摘要：本文從四個方面闡述了BoostKit鯤鵬全域性快取技術，該技術針對Ceph開源儲存方案存在的痛點，採用三大創新技術，有效的提高了Ceph的效能，最高可以將Ceph效能提升10倍。

本文分享自華為雲社群《【雲駐共創】BoostKit鯤鵬全域性快取技術助力Ceph效能提升10倍，真香》，作者：碼農飛哥。

1. 儲存行業特點及挑戰

有統計資料顯示，企業應用每增加100ms儲存時延會造成1%的銷售損失。如下圖所示：

從21年到23年，關鍵業務的佔比從25%增加到60%，資料庫等中高負載業務從45%減少到15%，一般業務從 30%減少到25%。

對於關鍵業務一般使用的儲存型別是 增強型\極速SSD雲硬碟（全快閃記憶體）,這種方式主要的痛點是 要求極致時延和IOPS SSD使用成本高。

對於資料庫等中高負載業務使用的儲存型別是超高IO雲硬碟（全快閃記憶體、均衡型SAS），這種方式的主要痛點是對價效比降低時延。

對於一般業務使用的是高IO雲硬碟（均衡型SATA）

1.1.Ceph開源儲存方案面臨的效能挑戰

Ceph開源儲存方案面臨的效能挑戰主要是：IOPS效能低，IO時延高。而造成這種情況的原因主要有如下三個方面：

1. IO請求流程多，執行緒切換開銷大
2. IO處理流程長，佇列等待多，端到端時延高。
3. IO隨機性大，磁碟頻寬利用率低。

IO的寫入流程是：

1. Message 接受入隊
2. 三副本資料處理
3. 資料持久化
4. 元資料持久化
5. 資源釋放，響應完成。

我們可以看到一個完整的IO寫入流程包括了5大流程，流程真的很長。
那麼BoostKit鯤鵬全域性快取技術又是如何應對這些挑戰的呢？

2. 全域性快取創新與價值

BoostKit鯤鵬全域性快取技術主要有三大創新技術，通過三大創新技術可以實現儲存效能飛躍式提升。

1. 快取前後臺分離，縮短IO路徑
2. IO聚合，實現磁碟頻寬效能
3. 智慧預取，提高讀快取命中率。
   下面我分別就這三大創新技術進行一個簡要的說明。

2.1. 快取前後臺分離，縮短IO路徑

1. 在計算側（前臺）重定向到全域性快取，讀寫IO請求直接在快取中命中並實時反饋給上層應用。
2. 全域性快取的IO資料非同步下刷到後端儲存側（後臺）或提前預取資料到全域性快取
   其實現流程如下圖所示：

從圖中可以看出讀IO和寫IO都是在全域性快取中實現的。
寫IO首先將資料寫入快取中，然後非同步下刷到磁碟中。
非同步IO批量預取提前命中，非同步資料預取，讀IO直接從快取中取資料。
這樣做的好處就是 提高了非同步刷盤速率，保證寫快取100%命中，降低寫時延。
提高預取準確率，加大快取容量，保證讀快取80%命中，降低讀時延。
如下圖所示：展示了快取前後臺的具體實現。

1. 流程解耦：寫快取刷盤，讀快取淘汰無需互斥，可靈活控制各自水位。
2. 資源解耦：讀寫快取併發，Quota資源等解耦，避免相互影響。
3. 介質型別解耦：讀寫快取可分為管理異構快取介質（RAM，NVMeSSD），實現介質分離。
4. 冗餘策略優化：讀cache使用單副本，提高cache空間利用率，寫cache使用三副本，保證資料可靠性。

2.2. IO聚合，實現磁碟頻寬效能

1. IO聚合：通過聚合演算法，回寫策略和垃圾回收等能力，實現隨機寫小IO聚合成順序寫大IO，實現磁碟頻寬的利用率，使效能得到大幅提升。
2. 按需讀取：從元資料中獲取小IO對映關係，下盤讀取小IO資料，無讀放大。
3. 通過高效的索引演算法和資料排列，僅提高有效資料塊，並和新寫入的資料進行IO聚合，減少IO開銷和降低垃圾對業務的影響。

具體實現如下圖所示：

2.3. 智慧預取，提高讀快取命中率

基於創新的負載識別演算法，識別不同應用訪問Pattern（如流式、關聯、熱點等），並通過歸一化特徵模型制定最優引數（預取門限，長度等），實現80%以上快取命中率和2倍+讀效能提升。

如下圖所示：展示了智慧預取分離技術架構：

這裡主要有兩個技術

1. 雙引擎分離：創新性的Client端推薦引擎+Server端執行引擎分離的智慧預取架構。
2. 全域性精準推薦：推薦引擎擁有全域性資料訪問檢視，從而進行全域性精準推薦。

3. 全域性快取功能介紹

3.1. 全域性快取技術的整體架構

說完了全域性快取的創新點之後，接下來讓我們來看看全域性快取的各個核心功能。

全域性快取技術的整體架構如下圖所示：

可以用三橫+兩縱來總結全域性快取技術框架。
三橫：客戶端叢集、快取叢集、儲存叢集
兩縱：讀寫路徑分離雙驅加速的邏輯佈局。

1. 寫快取：資料寫入、刪除功能、保證Cache前後臺寫低時延、
2. 讀快取：資料讀取功能，資料預取和淘汰、保證高Cache命中。
3. 元資料管理：高效能元資料管理引擎、小IO聚合、垃圾回收
4. 叢集管理：叢集管理、執行狀態管理，故障處理框架。
5. 持久化：資料持久化儲存，三副本資源池，介質管理。
6. 適配層：對接開源Ceph儲存，終結Ceph語義。
7. 基礎設施：系統啟動、記憶體管理、日誌、命令列、系統排程。

3.2. 全域性快取功能規格一覽

1. 高效能

支援單節點 14W IOPS，1ms時延。

2. 叢集相容性

• 提供無侵入式介面API支援主流ceph叢集接入
• 支援塊儲存服務，物件儲存服務
• 支援快照及克隆功能
• 支援鯤鵬平臺硬體，openEuler，RedHat系統

3. 可靠性

• 資料持久化儲存防掉電丟失。
• 資料三副本以節點域儲存，防止單點故障。
• 支援叢集故障自動檢測，自動故障切換和恢復。

4. 安全性

• 資料通道和管理通道預設支援TLS1.3 安全傳輸

5. 擴充套件性

• 支援按需增加快取節點擴充套件快取規模
• 支援線上升級
• 資料持久化儲存防掉電丟失
• 資料三副本以節點域儲存，防止單點故障
• 支援叢集故障自動檢測，自動故障切換和恢復。

4. 全域性快取使用介紹

說完了那麼多BoostKit鯤鵬全域性快取技術的功能和好處，那麼如何使用BoostKit鯤鵬全域性快取呢?
首先找到使用者指南，指南地址是：https://support.huawei.com/enterprise/zh/doc/EDOC1100228002?idPath=23710424%7C251364417%7C9856629%7C253662285

按照使用者指南一步步去操作使用吧！！！！

總結

本文從四個方面闡述了BoostKit鯤鵬全域性快取技術，該技術針對Ceph開源儲存方案存在的痛點，採用三大創新技術，有效的提高了Ceph的效能，最高可以將Ceph效能提升10倍。如下圖所示：

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