摘 要： 分析了信息系統(tǒng)中普遍采用的小型機搭配磁盤陣列的部署架構(gòu)所帶來的成本高、擴展性差的現(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，最后通過該項技術(shù)在電信信息系統(tǒng)中的實際應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)時代的不斷發(fā)展，搭建廉價、開放、共享、可擴展的信息系統(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)進行改造，從高質(zhì)量、高復雜度向可擴展、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服務器與傳統(tǒng)小型機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)中的應用方案。
1 傳統(tǒng)小型機與磁盤陣列部署架構(gòu)的分析
傳統(tǒng)小型機與磁盤陣列的部署架構(gòu)以高可靠性、高可用性、可服務性（Reliability、Availability、Serviceability簡稱RAS）[1]有效地支撐了信息系統(tǒng)的高效運行，但傳統(tǒng)架構(gòu)在當前互聯(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價格大約是PC服務器的10倍；（3）硬件平臺的兼容性差，各廠家的小型機平臺都存在技術(shù)壁壘，操作系統(tǒng)無法兼容；（4）擴展性有限，傳統(tǒng)小型機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，無法高性能地進行處理。隨著信息系統(tǒng)向著開源、開放、廉價的方向演進，以及業(yè)內(nèi)“去IOE”進程的深化，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
全球最新的服務器X86處理器將進入14 nm工藝時代，這意味著X86架構(gòu)的服務器將會具備更高的處理性能、更長的穩(wěn)定運行時間以及更低的能耗。下一代20 nm工藝的DDR4（第四代雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器Dual Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory）內(nèi)存芯片將開始應用于數(shù)據(jù)中心高端服務器，基于差分信號技術(shù)的DDR4內(nèi)存，其傳輸速率將會達到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、價格較高等缺點。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)把資料直接傳入計算機的存儲區(qū)，將數(shù)據(jù)從一個系統(tǒng)快速移動到遠程系統(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器的處理功能。它消除了外部存儲器復制和文本交換操作，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)點間的數(shù)據(jù)交互速度，降低數(shù)據(jù)處理延時。
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“存儲池”，從而提高整體利用率并降低管理成本，同時也可以實現(xiàn)在復雜環(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)將所有服務器節(jié)點的磁盤虛擬成一個“存儲池”，統(tǒng)一進行數(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服務器平臺，采用高性能SSD盤搭配SAS機內(nèi)盤的混合存儲模式，并通過存儲虛擬化整合多節(jié)點存儲，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)上達到與傳統(tǒng)架構(gòu)近似的性能。
3.1 實施目標
本文以X86架構(gòu)PC服務器集群為核心，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、高性能、高可用、高吞吐量、可靈活橫向擴展的全新數(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)的應用進行測試，以驗證方案可行性與先進性。
3.2 驗證方案
以四臺X86機架式服務器為平臺，在Linux操作系統(tǒng)之上，構(gòu)建多節(jié)點數(shù)據(jù)庫集群。每臺服務器內(nèi)置1塊SSD硬盤，作為一級存儲，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫高速讀緩存；服務器內(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，用以定時快照數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)容災。
集群內(nèi)部通過支持RDMA協(xié)議的萬兆交換機構(gòu)建高速網(wǎng)絡(luò)，服務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，也不需要進行SCSI協(xié)議轉(zhuǎn)換與CPU的處理，從而達到更高的性能和更低的時延。
通過存儲虛擬化軟件，將各節(jié)點中本地硬盤作為共享存儲使用；通過兩兩服務器間的數(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)點數(shù)據(jù)庫集群。集群中任一節(jié)點故障都不會造成數(shù)據(jù)庫集群的數(shù)據(jù)和應用中斷。
