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NetApp 與 Red Hat 共同開發 pNFS
Pranoop Erasani
NFS 技術主管
Justin Parisi
技術行銷工程師

對於科學、工程、商業和金融應用而言,存取共享的資料是相當重要的要求。NFS 是目前最廣泛採用的共享資料存取標準,它可能成為大規模運算叢集的瓶頸,導致做為共享檔案系統所有檔案單一存取點的檔案伺服器承受極大負擔。

提供高效能共享資料存取的大多數解決方案幾乎都是專屬解決方案,無法提供 NFS 等標準傳輸協定所具備的異質系統支援及廣泛採用。

平行 NFS (pNFS) 標準是 NFS 4.1 版傳輸協定規格 (RFC 5661) 的子功能,能夠因應單一伺服器的瓶頸,並可望成為平行資料存取的標準化解決方案。本文將解說 pNFS 的運作方式,探討 NetApp 與 Red Hat 開發 pNFS 的成果,並說明 pNFS 如何運用於叢集式 NetApp® Data ONTAP®

什麼是 pNFS?

pNFS 傳輸協定能夠讓用戶端直接存取分佈在兩個(含)以上資料伺服器上的檔案。由於可平行存取多個資料伺服器,因此用戶端能夠達到顯著的 I/O 加速效果。pNFS 傳輸協定可按照個別用戶端和個別檔案而靈活調整效能,而且向下相容於標準 NFS 傳輸協定;沒有 pNFS 擴充元件的用戶端仍然能夠存取資料。

pNFS 架構及核心傳輸協定

pNFS 架構包含三個主要元件:

  • 中繼資料伺服器處理所有非資料的流量。它負責維護用以描述各個檔案儲存位置及方式的中繼資料。
  • 資料伺服器儲存檔案資料,並直接回應用戶端的 READ(讀取)及 WRITE(寫入)要求。檔案資料可以分佈在多部資料伺服器上。
  • 一或多個用戶端可依據來自中繼資料伺服器的中繼資料所含資訊,直接存取資料伺服器。 在用戶端、中繼資料伺服器與資料伺服器之間,共使用三種傳輸協定。
  • 控制傳輸協定用來同步中繼資料伺服器與資料伺服器。pNFS 規格並不定義此作業,因此會因供應商不同而有所差異。
  • pNFS 傳輸協定用於用戶端與中繼資料伺服器之間,主要是使用 NFSv4,以及一些 pNFS 專用的擴充元件。這用來擷取並操控配置,其中包含的中繼資料會描述存取多部資料伺服器上儲存檔案所需的位置和儲存存取傳輸協定。
  • 一組儲存存取傳輸協定,由用戶端用來直接存取資料伺服器。pNFS 標準目前定義了三種儲存傳輸協定:檔案型 (RFC5661)、區塊型 (RFC5663) 及物件型 (RFC5664)。叢集式 Data ONTAP 目前支援檔案型儲存傳輸協定,並使用 NFSv4.1 來存取資料伺服器。

pNFS 的要素:用戶端向中繼資料伺服器要求配置(pNFS 傳輸協定),然後直接存取資料伺服器(儲存存取傳輸協定)。

圖 1)pNFS 的要素:用戶端向中繼資料伺服器要求配置(pNFS 傳輸協定),然後直接存取資料伺服器(儲存存取傳輸協定)。

若要存取檔案,用戶端將聯繫中繼資料伺服器開啟檔案,並要求檔案的配置。一旦用戶端收到檔案配置,便會使用這些資訊,以適當的儲存存取傳輸協定直接對資料伺服器進行平行 I/O 讀寫,完全不需要中繼資料伺服器的介入。pNFS 用戶端將快取配置,直到平行 I/O 作業完成為止。如果伺服器無法確保能夠平行存取伺服器,pNFS 伺服器有權撤銷檔案的配置。此外,pNFS 也不會為了中繼資料存取,而對 NFS 伺服器提供的目前機制進行修改。

NetApp 與 Red Hat 共同開發 pNFS

pNFS 解決方案需要用戶端及伺服器元件才能運作。NetApp 與 Red Hat 聯合上游社群進行廣泛的合作,推出第一套以標準為基礎的端點對端點 pNFS 產品。

NetApp 結合儲存叢集與 pNFS,以因應擴充時所面臨的挑戰。執行叢集式 Data ONTAP 8.1(含)以上版本的 NetApp FAS 與 V-Series 儲存設備,能夠從數 TB 擴充為 69 PB,而且能夠以單一儲存實體的形式進行管理,如此不僅簡化了 pNFS 環境的管理工作,並有助於消除計劃性及非計劃性停機時間。

