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纯闪存 FAS:深度剖析
Saurabh Modh
NetApp 产品经理
Chetan Khetani
NetApp 高级产品经理

市场上形形色色的纯闪存存储阵列以及关于一些产品的炒作已令人眼花缭乱。而事实上,纯闪存阵列真正的衡量标准只有四个:性能、存储效率、可用性和数据管理。

您或许还不太了解我们的纯闪存 FAS 存储系统,它们拥有极佳的性能和存储效率。再考虑到经验证的 FAS 硬件可用性以及由我们的 Data ONTAP® 操作环境提供支持的数据管理功能生态系统,您会发现这一组合几乎无懈可击。

在本文中,我们将揭开纯闪存 FAS 的神秘面纱。具体来说,我们将讨论纯闪存 FAS 的正确定义(以及错误概念)、Data ONTAP 是如何针对闪存进行优化的、我们如何提供全面的存储效率,以及纯闪存 FAS 在 VDI 和数据库这两种常见用例中的表现。我们还会谈到纯闪存 FAS 与 EF 系列纯闪存产品的适用情形。

纯闪存 FAS 介绍

NetApp 提供纯闪存 FAS 配置已有几年时间。但是,2014 年初发布的 FAS8000 和最近发布的 FAS8080 EX 才真正标志着纯闪存 FAS 时代的到来。这些平台采用最新的 Sandy Bridge 和 Ivy Bridge CPU 构建而成,可提供纯闪存阵列所需的原始计算性能、I/O 带宽和高速网络连接。(如果您还不熟悉 FAS8000 型号,请单击图中的超链接以了解更多信息。)

顾名思义,纯闪存 FAS 系统就是配置有 SSD 磁盘架的 FAS 控制器。您可能拥有同时包含 SSD 和 HDD 的 FAS 系统,但这并不是纯闪存 FAS。任何 FAS 型号均可配置为纯闪存 FAS 系统,但 FAS8000 系列是最佳配置。

纯闪存 FAS 的出色之处在于,它能够提供人们希望通过 FAS 硬件和 Data ONTAP 软件获得的所有功能。如果您已经拥有 FAS 集群,则可以轻松添加纯闪存 FAS,无中断地迁移现有工作负载,并立即获得纯闪存的优势。如果您已经是 NetApp 的客户或正在考虑购买 NetApp 解决方案,纯闪存 FAS 可为您提供纯闪存性能以及集群模式 Data ONTAP 的所有优势,其中包括:

  • 统一存储:纯闪存 FAS 配置在支持 SAN 和 NAS 工作负载方面均游刃有余。其他纯闪存阵列几乎都只适用于 SAN。NetApp 最近被 IT Brand Pulse 评为 2014 年纯闪存 NAS 类别的领导者。
  • 借助数据移动性实现横向扩展:纯闪存 FAS 配置通过横向扩展最高可以支持 24 个节点、数 PB SSD 容量以及几百万次 IOPS。至于其他一些领先的纯闪存阵列,大都在未来的增强计划中才涉及到横向扩展。您可以单独使用纯闪存 FAS 进行横向扩展,也可以结合使用纯闪存和混合 FAS 系统并且无中断地将数据集移至纯闪存系统,从而获得最高性能。
  • 无中断运行:您无需中断正在运行的应用程序,便可执行所有维护、软件和硬件升级(包括全面技术更新)。
  • 经验证的可用性:纯闪存 FAS 集经验证的 FAS 硬件(客户安装数量已达数十万)和 Data ONTAP 操作环境于一体,经过 20 年的持续发展,该组合的抗故障能力不断得到强化。实地测量的可用性稳定地保持在 99.9999%。
  • 服务质量:通过内置的 QoS,您可以针对文件、卷、LUN 或整个 Storage Virtual Machine (SVM) 设置性能限制,以便优先处理最重要的工作负载。
  • 全面的存储效率:全面的存储效率技术组合(包括重复数据删除、数据压缩、精简配置、克隆和其他技术)能够增加有效容量,因此您可以用更少的存储空间存储更多数据。(后面的部分将介绍更多信息。)
  • 集成数据保护:NetApp 多年来一直致力于开发数据保护功能。易管理、高效、节省空间是所有技术的共性,能够为纯闪存 FAS 带来显著优势。例如,为了进行灾难恢复,您可以将昂贵的闪存介质复制到价格较低的 HDD,从而节省资金。
  • 出色的应用程序集成:您的存储系统需要与您平时使用的应用程序和软件工具配合工作。Data ONTAP 是第一品牌存储操作系统,不仅拥有更加广泛、更加深入的应用程序集成,还有合作伙伴网络提供支持。

