閃存存儲設備的高速度已經改變了應用連接數據的方式，同時也預示著老舊存儲設備的末日要來了。

直面存儲系統的瓶頸

由于虛擬化技術的出現，服務器端的計算效率和靈活性獲得了突飛猛進。然而，存儲端方面的速度卻一直停滯不前。實際上，存儲世界與磁帶剛開始統治數據中心的時代相比并沒有做出非常大的改變。因此，我們發現自己處在這樣一種形式之下：數據中心內其中一部分堆棧的效率相比另外一部分有著明顯的提高。更為糟糕的是，這一弱勢群體在架構上就無法采用最新出現的存儲領域的創新，也就是閃存技術。

作為對上述形式的回擊，類似谷歌和臉譜之類的技術巨頭已經開始建立自己研發的可擴展和低成本的系統，但是這類創新還沒有找到進入企業級數據中心的路。同時，存儲市場還是被那些銷售磁盤容器的廠商所占據。而這類短期內的解決方案向用戶承諾了很多，但是卻無法解決根本上的問題。

在這篇文章中，我將描述一些Coho Data工程團隊的一些見解，以及我在參與建設一個高性能、Web擴展存儲系統時的一些心得。特別是，我將重點介紹在現代橫向擴展存儲系統中發掘新興的閃存存儲全部容量時所遇到的挑戰。

當人們嘗試理解和提高任何一個軟件系統的性能時，首先想到的第一個階段一般都是去確定最重要的性能瓶頸在哪里。我們都本能地知道他們是如何工作：如果我們想讓一個軟件系統盡可能快地去運行，瓶頸就是阻止它跑的更快的那一部分因素。為了讓這個系統運行更快，重點必須放在確定和修復瓶頸的工作上面。然而，有趣的是，一個系統中的瓶頸并不會自己憑空消失，而是會轉移到該系統的其他部位。

在存儲系統中，瓶頸一直是在于存儲介質——因為最初的磁帶本身，以及后來的旋轉磁盤本身存在的機械限制。一個單獨的旋轉磁盤可以順序地讀取或寫入數據，速度大約在100MBps。然而，當磁盤開始隨機接入數據的時候，這個數字就會變為10MBps，甚至更低，而且大多數時候會低很多。其他任何有關性能的因素都無關緊要，因為移動磁頭去接入數據所受到的物理限制可以蓋過其他任何有關性能的因素。因為磁盤系統本身比其他部分慢很多，世界上最快的存儲系統也都是用很多很多的磁盤聚集而成的。即便這樣，磁盤本身仍然是瓶頸。

PCIe SSD讓瓶頸轉移

隨著企業級PCIe SSD的出現，這個形式開始出現改觀。即使是一片單一的PCIe SSD，就可以達到數以百計的旋轉磁盤的速度。不僅如此，PCIe SSD還不存在機械上的限制，它不會遇到隨機數據讀寫速度慢的問題。現在通過購買一個單一的存儲設備就可以滿足一個10GB網絡鏈路的需求。想一想：一塊盤就可以提供一個高速物理網絡連接的高速需求!

閃存這個用于構建存儲系統的部件帶來的變化就是讓原有的存儲系統的瓶頸整體轉移。原先最慢的部分瞬間變成了系統中最快的部分。如果我把額外的閃存設備放在第一裝置，同時以同樣的方式將磁盤添加到常規陣列中，網絡本身將成為瓶頸。這種形式變成了：我正在浪費性能，因為我的應用程序并不能讓我的存儲設備達到滿載。

但是，網絡并不是成為瓶頸的唯一一個目標因素。這些閃存設備如此之快，它們能夠提供足夠快的I/O處理速度，因此可以充分利用閃存硬件，但這也意味著它們需要消耗大量的CPU。因為請求處理需要消耗這么多的CPU，因此PCIe閃存設備需要有專用的處理器來足夠快地處理這些請求，這樣才能滿足一個10GB的網絡連接。

為了更好地理解新存儲系統對性能帶來的影響，我想到了“數據孔徑”的想法。在攝影技術中，透鏡的孔徑是由透過它的光的量和寬度來進行測量的。你可以想象訪問數據的方式也是如此：數據孔徑就是所有應用程序要訪問這些數據所需要的路徑寬度。

存儲系統傳統上并不需要擔心孔徑的問題，因為在之前的IT架構里，它不是瓶頸，而在現在這個IT環境之下，存儲系統已經變成了瓶頸。這是我們的工程師團隊在兩年前面臨的第一個挑戰，當時我們正開始嘗試用這些新興的高性能設備去構建可擴展的存儲系統。在一系列的基準測試和分析之后，我們發現避開顯著瓶頸來構建可擴展存儲系統的唯一一個方法就是平衡所有的用于構建存儲系統的物理介質資源。

傳統的存儲系統都依賴于一個固定的網絡連接和一個靜態的存儲控制器(或者叫頭)，然后添加磁盤以達到提高性能和容量等縱向擴展的目的。現代的存儲系統必須采用不同的方法，即CPU和網絡資源必須達到橫向擴展，方法就是使用一定比例的高性能閃存設備。

在平衡了所有物理資源之后的結果就是，一個存儲系統可以與周圍的配件來一起進行設計。一個PCIe閃存設備與一個足夠快的CPU配對，可以處理其與網絡之間的I/O調度問題。這一配對與一個10GB的網絡接口相連，這可以充分地利用閃存的速度。因此，訪問數據的速度呈現線性增長，因為存儲系統得到了橫向擴展。

這個數據孔徑的挑戰只是傳統縱向擴展陣列走向滅亡的其中一個原因。用Web擴展的方式來存儲可以讓用戶享用更好的靈活性，而橫向擴展架構的商用硬件可以更好地用更高性能和更經濟的方法來使用閃存硬件。

在Coho Data，我們已經采取了這種方法，通過將軟件定義網絡合并進入系統來更好地有規模地管理性能，當然，這將是另外一個主題需要討論的技術。

作者簡介：Andrew Warfield是Coho Data的創始人兼CTO，同時他也是英屬哥倫比亞大學的計算機科學專業的教授。