摘 要： 分析了信息系統(tǒng)中普遍采用的小型機(jī)搭配磁盤陣列的部署架構(gòu)所帶來的成本高,、擴(kuò)展性差的現(xiàn)狀。針對這種現(xiàn)狀提出了一種基于X86平臺(tái)的高性能數(shù)據(jù)庫集群技術(shù),，通過測試論證了這種技術(shù)的高性能與高可靠,，最后通過該項(xiàng)技術(shù)在電信信息系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用說明了該方案的可行性。
關(guān)鍵詞： PCIE-Flash卡,；RDMA,；存儲(chǔ)虛擬化
0 引言
隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的不斷發(fā)展，搭建廉價(jià),、開放,、共享、可擴(kuò)展的信息系統(tǒng)平臺(tái)已成為信息系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型方向,，這不僅需要去除電信在傳統(tǒng)運(yùn)營思維下形成的對高性能高成本的設(shè)備和軟件的依賴,，也需要對信息系統(tǒng)進(jìn)行改造,，從高質(zhì)量,、高復(fù)雜度向可擴(kuò)展、低成本轉(zhuǎn)變,，做到資源效益的最大化,。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，一方面X86平臺(tái)架構(gòu)的PC服務(wù)器與傳統(tǒng)小型機(jī)在性能方面的差距不斷縮小,，另一方面以SSD（固態(tài)硬盤Solid State Drive）為代表的高性能存儲(chǔ)介質(zhì)的出現(xiàn),，使得配備了這種存儲(chǔ)介質(zhì)的X86服務(wù)器不需要外接磁盤陣列就能具有極高的I/O吞吐能力。通過以上兩種平臺(tái)技術(shù),，結(jié)合遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)直接存取RDMA（Remote Direct Memory Access）及存儲(chǔ)虛擬化技術(shù),，本文提出了一種基于X86平臺(tái)的高性能數(shù)據(jù)庫集群技術(shù)在信息系統(tǒng)中的應(yīng)用方案。
1 傳統(tǒng)小型機(jī)與磁盤陣列部署架構(gòu)的分析
傳統(tǒng)小型機(jī)與磁盤陣列的部署架構(gòu)以高可靠性,、高可用性,、可服務(wù)性（Reliability、Availability,、Serviceability簡稱RAS）[1]有效地支撐了信息系統(tǒng)的高效運(yùn)行,，但傳統(tǒng)架構(gòu)在當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的環(huán)境下也面臨以下問題：（1）在非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理方面能力不足；（2）系統(tǒng)成本高昂,，同等處理能力的小型機(jī)價(jià)格大約是PC服務(wù)器的10倍,；（3）硬件平臺(tái)的兼容性差，各廠家的小型機(jī)平臺(tái)都存在技術(shù)壁壘,，操作系統(tǒng)無法兼容,；（4）擴(kuò)展性有限,，傳統(tǒng)小型機(jī)和磁盤陣列的處理能力屬于TB級，而在面對PB級數(shù)據(jù)時(shí),，無法高性能地進(jìn)行處理,。隨著信息系統(tǒng)向著開源、開放,、廉價(jià)的方向演進(jìn),，以及業(yè)內(nèi)“去IOE”進(jìn)程的深化，將會(huì)有越來越多的信息系統(tǒng)不再使用傳統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行部署,。
2 X86平臺(tái)與SSD等技術(shù)的現(xiàn)狀分析
2.1 X86平臺(tái)現(xiàn)狀
全球最新的服務(wù)器X86處理器將進(jìn)入14 nm工藝時(shí)代,，這意味著X86架構(gòu)的服務(wù)器將會(huì)具備更高的處理性能、更長的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間以及更低的能耗,。下一代20 nm工藝的DDR4（第四代雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器Dual Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory）內(nèi)存芯片將開始應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心高端服務(wù)器,，基于差分信號技術(shù)的DDR4內(nèi)存，其傳輸速率將會(huì)達(dá)到6.4 Gb/s,。
2.2 SSD技術(shù)現(xiàn)狀分析
固態(tài)硬盤SSD（Solid State Drives）是用固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列而制成的硬盤[2],。與傳統(tǒng)HDD（Hard Disk Drive）硬盤相比具有讀寫速度快的優(yōu)勢，目前基于PCIE總線技術(shù)的固態(tài)硬盤的讀寫速度甚至超過了500 MB/s,，但SSD也存在著容量較低,、使用壽命受限、價(jià)格較高等缺點(diǎn),。在本方案中,，采用了SSD盤用于提升數(shù)據(jù)庫集群的整體I/O吞吐能力。