Data ONTAP 已针对闪存进行优化

您可能听过这样一种说法:由于 Data ONTAP 的出现早于闪存,因此其设计无法满足闪存 SSD 的特有需求。但事实上,Data ONTAP 的任意位置写入文件布局 (Write Anywhere File Layout, WAFL)、扩展功能以及功能集非常适合纯闪存环境。纯闪存 FAS 提供了可预测的低延迟。不仅实现了极低的平均延迟(1 毫秒),还将延迟变化减至最低。这种高度一致性对应用程序非常有益。

我们提供了用于全面性能监控的工具,可帮助您实现最大投资价值,而且 Data ONTAP 进行了大量优化,特别适合与闪存配合使用。

充分利用所有核心

毫无疑问,加速处理纯闪存工作负载需要很高的计算性能。正如我们所见,FAS8000 系列可提供这种原始动力。我们在 Data ONTAP 上投入了大量精力,确保充分利用多核处理器中的所有可用核心,并且可以跨所有核心无限制地调度进程。这缩短了 CPU 整体延迟,使我们能够同时支持前端工作负载和后端数据管理任务(例如备份和复制)。

运行集群模式 Data ONTAP 8.2.2 的纯闪存 FAS8080 EX 的 CPU 利用率。在数据库性能测试中,当接近最大负载时,所有核心的利用率均等。

图 2) 运行集群模式 Data ONTAP 8.2.2 的纯闪存 FAS8080 EX 的 CPU 利用率。在数据库性能测试中,当接近最大负载时,所有核心的利用率均等。

高效使用核心可带来更高的每核心 IOPS。这一结论源自以下事实:与竞争性横向扩展平台相比,FAS 架构可提供高出 5 倍的每核心 IOPS。(对于上述基准测试,两个平台均使用了混合存储配置。)

经过优化的写入性能

随机写入操作会影响 SSD 的使用寿命。众所周知,闪存的写入前擦除行为可能产生包括写入放大在内的负面影响,会导致写入性能下降和设备寿命缩短。Data ONTAP 包含一系列优化,有助于增强 SSD 和 HDD 的写入性能。

  • NVRAM 加快写入速度 传入的写入操作在内存中进行处理,由 NVRAM 提供保护,并立即向客户端或主机进行确认,从而实现极其快速的写入响应。对 SSD 的写入不在关键延迟路径上
  • 经过优化的写入 在转存到 SSD 之前,所有写入都将在内存中合并。写入元数据与用户数据一并写入,从而最大限度地减少向 SSD 提交数据所需的操作数。跨 SSD 的写入条带化可获得最高性能,并减少 SSD 耗损不均的情况
  • 不会覆盖数据块 收到覆盖命令时,总是将数据块写入一个新位置。现有数据块(数据和元数据)永远不会重新写入同一个位置

这种功能组合减少了随机写入对纯闪存 FAS 中 SSD 的影响:

  • 减少了 SSD 在收集垃圾时需要移动的数据
  • 减少了达到既定写入吞吐量水平所需的“工作量”
  • 减少了写入放大并延长了 SSD 的使用寿命
  • 提升了系统级性能
  • 减少了写入工作量,因而对于混合读/写工作负载,可实现更加一致的读取延迟

NetApp 之所以能够提供不规定任何损耗均衡限制的 SSD 保修,正是因为这些优化。稍后您还会看到,纯闪存 FAS 如何极为高效地处理写入密集型工作负载(例如 VDI)。

出色的数据完整性功能

闪存的另一个特点是,随着闪存单元的逐渐老化,可能面临一些干扰和丢失。Data ONTAP 可提供全面的保护,防止数据丢失并确保数据完整性:

  • 双奇偶校验 RAID 保护
  • 内存和磁盘块级校验和
  • 全面的丢失写入检测和更正,可避免无提示数据损坏
  • SSD 级坏块管理
  • 持续擦除介质,可检测并更正错误