Red Hat Enterprise Linux® 在市場上率先推出受到完整支援的 pNFS 用戶端,透過這個用戶端,即可開始規劃並設計以 pNFS 為基礎的新一代可擴充檔案系統解決方案。應用程式工作負載完全不需要修改,就能充分運用 pNFS,使現有的應用程式能夠順利移轉。

pNFS 與叢集式 Data ONTAP

NetApp 從叢集式 Data ONTAP 8.1 開始實作 pNFS(沒有 7-Mode 或 Data ONTAP 7G 實作),叢集式 Data ONTAP 的 pNFS 實作有幾項優點:

  • 簡化基礎架構:pNFS 的整體基礎架構比其他的平行檔案系統更簡單,例如 Lustre 和 GPFS,這些平行檔案系統需要許多專用的伺服器和儲存設備。
  • 增進管理能力:一般而言,pNFS 包含多個必須個別管理的檔案伺服器。叢集式 Data ONTAP 可讓您以單一系統的形式管理所有的伺服器端 pNFS 元件。
  • 不中斷營運:NetApp 叢集上的 pNFS 安裝就像其他任何工作負載一樣,在維護和負載平衡(含儲存設備容錯移轉、LIF 移轉、不中斷磁碟區搬移等等)時,仍能不中斷運作。
  • 所有節點均可做為中繼資料伺服器:在叢集式 Data ONTAP 實作中,儲存叢集中的各個節點均可做為中繼資料伺服器及資料伺服器。這能夠消除使用單一中繼資料伺服器而可能造成的瓶頸,並有助於在叢集內分配中繼資料作業。

Data ONTAP 上的 pNFS 相較於 NFS,各個節點均可做為中繼資料伺服器與資料伺服器。

圖 2)Data ONTAP 上的 pNFS 相較於 NFS,各個節點均可做為中繼資料伺服器與資料伺服器。

若要瞭解 pNFS 如何搭配叢集式 Data ONTAP 使用,可以將它想像成客戶掛載叢集一個節點中的 pNFS檔案系統。若要存取檔案,它便會將中繼資料要求傳送到該節點。pNFS 實作會收集並傳回資訊,包括抵達該處所需的位置、檔案配置和網路資訊。用戶端可使用這些資訊來直接存取資料所在的一或多個節點以取得資料。pNFS 提供磁碟區的直接路徑,可讓應用程式提高處理量和降低延遲。

pNFS 緊密整合了叢集式 Data ONTAP 的不中斷營運功能,例如 LIF 移轉、儲存設備容錯移轉及磁碟區搬移。當進行上述其中一項作業時,pNFS 用戶端和伺服器將自動協調取得伺服器新的直接 I/O 路徑,以協助維持相同的處理量,避免造成應用程式中斷。這對於儲存設備管理員有極大的助益,因為進行叢集的維護作業時,不需要明確配置檔案的網路路徑。因此,pNFS 搭配叢集式 Data ONTAP 不僅能夠提升效能,且能簡化維護作業期間的管理工作流程。配置並部署大型叢集時,這點已經成為不可或缺的要件。

如果不使用 pNFS,中繼資料和資料的路徑將或多或少變成靜態路徑。使用 pNFS 之後,中繼資料服務將分散到多個節點上,而資料路徑將導向儲存檔案之節點本身的網路介面。當資料移動時,資料路徑將會自動調整,因此可達到最佳效能。

圖 3)如果不使用 pNFS,中繼資料和資料的路徑將或多或少變成靜態路徑。使用 pNFS 之後,中繼資料服務將分散到多個節點上,而資料路徑將導向儲存檔案之節點本身的網路介面。當資料移動時,資料路徑將會自動調整,因此可達到最佳效能。

最佳實務做法

請注意這些最佳實務做法,以協助達到最佳 pNFS 效能:

  • 請參閱 NetApp 互通性對照表,瞭解 NFSv4.1 和 pNFS 用戶端的最新相容性資訊。
  • 應該至少以一個邏輯介面 (LIF) 來設定用以支援 pNFS 的各個叢集節點,以便 pNFS 用戶端能夠存取直接儲存於該節點的磁碟區。
  • 對於中繼資料密集的工作負載,應該設定 pNFS 用戶端,以便在叢集所有的節點分散掛載,並將其全部做為中繼資料伺服器之用。使用外部循環配置網域名稱伺服器 (DNS) 或叢集式 Data ONTAP本身的 DNS 負載平衡,即可完成這一點。

