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介質(zhì)的出現(xiàn)，使得配備了這種存儲介質(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）及存儲虛擬化技術(shù)，本文提出了一種基于X86平臺的高性能數(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）硬件平臺的兼容性差,，各廠家的小型機(jī)平臺都存在技術(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平臺與SSD等技術(shù)的現(xiàn)狀分析
2.1 X86平臺現(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態(tài)隨機(jī)存儲器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)的存儲區(qū),，將數(shù)據(jù)從一個(gè)系統(tǒng)快速移動到遠(yuǎn)程系統(tǒng)存儲器中,，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 存儲虛擬化技術(shù)分析
存儲虛擬化（Storage Virtualization）技術(shù)是一種屏蔽存儲異構(gòu)環(huán)境,，整合存儲資源，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)可以將存儲資源虛擬成一個(gè)“存儲池”,，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，提升存儲環(huán)境的整體性能和可用性水平,。在本方案中,，通過存儲虛擬化技術(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,，采用高性能SSD盤搭配SAS機(jī)內(nèi)盤的混合存儲模式,，并通過存儲虛擬化整合多節(jié)點(diǎn)存儲，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X86機(jī)架式服務(wù)器為平臺,，在Linux操作系統(tǒng)之上，構(gòu)建多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫集群,。每臺服務(wù)器內(nèi)置1塊SSD硬盤,，作為一級存儲，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，用于數(shù)據(jù)庫大數(shù)據(jù)容量存儲,；外置NAS磁盤陣列,，以ISCSI方式連接，作為三級低速存儲,，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,。
通過存儲虛擬化軟件,，將各節(jié)點(diǎn)中本地硬盤作為共享存儲使用；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
（1）通過存儲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,，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 測試平臺參數(shù)
在實(shí)驗(yàn)室搭建了如下的實(shí)驗(yàn)平臺,，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；
?、谥貑晒?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。
?。?）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,。
?。?）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。
（2）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)到中高端存儲的讀寫能力,。
?。?）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,。
?。?）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平臺的高性能數(shù)據(jù)庫集群技術(shù),，通過RDMA,、存儲虛擬化、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平臺的高性能響應(yīng)，存儲虛擬化及鏡像技術(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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