全面的存储效率

如果要选择在纯闪存市场上炒作已达白热化的一个领域,无疑是存储效率。因为相对于 HDD 而言,闪存存储容量比较昂贵,所以这种炒作并非没有原因:通过存储效率“节省”的容量越多,在存储上花费的资金就越少。

毫不夸张的说,NetApp 开创了现代存储效率背后的许多理念。从一开始,我们就致力于开发帮助您存储和保护更多数据的技术,这当然也是 Data ONTAP 成为第一品牌存储操作环境的原因之一。

如果您已阅读过 Tech OnTap® 文章,那么您可能已经非常了解 NetApp® 的存储效率。下面提供了一个比较完整的列表(其中大部分带有指向往期 Tech OnTap 相关技术文章的链接):

(另请参阅集群模式 Data ONTAP 中的存储效率,了解关于上述所有技术的最新信息。)

有一点很关键,所有这些技术旨在共同协作,相得益彰。例如,如果您复制一个经过重复数据删除和数据压缩的卷,副本将处于相同的状态。

我们始终坚持高于某些竞争对手的标准(他们引用的数字可能来自经过特别筛选的几个客户),我们确信,纯闪存 FAS 平均可提供 5:1 的有效容量。这一数字来自从多年来安装的数十万设备中收集的数据。当然,与很多情形一样,您的实际结果将取决于数据集和工作负载的特征。虚拟化环境通常会超过这一数字(一般为 10:1),而数据库环境则要低一些 (2:1)。

纯闪存用例

纯闪存 FAS 的两种主要用例是虚拟桌面基础架构 (Virtual Desktop Infrastructure, VDI) 和数据库。因为 VDI 具有很高的写入要求,而数据库工作负载往往侧重于读取性能,因此这两种用例也能说明纯闪存 FAS 的功能。

VDI

我们针对整个 FAS8000 产品系列进行了大量 VDI 测试,基于写入和读取比例分别为 80% 和 20% 的工作负载测量了稳态性能和突发性能。在图 3 中,我们可以看到在四种型号之间分布均匀。图中还显示了知名竞争产品 XtremIO 的数据作为参考。您可以看到,FAS8060 的性能与 XtremIO 旗鼓相当,而 FAS8080 EX 的性能则要高出 30%。

 纯闪存 FAS 与竞争产品之间的 VDI 性能对比。

图 3) 纯闪存 FAS 与竞争产品之间的 VDI 性能对比。

我们测试使用的写入大小平均为 12 KB,读取大小平均为 16 KB,而竞争对手使用的块大小为 8 KB。不同的块大小是由我们的测试方法决定的。我们使用了行业标准负载测试工具 Login Virtual Session Indexer (Login VSI) 来测试虚拟桌面基础架构的性能和可扩展性。有关 FAS8060 的 VDI 测试的完整详细信息,请参阅 TR-4307:《适用于 VMware Horizon View 的 NetApp 纯闪存 FAS 解决方案》

测试结果表明,FAS8060 拥有足以支持 4,000 个桌面(采用 HA 故障转移)的性能余量,每桌面成本为 55 美元。 这一价格对于 VDI 而言非常具有竞争力。

虽然基准测试很有价值,但我们还必须了解真实 VDI 客户选择纯闪存 FAS 的原因:

  • 在对主要纯闪存供应商进行评估之后,一家大型保险和投资公司选择在其 Citrix VDI 环境中使用纯闪存 FAS。他们最后之所以选择了纯闪存 FAS,是因为它完美结合了经验证的性能和集群模式 Data ONTAP 提供的集成数据管理功能(包括 SnapMirror® 复制、FlexClone® 和执行无中断 DR 测试的功能)。
  • 一家临床服务提供商选择使用纯闪存 FAS 来处理包括 VDI 环境和电子病历 (Electronic Medical Record, EMR) 在内的所有应用程序。对他们来说,加快数据访问速度可以改善病患护理质量。

数据库

对于数据库,我们采用 100% 随机读取的工作负载进行了性能测试。图 4 显示了性能测试结果,其中包括两款竞争产品的数据。FAS8060 的性能与这两款竞争产品的最高性能不相上下,而 FAS8080 EX 的性能则优于这两款产品。即将推出的 Data ONTAP 增强功能预计可以将读取性能进一步提高多达 50%(具体取决于工作负载的情况)。

