淺析固態盤應用程度及文件系統難題

基于閃存的固態盤（SSD）正在成為企業存儲用戶的一個大難題；和我一起工作的很多用戶出于很多原因正打算采用這種新型“Tier 0”數據存儲，可能這些原因非常簡單，比如每瓦IOPS、每單位成本IOPS、（或者對于某些應用來說）每GB/s存儲的帶寬。

相比傳統磁盤存儲來說，固態盤有很多缺點，到目前為止最大的缺點恐怕就是成本了。有人說，因為閃存固態盤的出現，旋轉硬盤很快將成為歷史，但我認為這在短期內是不太可能發生的，即使發生了，取代了旋轉硬盤的設備也不會是基于閃存的，并且不會在這個十年結束之前出現。廠商們說磁帶將走向滅亡已經說了20多年了，但是磁帶至今仍然在數據保護策略中扮演著重要的角色。看上去似乎多層存儲將一直存在。

這是關于閃存固態盤部署系列文章的第一篇，將談到適用于閃存的應用，以及一些用于部署的文件系統和其他等問題。第二篇文章將談到硬件問題，第三篇將談一談固態盤設計和所使用的SAS以及RAID控制器。

適用于固態盤的應用

我們都知道，高IOPS架構有利于數據庫等應用，但是當你嘗試向架構中引入閃存固態盤的時候你應該考慮些什么？

對于應用來說，固態盤真正的好處包括小塊I/O請求的延遲。現在，大多數企業級固態盤很輕松地就可以保持40000的讀取IOPS和30000的寫入IOPS，而最快的2.5英寸1.5萬轉硬盤只能做250個隨機IOPS。當然，你需要硬件來實現這一性能，后面的第二篇文章我們將談到這個問題。

顯然使用密集的數據庫可以從固態盤技術中獲益，最突出的要算數據庫索引了，其次是數據庫日志文件。這些文件一般要比表格空間小，而且通常是保存在1.5萬轉硬盤中的，甚至經常受到性能方面的限制。像iostat這樣的性能工具、sar和其他等性能監控工具通常被用于評估與這些設備相連接的LUN附加存儲的延遲。

盡管閃存存儲相比旋轉磁盤來說仍然是非常昂貴，但是了解閃存所能帶來的潛在好處是非常關鍵的。如果你的設備上有較大型的命令隊列，而且每個命令的延遲較高，那么也許你的數據庫比較適合于使用閃存存儲。

閃存的文件系統難題

另外一個新出現可利用閃存的潛在領域就是文件系統元數據。現在有很多文件系統是將數據與元數據分離開來的，這樣我們就可以把元數據保存在固態盤上。這種類型的文件系統將變得越來越普遍。順便說一下，當我與文件系統設計者交流，或者我自己設計文件系統的時候，我個人比較推崇這種文件系統。這種方法很有意義，因為元數據通常有不同的訪問模式。除了文件系統元數據以外，與數據庫一樣，對于那些有日志的文件系統來說，這些文件系統的日志也適合保存在固態盤中。

對于大多數閃存固態盤來說，最大的問題之一就是它們的讀寫限制在4096字節范圍內。你可能會認為這并不算是個問題，因為索引節點大多數是512字節的，而且就我所知文件系統元數據的分配通常是成對的。這時候出現的問題我們通常稱之為文件系統超級塊（superblock）。超級塊包括關于文件系統的基本信息：用于文件系統的卷和位置，配置和可調節的大小，分配映射表和其他關鍵數據的不同種類。一些文件系統不會將超級塊設定在4096字節。這對于緩存大小固定的RAID控制器來說顯然是一個問題，而且對于閃存設備也是一樣的。這并不是說性能十分糟糕，但是對于大多數企業級閃存設備來說，在4096字節的限制基礎上進行調整和讀寫性能降低達50%已經是很不錯的了。這要比磁盤好多了，但是對于一種高成本設備來說，為什么要浪費那50%的性能呢？

對于我們這些有幸擁有足夠預算為文件系統購買固態盤的人們來說，你需要考慮文件系統調節參數。有些文件系統的配置是允許超過64KB的，那么使用大型配置對于基于磁盤的文件系統來說是有利的，而且你可以為浪費空間買單。因此，如果你的配置是1MB，在磁盤上保存了很多大容量文件和一些小容量文件，每個文件的大小都在幾MB，那么犧牲小型文件的空間但是有效地配置大型文件，這樣你就不需要遵循以往針對大型文件的常規配置。固態盤能夠起到幫助作用，因為元數據的分配開銷很小，因此遵循常規分配方式往往不會影響到性能。盡管固態盤空間的成本很高，但是當你既有大型文件又有小型文件的時候使用大型分配方式并沒有太大意義。按照最小的文件那樣進行分配，這樣就不會浪費寶貴的固態盤空間。例如，我的筆記本電腦使用了固態盤，我設置NTFS為1024字節，而不是默認的4096字節，因為我知道我有很多小型文件。

其他固態盤軟件問題

當利用閃存固態盤設備滿足高IOPS需求的時候，你還要考慮到其他一些軟件規劃的問題。例如，如果你在固態盤上將元數據分為文件系統和數據庫，那么你的備份和找回程序需要能夠訪問固態盤。有時候這些程序有一些認證的硬件，那么你需要確保固態盤是支持這些硬件的。

到目前為之最大的問題恐怕就是你需要多大的空間了。如果你使用固態盤來保存文件系統元數據或者日志、數據索引或者日志的話，那么空間計算就會變得極其復雜。文件系統中的超級塊通常很小，不便于計算。往往管理員也不了解目錄中的文件數或者目錄數。文件系統的不同空間分配也是不同的，你肯定不希望空間被占滿，因為你無法添加更多文件或者完成請求中的文件寫入操作。文件系統日志也是一樣。在數據庫方面也面臨和文件系統一樣的問題。你不希望空間被占滿，但是用于索引和日志的空間是很容易計算出來的。對于數據庫來說，另外一個需要考慮的就是，如果你在文件系統上運行數據庫的話，你就需要計算數據庫和文件系統的空間需求。所有這些都會變成一個難題，因為固態盤的成本要遠遠高于磁盤的成本，因此浪費空間在我看來是非最優的。

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