泛的实际应用程序来说,混合存储可能依然是最佳选择。

线性扩展到数百万次 IOPS

根据内部测试,我们相信 FAS8000 具备了极其出色的线性性能扩展能力。也就是说,如果一个双节点配置的性能达到 X,那么 4 节点将达到 2X,6 节点将达到 3X,以此类推。此外,我们对 FAS8020、FAS8040 和 FAS8060 进行了特别设计,使它们在性能方面均匀间隔。FAS8060 的性能大约是 FAS8020 的两倍,FAS8040 则居于两者之间。内部测试表明,在使用典型 NFS 工作负载的情况下,FAS8060 集群将提供超过 260 万次 IOPS。

借助线性可扩展性,您现在可以为横向扩展集群选择最佳组件,并且随着需求增长在预算范围内自信地以合适的增量添加容量和性能。

满足当前与未来需求的存储

NetApp FAS8000 拥有激动人心的功能。这些集闪存加速与云集成功能于一身的企业级存储系统可以向应用程序和最终用户提供巨大的 I/O,同时执行至关重要的数据管理任务,确保 IT 运营和业务顺利开展。我们致力于在更加小巧的外形规格中提供出色的灵活性,针对当今不断变化的 IT 环境构建独一无二的存储组件,无需中断业务便可进行扩展,从而适应未来需求。

 对 FAS8000 有任何见解?

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NetApp 高级技术总监兼平台架构师 Steven Miller

Steven担任 NetApp 平台架构师已六年有余,负责 FAS3100、FAS3200、FAS6200、FAS2240、FAS2220 和 FAS8000,以及性能加速模块 (PAM) 和 Flash Cache (PAM II) 等产品。他还是 NetApp 工程部与国家安全局、国家地理空间情报局及中央情报局的联络人。Steven 目前是多个 IEEE 和行业团体的成员。他曾在存储和高性能计算领域荣获 38 项已授权的专利,另外还有 16 项专利正在申请中。

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