2.3 RDMA技術(shù)分析
遠(yuǎn)程直接數(shù)據(jù)存取RDMA（Remote Direct Memory Access）技術(shù)是為了解決網(wǎng)絡(luò)傳輸中服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理的延遲而產(chǎn)生的[3],。RDMA通過網(wǎng)絡(luò)把資料直接傳入計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)區(qū),，將數(shù)據(jù)從一個(gè)系統(tǒng)快速移動(dòng)到遠(yuǎn)程系統(tǒng)存儲(chǔ)器中，而不對操作系統(tǒng)造成任何影響,，這樣就不需要占用服務(wù)器的處理功能,。它消除了外部存儲(chǔ)器復(fù)制和文本交換操作，因而能釋放內(nèi)存帶寬和CPU的使用,，能有效提升應(yīng)用系統(tǒng)性能,。在本文提出的方案中，RDMA技術(shù)的引入可以有效提升不同數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交互速度,，降低數(shù)據(jù)處理延時(shí),。
2.4 存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)分析
存儲(chǔ)虛擬化（Storage Virtualization）技術(shù)是一種屏蔽存儲(chǔ)異構(gòu)環(huán)境，整合存儲(chǔ)資源,，統(tǒng)一提供有用的全面功能服務(wù)的一種虛擬化技術(shù)[4],。通過這種技術(shù)可以將存儲(chǔ)資源虛擬成一個(gè)“存儲(chǔ)池”，從而提高整體利用率并降低管理成本,，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)遷移與數(shù)據(jù)同步,，提升存儲(chǔ)環(huán)境的整體性能和可用性水平,。在本方案中，通過存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)將所有服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的磁盤虛擬成一個(gè)“存儲(chǔ)池”,，統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)的分配與備份,，以此提升數(shù)據(jù)的安全性。
3 基于X86平臺(tái)的高性能數(shù)據(jù)庫集群技術(shù)方案
通過以上技術(shù)手段,，本文提出了一種基于X86服務(wù)器平臺(tái),，采用高性能SSD盤搭配SAS機(jī)內(nèi)盤的混合存儲(chǔ)模式，并通過存儲(chǔ)虛擬化整合多節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ),，網(wǎng)絡(luò)采用支持RDMA功能的萬兆網(wǎng)絡(luò),，部署的數(shù)據(jù)庫集群架構(gòu)，在成本大幅降低的基礎(chǔ)上達(dá)到與傳統(tǒng)架構(gòu)近似的性能,。
3.1 實(shí)施目標(biāo)
本文以X86架構(gòu)PC服務(wù)器集群為核心,，以新型高性能網(wǎng)絡(luò)為通道，以存儲(chǔ)虛擬化軟件為紐帶,，構(gòu)建多節(jié)點(diǎn),、高性能、高可用,、高吞吐量,、可靈活橫向擴(kuò)展的全新數(shù)據(jù)庫集群[5]解決方案。本方案通過某電信綜合網(wǎng)元激活系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行測試,，以驗(yàn)證方案可行性與先進(jìn)性,。
3.2 驗(yàn)證方案
以四臺(tái)X86機(jī)架式服務(wù)器為平臺(tái),，在Linux操作系統(tǒng)之上,，構(gòu)建多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫集群。每臺(tái)服務(wù)器內(nèi)置1塊SSD硬盤,，作為一級存儲(chǔ),，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫高速讀緩存；服務(wù)器內(nèi)置SAS盤,，作為二級存儲(chǔ),，用于數(shù)據(jù)庫大數(shù)據(jù)容量存儲(chǔ)；外置NAS磁盤陣列,，以ISCSI方式連接,，作為三級低速存儲(chǔ)，用以定時(shí)快照數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù),，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)容災(zāi),。