如需在 NetApp 儲存設備中部署 pNFS 的詳細資訊,請參閱 TR-4063

Red Hat pNFS 用戶端

Red Hat pNFS 用戶端於 2011 年的 Red Hat Enterprise Linux (RHEL) 6.2 版核心中首度面世。RHEL 6.2 與 RHEL 6.3 同屬 pNFS 的「技術預覽」版本。

2013 年 2 月推出的 RHEL 6.4 則含有 pNFS 的一般可用版。如需 Red Hat 用戶端搭配執行 NFS 或 pNFS 的 NetApp 儲存設備一併使用的完整資訊,請參閱 TR-3183。(此技術報告目前還在修訂中,本文發佈時可能尚未完成。請持續注意最新消息。)

pNFS 使用案例

除了適用於高度平行的科學與工程應用程式,pNFS 的獨特功能也適用於各種企業使用案例。

業務關鍵應用程式

依照定義,業務關鍵應用程式需要最高的服務層級。儲存頻寬及容量必須隨著伺服器需求增加而無縫順暢擴充。NetApp 儲存磁碟區以透明化的方式移轉到 NetApp 叢集中更強大的控制器之後,Red Hat Enterprise Linux pNFS 用戶端將自動跟進資料搬移、自我調整,然後重新最佳化資料路徑。完全不需要重新配置伺服器或應用程式,因此能夠達到近乎不停機的效果。

多租戶儲存解決方案

能夠進行平行資料存取,代表多重租戶的異質工作負載可以直接受惠於 pNFS。資料位在 NetApp 叢集上,但不繫結於特定的 NetApp 控制器。透過 pNFS,Red Hat Enterprise Linux 伺服器即可找到最佳的資料路徑,並自動調整為最佳的處理量。

混合式用戶端及工作負載

NFSv4.1 與 pNFS 能夠從叢集命名空間的任何位置來靈活掛載檔案系統。您可將叢集式應用程式掛載於 pNFS,而繼續將舊版應用程式掛載於 NFSv3。從儲存設備匯出的檔案系統可將用戶端掛載不同的 NFS,因此能夠同時並存,完全不需要大幅變更存取資料的應用程式。如此優異的靈活度將可降低經常變更管理的成本。

虛擬化環境

使用 Red Hat Enterprise Linux pNFS 用戶端的 Hypervisor 及虛擬機器,能夠在各個工作階段維持多個連線,以便將負載分散到多個網路介面。這就像是 NFS 的多重路徑,完全不需要個別的多重路徑驅動程式或組態。

結論

NetApp 一直致力於開發 NFSv4.1 及 pNFS,使工作小組的成果能夠發揮綜效。此外,NetApp 制定並編輯 NFSv4.1 規格的主要內容。這與我們承諾使用業界標準來解決儲存問題的理念一致。

透過 RHEL 6.4 最新推出的 pNFS 用戶端一般可用版,您現在能夠合併使用 Red Hat 用戶端及叢集式 NetApp Data ONTAP,順利部署 pNFS 以進行測試及 / 或正式作業。

 對於 pNFS 有任何意見嗎?

您可以透過網路,在 NetApp 社群上提出問題、交換意見,並分享您的想法。

作者:Pranoop Erasani | NFS 技術主管,Justin Parisi | 技術行銷工程師

Pranoop 是 NetApp 傳輸協定技術工程部門的首席 NFS 架構設計師,主導 Data ONTAP 的 NFS 傳輸協定開發,負責建立叢集式 Data ONTAP 的 pNFS 架構。Pranoop 大力倡導在叢集式系統中運用 NFSv4.1/pNFS。本身參與許多關於 pNFS IETF 標準的討論,並經常在 NFS 互通性活動中發言。在持續性客戶部署和儲存軟體解決方案的技術行銷及產品管理方面,他則擔任關鍵的技術顧問一職。

Justin 在 RTP 工作,過去 5 年服務於 NetApp 全球支援服務部,擔任技術支援工程師及重大問題解決提報工程師。他特別鑽研叢集式 Data ONTAP,並撰寫疑難排解課程教材和許多知識庫文章。他的興趣相當廣泛,包括 CIFS、NFS、SNMP、OnCommand® System Manager、Unified Manager、SnapDrive® 和 SnapManager®,以及 Microsoft® Exchange、SQL Server®、Active Directory®、LDAP 等,因此能夠掌握各方面的 NetApp 知識。

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