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EMC XtremIO全闪存阵列——架构解析

2016-12-11 21:01 EMC中文技术社区

     EMC XtremIO是一款全闪存横向扩展企业存储阵列,不仅提供了高水平的性能和可扩展性,也为SAN存储带来了全新水平的易用性。作为过去一年的全闪存阵列全球销量第一的产品,XtremIO到底有什么特别之处?本文将对XtremIO的系统体系结构及主要组件做详细描述。



简介:


     XtremIO采用行业标准组件和专有智能软件,提供无与伦比的性能水平。可实现的性能范围从几十万IOPS到上百万IOPS,并具有一毫秒以下的一致低延迟。系统还设计提供最少的计划,具有用户友好型界面,令资源调配和阵列管理变得十分简单。


     XtremIO利用闪存在以下几个主要方面创造了价值:


  • 性能 — 无论系统多么繁忙,无论存储容量利用率如何,延迟和吞吐量始终可以预测,并保持不变。阵列内一个I/O请求的延迟通常远远低于一毫秒。

  • 可扩展性 — XtremIO存储系统基于横向扩展的体系结构。系统始于一个名为X-Brick的构造块。当需要额外的性能和容量时,系统会通过添加X-Brick来横向扩展。性能则呈线性扩展,确保相对于单个X-Brick配置,两个X-Brick提供两倍的IOPS、四个X-Brick提供四倍的IOPS、六个X-Brick提供六倍的IOPS。系统横向扩展时,延迟始终保持较低水平。

  • 效率 — 核心引擎执行基于内容的内联式数据减少。进入系统后,XtremIO存储阵列会在运行中自动减少(消除重复数据并压缩)数据。这就降低了写入闪存的数据量,延长了介质的使用寿命,并降低了成本。XtremIO阵列以数据块粒度根据需要为卷分配容量。始终会对卷进行精简资源调配,而不会损失性能、过度调配容量或出现碎片。实施基于内容的内联式重复数据消除后剩余的数据会进一步进行压缩,从而减少对闪存介质执行的写入次数。数据压缩会在已经过重复数据消除(唯一)的数据块上以内联方式进行。

    避免大比例写入可带来的优势包括:

    • 减少数据可带来性能提升

    • 整体提升闪存阵列中SSD的耐用性

    • 减少存储数据所需的物理容量、提升存储阵列的效率并大幅削减每GB存储成本

  • 数据保护 — XtremIO利用专有的闪存优化数据保护算法(XtremIO数据保护即XDP),能为数据提供优于任何现有的RAID算法的性能。XDP优化还可实现更少地写入闪存介质,达到数据保护的目的。

  • 功能 — XtremIO支持高性能和空间高效型快照、内联式数据减少(包括内联式重复数据消除和数据压缩)、精简资源调配,以及完整的VMware VAAI集成,并支持光纤通道和iSCSI协议。



系统概述:


     XtremIO存储阵列是一个全闪存系统,以横向扩展体系结构为基础。系统采用了称为X-Brick的构造块,这些构造块可以群集化,以按照需要来提高性能和容量。


系统操作通过基于Linux的独立专用服务器 — XtremIO Management Server (XMS) 来控制。每个XtremIO群集都需要自己的XMS主机,可以是物理或虚拟服务器。如果从XMS断开连接,阵列将继续运行,但不能进行配置或监控。


     XtremIO的阵列体系结构经过专门设计,可挖掘闪存的全部性能潜力,同时均衡地对全部资源(如CPU、RAM、SSD和主机端口)进行线性扩展。,这使得阵列可以达到任何期望的性能水平,同时保持性能的一致性,这对于可预测的应用程序行为至关重要。


     XtremIO存储系统提供了高水平的性能随着时间、系统条件和访问模式的变化,其性能水平始终一致。它专为真正的随机I/O而设计。系统的性能水平不受其容量利用率、卷数或老化效应的影响。此外,性能不基于“共享缓存”体系结构,因此不受数据集大小或数据访问模式的影响。


     凭借其内容感知型存储体系结构,XtremIO可提供:

  • 数据块的均匀分布,本身即可实现最高的性能和最低的闪存损耗

  • 元数据的均匀分布

  • 无数据或元数据热区轻松配置,无需调整

  • 先进的存储功能,包括内联式数据减少(重复数据消除和数据压缩)、精简资源调配、高级数据保护(XDP)、快照等



X-Brick:


     下图显示了一个X-Brick:


     X-Brick是XtremIO阵列的基本构造块。每个X-Brick都由以下几部分组成:

  • 1个2U磁盘阵列存储模块(DAE),包含:

  •    o    25个eMLC SSD(标准X-Brick)或13个eMLC SSD (10TB Starter X-Brick[5TB])

    o    2个冗余电源单元(PSU)

    o    2个冗余SAS互连模块

  • 1个电池备份单元

  • 2个1U存储控制器(冗余存储处理器)


每个存储控制器包含:

o    2个冗余电源单元(PSU)

o    2个8Gb/s光纤通道(FC)端口

o    2个1OGbEiSCSI端口

o    2个40Gb/s InfiniBand端口

o    1个1Gb/s管理/IPMI端口


横向扩展体系:


     一个XtremIO存储系统可以包括单个X-Brick或多个X-Brick的群集:

     借助包含两个或多个X-Brick的群集,XtremIO使用冗余的40Gb/s QDR InfiniBand网络,实现存储控制器之间的后端连接,确保网络的高可用性和超低延迟。 InfiniBand网络是由XtremIO阵列完全托管的组件,XtremIO系统的管理员不需要具备InfiniBand技术方面的专业技能。



系统架构:


     XtremIO的工作原理与任何其他基于数据块的存储阵列一样,并与现有的SAN集成,可以选择通过8Gb/s光纤通道和10Gb/s以太网iSCSI (SFP+) 连接到主机。


     然而,不像其他数据块阵列,XtremIO是专门构建的闪存存储系统,设计用于提供顶级的性能、方便易用的高级数据管理服务。XtremIO阵列内的每个存储控制器都运行专门定制的轻量级Linux发行版,作为其基础平台。XtremIO操作系统(XIOS)运行在Linux基础上,可处理存储控制器中的所有活动,如下图所示。XIOS专为处理高I/O速率进行了优化,并可管理系统的功能模块、通过InfiniBand操作实现的RDMA、监控功能以及内存池。


     XIOS拥有专有的进程调度和处理算法,设计用于满足内容感知型、低延迟、高性能存储子系统的特定要求。XIOS提供:

  • 低延迟调度 一 实现子进程的有效上下文切换、优化调度并使等待时间达到最短线性CPU可扩展性一实现任何CPU资源的充分开发,包括多核CPU

  • 限制CPU核间同步 一 优化子进程间的通信和数据转移

  • 无CPU片间同步 一 使运行在不同套接字上的子进程之间的同步任务和依赖性达到最低

  • 缓存行感知 一 优化延迟和数据访问


     每个X-Brick上的存储控制器都拥有磁盘阵列存储模块(DAE),通过冗余SAS互连连接在存储控制器上。存储控制器也连接到一个冗余、高可用性的InfiniBand 连接结构。无论哪个存储控制器接收到来自主机的I/O请求,多个X-Brick上的多个存储控制器都会相互配合来处理请求。XtremIO系统中的数据布局确保了所有组件均会共享负载,并均衡地参与到I/O操作中。



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