纯闪存 FAS 数据库性能与几款竞争产品的公开数据的对比。

图 4) 纯闪存 FAS 数据库性能与几款竞争产品的公开数据的对比。

下表提供了更多详细信息。您可以看到,在每 IOPS 成本和每 GB 成本方面,FAS8080 EX 明显优于竞争产品。即便不考虑经验证的平台可用性或丰富的数据管理功能等因素,这些测量结果也能说明 FAS8080 EX 非常具有竞争力。

表 1) 纯闪存 FAS8060 与竞争产品在数据库工作负载方面的对比。

纯闪存 FAS8060 与竞争产品在数据库工作负载方面的对比。

当然,数据库客户选择纯闪存 FAS 的理由各不相同:

  • 一家大型连锁酒店选择纯闪存 FAS 来处理其预订系统,以满足全新在线预订系统的性能需求。他们选择纯闪存 FAS 是因为看中了其备份和数据管理优势。
  • 某政府客户需要加快 SQL Server 的速度。他们每天要将 6 TB 数据存入数据仓库,因此对于他们而言,吞吐量与 IOPS 同等重要。纯闪存 FAS 测试显示,通过两个节点,它可提供 4.4 Gb/秒的吞吐量,这一数字几乎是最主要竞争产品性能测量结果的三倍。该客户还需要一个 DR 副本和若干开发副本,通过使用 SnapMirror 和 FlexClone,只需极少的存储(和网络)开销即可轻松满足这一需求。
  • 一家国际银行选择使用纯闪存 FAS 同时支持 VMware® 和高性能 SQL Server 应用程序。作为 NetApp 的现有客户,他们早已认识到 SnapVault® 和 SnapMirror 的价值,因此选择起来非常简单。总体而言,在采用纯闪存 FAS 后,银行的整体应用程序响应能力提高了 8 倍。

选择正确的纯闪存产品

至此,您应该已经非常清楚,纯闪存 FAS 系列产品能够很好地实现纯闪存阵列的所有功能,提供强大的综合性能、全面的存储效率、经验证的可用性以及丰富的数据管理功能。在集群中与其他 FAS 配置结合使用时,您可以根据需求变化轻松地将工作负载移入/移出纯闪存,也可以使用价格更低的 HDD 存储提供二级数据副本。

但是,纯闪存 FAS 并不是我们的唯一法宝。我们还提供了 EF 系列纯闪存阵列。我们以前介绍过 EF540EF550

在通过应用程序进行数据管理的情形下,EF 系列非常适合处理 I/O 密集型工作负载。例如,在许多 Oracle 环境中,备份和 DR 由 Oracle 自行处理,而纯闪存阵列则需要以合适的价位实现强大的性能和可靠性。EF550 支持超过 40 万次 IOPS 和亚毫秒级延迟,以及高达 12 Gb/秒的吞吐量。

纯闪存 FAS 在 VDI 和数据库环境中的表现尤其出色,而且对于可以受益于存储效率、NAS 和 Data ONTAP 的数据管理功能的情形,它不失为理想选择。现有 FAS 客户会发现,它的管理和操作与所有其他 FAS 系统并无二致,所以采用起来非常轻松。

 您是否对纯闪存 FAS 有自己的看法?

请在 NetApp 社区中在线提出问题、交流观点、分享看法。

By Saurabh Modh, 产品经理, NetApp

Saurabh 是 NetApp FAS 系统团队的一名产品经理,主要负责纯闪存 FAS、FAS3200 和 FAS6200 存储系统。加入 NetApp 之前,Saurabh 曾在 Oracle 担任项目主管,从事 Oracle Enterprise Manager 的软件开发工作。Saurabh 拥有华盛顿大学福斯特商学院的 MBA 学位。

By Chetan Khetani, 高级产品经理, NetApp

Chetan 负责 Data ONTAP 中与闪存相关的所有业务,包括近年来增加了 10 倍的纯闪存 FAS 和混合存储解决方案。他是 NetApp 贵宾体验中心的常驻撰稿人,由于表现突出,最近还被评选为季度发言人。加入 NetApp 之前,Chetan 曾在 Cisco 工作 11 年,主攻网络虚拟化、深度数据包检测以及基于上下文的基础架构等技术方向。Chetan 拥有 MBA 学位和管理信息系统专业的硕士学位。

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