HPE Nimble 學習手扎-1

2021/05/14

HPE Nimble 學習手扎-1
CASL™ (Cache Accelerated Sequential Layout)

談到HPE Nimble Storage產品,首先要了解其專利系統架構CASL (Cache Accelerated Sequential Layout,快取加速循序布局),這也是Nimble Storage兼具高效能與高儲存效率、資料保護以及簡易管理背後的重要基礎。

如同CASL字面上的意思,Nimble Storage文件系統是為了充分利用混合儲存而專門設計編寫的,目的在融合儲存的高速緩存「讀取」和傳統硬碟「循序寫入」的優勢,提供容量和性能優化的強大組合

那麼,我們以下圖為例,說明前端伺服器如何將應用系統的數據寫入Nimble Storage :



 

1. 各種前端不同的應用,發出不同區塊大小的寫入需求

2. 系統將收到不同大小的區塊寫入需求記錄在主要活動控制器上受超級電容保護的NVDIMM中,系統將活動控制器NVDIMM中的資料同步至備援控制器NVDIMM上。

3. 系統回覆前端伺服器已完成寫入流程

4. NVDIMM的寫入數據複製到DRAM中,執行可變區塊重複資料刪除流程(Nimble支援可變區塊,不必將數據分解為較小且固定容量的塊)

5. 執行可變區塊壓縮流程(使用速度與壓縮比兼具的LZ4技術)

6. 如果有啟動加密功能,將執行數據加密(AES-256)

7. 最後將大量隨機寫入數據轉成少量大型的循序寫入數據放入三重奇偶校驗陣列條帶(Stripe)中,避開硬碟的隨機寫入瓶頸。

8-9. 將條帶放到數據層SSD / HDD磁盤中(透過這樣的方式除了可以提升寫入效能外,更大幅度地減少寫入次數需求,進而延長固態磁碟壽命)

10. 透過Nimble二十幾種的專利系統技術判斷,會將有價值的數據預先複製到緩存(SCMSSD)中,在DRAM中產生索引,另一份索引副本產生在SCMSSD(透過這樣獨特的技術,可以讓緩存中的隨機讀取快取命中率保持在95%以上)

看完了資料寫入流程,接著來看看資料如何讀取吧!



 

1. 讀取數據時,優先檢索NVDIMM (因為有很大的機率在數據寫入時馬上被讀取)

2. 如果找不到,接下來會檢索DRAM

3. 如果找不到,將使用索引資料從SCM SSD緩存快取中進行查找。(官方專利技術讓NVDIMMDRAMSCM/SSD這三層緩存的隨機讀取快取命中率保持在95%以上)

4. 如果還是找不到,最終將從儲存層磁碟進行查找,由於數據是以循序條帶方式寫入,讀取時有很大的機率將條帶的數據一併檢索,將有助於提高讀取性能、減少查找的時間。

5. 如果這些返回的數據被系統判斷值得緩存,則數據與其周圍的相關塊也將被寫入緩存,以加快後續的應用程序讀取請求。


看到這裡,有經驗的使用者會問,數據都以條帶方式寫入儲存,那麼修改數據是否會出現條帶破碎/孔洞的現象?

答案是不會的,CASL文件系統不會填補條帶中的破碎/孔洞,而是使用輕量級的掃描引擎,將破碎/孔洞條帶於背景中轉成完整的條帶,使陣列始終以完整的條帶寫入數據,保持最佳效率並最大化減少因空間不足而造成碎片化的效能影響。

     無論用戶使用的Nimble是全閃存還是混合系統,CASL的行為都是相同的;更重要的是,沒有浪費資源與增加儲存磨耗的資料分層,一切都由系統及時在線執行,無需使用者調整或干預。


 

重點整理

1. 數據寫入優化的數據佈局
CASL收集並合併陣列的大量隨機寫入,經過重複資料刪除與壓縮後,將它們轉成少量大型的循序寫入磁盤,不但降低固態磁碟的磨耗,更成功的讓混合儲存的寫入速度比傳統磁盤的存儲快了近百倍。

2. 支援可變區塊大小
CASL不必像其他儲存將數據分割成固定的塊大小,而是支援應用程式最適合的塊,沒有塊與扇區對齊的問題,提升了應用程式的存取效能。

3. 在線重複資料刪除與壓縮
儲存資料之前,使用高效率的變動區塊重複資料刪除與壓縮演算法,搭配多核心處理器與精簡配置技術,能在不影響效能與延遲的狀態下,於相同的儲存空間內儲存更多的數據資料。

4. 專利動態快取技術
Nimble專利動態快取緩存技術,能追蹤讀取行為模式並決定是否將從磁盤提供的數據保存在更高級別的緩存中,讓95%以上隨機讀取數據都來自NVDIMMDRAMSCM/SSD閃存上,可在各種要求苛刻的企業應用程序中提供毫秒級的讀取延遲和提供高吞吐量。

5. CASLCPU驅動效能的儲存架構,可以有效利用CPU創造高IO與低延遲,效能不再取決於磁碟轉速與數量。





資料來源: HPE NIMBLE STORAGE ARCHITECTURE Technical white paper

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