當數(shù)據(jù)庫計算能力或存儲容量不足時，可以通過在線增加集群的單元節(jié)點的方式來進行橫向擴展。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器上的SSD硬盤及SAS盤配置成共享存儲，并設(shè)置跨主機的數(shù)據(jù)鏡像。如圖2所示。
（2）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。
（3）對于配置定時進行數(shù)據(jù)快照保存至NAS設(shè)備，根據(jù)應用特點，確定快照間隔時間。并區(qū)分數(shù)據(jù)庫與日志的快照時間，盡可能使日志快照緊隨其產(chǎn)生之后。
（4）對于數(shù)據(jù)庫備份的配置，增加一臺備份介質(zhì)服務器，與主服務器相似配置（可做生產(chǎn)服務器的備機），數(shù)據(jù)備份至備份服務器內(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)庫集群中的每一個節(jié)點。首先在各自節(jié)點完成重復數(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)復制到磁帶庫中，整個復制過程與被保護的數(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)
在實驗室搭建了如下的實驗平臺，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。
SwingBench工具可以模擬Oracle數(shù)據(jù)庫insert/update/select等應用場景，測試上述不同場景下的事務處理能力，包括每分鐘處理事務數(shù)據(jù)TPM、每秒處理事務數(shù)TPS、事務處理響應時間Response Time等指標。
本次測試，導入測試數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量約2T，通過應用服務器模擬數(shù)據(jù)庫的增、刪、改、查操作，對數(shù)據(jù)庫集群進行長時間、高并發(fā)的壓測，以驗證本方案是否有效。
4.2.1 高可用測試
（1）基于集群節(jié)點重啟測試，主要驗證主機異常重啟對系統(tǒng)的影響，結(jié)果如表2。
測試結(jié)論：基于四節(jié)點RAC，采用兩節(jié)點盤鏡像后再條帶化的方式，其結(jié)果如下：
①重啟單節(jié)點，系統(tǒng)正常；
②重啟兩節(jié)點，如果重啟的節(jié)點正好是同一份鏡像的兩節(jié)點，系統(tǒng)異常；
③其他三類方式重啟兩節(jié)點，系統(tǒng)正常；
④重啟三節(jié)點，系統(tǒng)異常。
（2）基于四節(jié)點RAC、Oracle心跳異常測試，主要驗證主機心跳網(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。當拔兩根網(wǎng)卡后，該系統(tǒng)業(yè)務切換至正常生產(chǎn)的系統(tǒng)上。整個RAC正常。
（3）基于四節(jié)點RAC、模擬磁盤故障測試，主要驗證磁盤損壞對系統(tǒng)的影響，如表4所示。
（4）集群擴展性測試
測試場景：將集群中四個節(jié)點去掉一個，然后重新加入集群，觀測系統(tǒng)運行狀況。測試情況如表5。
4.2.2 集群性能測試
（1）基于SSD盤的跨節(jié)點數(shù)據(jù)鏡像測試
測試過程：將節(jié)點1和節(jié)點2主機上的SSD盤做成一個卷組，在這個卷組上，使用節(jié)點1的SSD盤建立一個邏輯卷lv01，大小為600 GB，使用節(jié)點2的SSD盤建立一個邏輯卷lv02，大小也為600 GB，執(zhí)行鏡像腳本，將節(jié)點1上的lv01中的數(shù)據(jù)同步到節(jié)點2上的lv02。
測試結(jié)果如下：
節(jié)點2的SSD寫盤速率在606 MB/s左右，節(jié)點1的SSD讀盤速率約在597 MB/s左右，服務器的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功能進行數(shù)據(jù)復制，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：本地或遠程讀寫SSD盤性能數(shù)據(jù)，使用VXBench工具進行測試。
性能測試數(shù)據(jù)如圖3~5所示。
測試結(jié)論：本地讀寫與遠端讀寫IOPS和吞吐能力、時延等性能相近；SSD盤的本地與遠程讀寫的峰值在750 MB/s左右，基本達到中高端存儲的讀寫能力。
（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SSD盤的寫IOPS超過10萬，比SAS盤快100倍；單個SSD盤的寫讀寫速度達到500M/s，比SAS盤快10倍。
（4）基于RDMA技術(shù)進行跨節(jié)點讀寫與不使用RDMA技術(shù)進行跨節(jié)點讀寫的比較
測試場景：服務器通過萬兆網(wǎng)絡(luò)跨節(jié)點讀寫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)庫應用方案，基本達到了傳統(tǒng)架構(gòu)下的處理能力，并提升了平臺的穩(wěn)定性。這種方案通過廉價的硬件成本實現(xiàn)了X86平臺的高性能響應，存儲虛擬化及鏡像技術(shù)的應用，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)的小型機與磁盤陣列架構(gòu)具有較高的性價比與應用推廣價值。
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