集群內(nèi)部通過支持RDMA協(xié)議的萬兆交換機(jī)構(gòu)建高速網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器之間通過直接訪問對方的內(nèi)存來存取數(shù)據(jù),，不經(jīng)過傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的額外數(shù)據(jù)緩沖,，也不需要進(jìn)行SCSI協(xié)議轉(zhuǎn)換與CPU的處理,，從而達(dá)到更高的性能和更低的時(shí)延。
通過存儲(chǔ)虛擬化軟件,，將各節(jié)點(diǎn)中本地硬盤作為共享存儲(chǔ)使用,；通過兩兩服務(wù)器間的數(shù)據(jù)鏡像，確保數(shù)據(jù)跨設(shè)備冗余,；最終構(gòu)建4節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫集群,。集群中任一節(jié)點(diǎn)故障都不會(huì)造成數(shù)據(jù)庫集群的數(shù)據(jù)和應(yīng)用中斷。
當(dāng)數(shù)據(jù)庫計(jì)算能力或存儲(chǔ)容量不足時(shí),，可以通過在線增加集群的單元節(jié)點(diǎn)的方式來進(jìn)行橫向擴(kuò)展,。部署架構(gòu)圖如圖1所示。
3.3 配置方案
?。?）通過存儲(chǔ)虛擬化軟件將不同服務(wù)器上的SSD硬盤及SAS盤配置成共享存儲(chǔ),，并設(shè)置跨主機(jī)的數(shù)據(jù)鏡像。如圖2所示,。
?。?）為保證數(shù)據(jù)庫的讀寫性能，需要將SSD硬盤設(shè)置為數(shù)據(jù)庫的讀緩存,，將數(shù)據(jù)庫中讀寫頻繁,、對I/O性能要求最高的數(shù)據(jù)文件，全部配置在SSD硬盤所提供的文件系統(tǒng)或硬盤邏輯卷組上,。
?。?）對于配置定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)快照保存至NAS設(shè)備，根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn),，確定快照間隔時(shí)間,。并區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)庫與日志的快照時(shí)間，盡可能使日志快照緊隨其產(chǎn)生之后,。
?。?）對于數(shù)據(jù)庫備份的配置，增加一臺(tái)備份介質(zhì)服務(wù)器,，與主服務(wù)器相似配置（可做生產(chǎn)服務(wù)器的備機(jī)）,，數(shù)據(jù)備份至備份服務(wù)器內(nèi)置的串行連接SCSI（Serial Attached SCSI）盤以及磁帶庫。備份可以通過與生產(chǎn)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)完成,，也可通過單獨(dú)的備份萬兆網(wǎng)絡(luò)完成,。備份數(shù)據(jù)將通過數(shù)據(jù)庫集群中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)。首先在各自節(jié)點(diǎn)完成重復(fù)數(shù)據(jù)刪除,，再通過萬兆網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絺浞萁橘|(zhì)服務(wù)器,，從而完成首次磁盤備份。然后根據(jù)備份策略由備份介質(zhì)服器自動(dòng)將數(shù)據(jù)從磁盤介質(zhì)復(fù)制到磁帶庫中,，整個(gè)復(fù)制過程與被保護(hù)的數(shù)據(jù)庫集群無關(guān),。
4 測試結(jié)果及分析
4.1 測試平臺(tái)參數(shù)
在實(shí)驗(yàn)室搭建了如下的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),，具體參數(shù)見表1。
4.2 測試過程及結(jié)果分析
本次測試使用到的測試工具為：VXBench及SwingBench,。
VXBench是磁盤I/O測試的工具,，可以測試基于磁盤虛擬化并共享的場景下的磁盤I/O吞吐量、IOPS和延時(shí),。
SwingBench工具可以模擬Oracle數(shù)據(jù)庫insert/update/select等應(yīng)用場景,，測試上述不同場景下的事務(wù)處理能力，包括每分鐘處理事務(wù)數(shù)據(jù)TPM,、每秒處理事務(wù)數(shù)TPS,、事務(wù)處理響應(yīng)時(shí)間Response Time等指標(biāo)。
本次測試,，導(dǎo)入測試數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù),，數(shù)據(jù)量約2T，通過應(yīng)用服務(wù)器模擬數(shù)據(jù)庫的增,、刪,、改、查操作,，對數(shù)據(jù)庫集群進(jìn)行長時(shí)間,、高并發(fā)的壓測，以驗(yàn)證本方案是否有效,。
4.2.1 高可用測試
?。?）基于集群節(jié)點(diǎn)重啟測試，主要驗(yàn)證主機(jī)異常重啟對系統(tǒng)的影響,，結(jié)果如表2,。
測試結(jié)論：基于四節(jié)點(diǎn)RAC，采用兩節(jié)點(diǎn)盤鏡像后再條帶化的方式,，其結(jié)果如下：
?、僦貑喂?jié)點(diǎn),，系統(tǒng)正常,；
②重啟兩節(jié)點(diǎn),，如果重啟的節(jié)點(diǎn)正好是同一份鏡像的兩節(jié)點(diǎn),，系統(tǒng)異常；
?、燮渌惙绞街貑晒?jié)點(diǎn),，系統(tǒng)正常；
?、苤貑⑷?jié)點(diǎn),，系統(tǒng)異常,。
（2）基于四節(jié)點(diǎn)RAC,、Oracle心跳異常測試,，主要驗(yàn)證主機(jī)心跳網(wǎng)卡中斷對系統(tǒng)的影響，如表3所示,。
測試結(jié)論：Oracle心跳網(wǎng)卡采用系統(tǒng)bonding綁定方式,，拔其中任意一根網(wǎng)卡對生產(chǎn)不造成影響。當(dāng)拔兩根網(wǎng)卡后,，該系統(tǒng)業(yè)務(wù)切換至正常生產(chǎn)的系統(tǒng)上,。整個(gè)RAC正常。
?。?）基于四節(jié)點(diǎn)RAC,、模擬磁盤故障測試，主要驗(yàn)證磁盤損壞對系統(tǒng)的影響,，如表4所示,。
（4）集群擴(kuò)展性測試
測試場景：將集群中四個(gè)節(jié)點(diǎn)去掉一個(gè),，然后重新加入集群,，觀測系統(tǒng)運(yùn)行狀況。測試情況如表5,。
4.2.2 集群性能測試
?。?）基于SSD盤的跨節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)鏡像測試
測試過程：將節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2主機(jī)上的SSD盤做成一個(gè)卷組，在這個(gè)卷組上,，使用節(jié)點(diǎn)1的SSD盤建立一個(gè)邏輯卷lv01,，大小為600 GB，使用節(jié)點(diǎn)2的SSD盤建立一個(gè)邏輯卷lv02,，大小也為600 GB,，執(zhí)行鏡像腳本，將節(jié)點(diǎn)1上的lv01中的數(shù)據(jù)同步到節(jié)點(diǎn)2上的lv02,。
測試結(jié)果如下：
節(jié)點(diǎn)2的SSD寫盤速率在606 MB/s左右,，節(jié)點(diǎn)1的SSD讀盤速率約在597 MB/s左右，服務(wù)器的CPU使用率約在15%,，內(nèi)存使用率約在45%,。
測試結(jié)論：卷組能夠充分利用萬兆網(wǎng)卡的RDMA功能進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制，基本不消耗CPU的能力,。
?。?）基于SSD盤的邏輯卷I/O壓力測試
測試場景：本地或遠(yuǎn)程讀寫SSD盤性能數(shù)據(jù)，使用VXBench工具進(jìn)行測試。
性能測試數(shù)據(jù)如圖3~5所示,。
測試結(jié)論：本地讀寫與遠(yuǎn)端讀寫IOPS和吞吐能力,、時(shí)延等性能相近；SSD盤的本地與遠(yuǎn)程讀寫的峰值在750 MB/s左右,，基本達(dá)到中高端存儲(chǔ)的讀寫能力,。
（3）基于SSD磁盤和SAS磁盤的性能及差別
測試場景：服務(wù)器直接寫本地SSD和SAS盤,，在塊大小為4 KB,、8 KB、64 KB三種情況下分別進(jìn)行測試,，測試工具為VXBench,。
性能測試數(shù)據(jù)如圖6、圖7所示,。
測試結(jié)論：單個(gè)SSD盤的寫IOPS超過10萬,，比SAS盤快100倍；單個(gè)SSD盤的寫讀寫速度達(dá)到500M/s,，比SAS盤快10倍,。
（4）基于RDMA技術(shù)進(jìn)行跨節(jié)點(diǎn)讀寫與不使用RDMA技術(shù)進(jìn)行跨節(jié)點(diǎn)讀寫的比較
測試場景：服務(wù)器通過萬兆網(wǎng)絡(luò)跨節(jié)點(diǎn)讀寫SSD磁盤,，分別啟用和不啟用RDMA,，比較兩者的差異，測試工具為VXBench,。
性能測試數(shù)據(jù)如圖8,、圖9所示。
測試數(shù)據(jù)分析：在數(shù)據(jù)塊較小的場景下,，啟用RDMA和不啟用RDMA,，讀寫速率沒有明顯差別；在數(shù)據(jù)庫較大的場景下,，啟用了RDMA比不啟用RDMA,，讀寫速率增加了一倍。
性能測試效果如表6所示,。
5 結(jié)束語
本文提出了一種基于X86平臺(tái)的高性能數(shù)據(jù)庫集群技術(shù),，通過RDMA、存儲(chǔ)虛擬化,、數(shù)據(jù)庫集群等技術(shù)提供了一種有效的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用方案,，基本達(dá)到了傳統(tǒng)架構(gòu)下的處理能力，并提升了平臺(tái)的穩(wěn)定性,。這種方案通過廉價(jià)的硬件成本實(shí)現(xiàn)了X86平臺(tái)的高性能響應(yīng)，存儲(chǔ)虛擬化及鏡像技術(shù)的應(yīng)用，確保了在高讀寫并發(fā)情況下數(shù)據(jù)的安全,，相比于傳統(tǒng)的小型機(jī)與磁盤陣列架構(gòu)具有較高的性價(jià)比與應(yīng)用推廣價(jià)值,。
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