13倍性能，3倍穩定性提升！UCloud雲硬盤做了這些事
架構升級要點
通過對現階段問題和需求的分析，我們整理了這次架構升級的具體要點：
1 、解決原有軟件架構不能充分發揮硬件能力的局限
2 、支持SSD雲盤，提供QOS保證，充分發揮後端NVME物理盤的IOPS和帶寬性能，單個雲盤IOPS可達2.4W
3 、支持更大容量雲盤，32T甚至更大
4 、充分降低IO流量的熱點問題
5 、支持並發創建幾千塊雲盤，支持並發掛載幾千塊雲盤
6 、支持老架構雲盤在線向新架構遷移，支持普通雲盤在線遷移至SSD雲盤
新架構改造實踐
改造一：IO路徑優化
老架構中，整個IO路徑有三大層，第一層宿主Client側，第二層Proxy側，第三層存儲Chunk層。Proxy負責IO的路由獲取以及緩存；IO的讀寫轉發到下一層存儲層，負責IO寫三份復制。
而新架構中，路由獲取交給了Client，IO讀寫Client可直接訪問存儲Chunk層，寫三份復制也交給了Chunk。整個IO路徑變成了2層，一層是宿主Client側, 另一層存儲Chunk層。
架構升級之後，對讀IO，一次網絡請求直達到後端存儲節點，老架構都是2次。對寫IO，主副本IO一次網絡請求直達後端存儲節點，另外2副本經過主副本，經歷兩次網絡轉發，而老架構三個副本均為兩次。讀IO時延平均降低0.2-1ms，寫尾部時延減低，也有效的降低總體時延。
改造二：元數據分片
分布式存儲中，會將數據進行分片，從而將每個分片按多副本打散存儲於集群中。如下圖，一個200G的雲盤，如果分片大小是1G，則有200個分片。老架構中，分片大小是1G，在實際業務過程中我們發現，部分業務的IO熱點集中在較小範圍內，如果采用1G分片，普通SATA磁盤性能會很差。並且在SSD雲盤中，也不能均勻的將IO流量打散到各個存儲節點上。
新架構中，我們支持了1M大小的分片。1M分片，可以充分使用整個集群的能力。高性能存儲中，因為固態硬盤性能較好，業務IO熱點集中在較小範圍內，也能獲得較好的性能。
但UCloud元數據采用的是預分配和掛載方案，申請雲盤時系統直接分配所有元數據並全部加載到內存。分片過小時，需要同時分配或掛載的元數據量會非常大，容易超時並導致部分請求失敗。
例如，同時申請100塊300G的雲盤，如果按1G分片，需要同時分配3W條元數據；如果按照1M分片，則需要同時分配3000W條元數據。
為了解決分片變小導致的元數據分配/掛載失敗問題，我們嘗試改變IO時的分配策略，即雲盤掛載時，將已分配的元數據加載到內存中。IO時，如果IO範圍命中已經分配路由，則按內存中的路由進行IO；如果IO範圍命中未分配路由，則實時向元數據模塊請求分配路由，並將路由存儲在內存中。
按IO時分配，如果同時申請100塊300G的雲盤, 同時掛載、同時觸發IO，大約會產生1000 IOPS，偏隨機。最壞情況會觸發1000 * 100 = 10W 元數據分配。在IO路徑上，還是存在較大消耗。
最終，新架構中我們放棄了中心節點存儲分片元數據的方案，采用了以一套統一規則去計算獲取路由的方案。
該方案中，Client 端和集群後端采用同樣的計算規則R（分片大小、pg個數、映射方法、沖突規則）；雲盤申請時，元數據節點利用計算規則四元組判斷容量是否滿足；雲盤掛載時，從元數據節點獲取計算規則四元組； IO時，按計算規則R（分片大小、pg個數、映射方法、沖突規則）計算出路路由元數據然後直接進行IO。通過這種改造方案，可以確保在1M數據分片的情況下，元數據的分配和掛載暢通無阻，並節省IO路徑上的消耗。
改造三：支持SSD高性能雲盤
通過上述對比可以看到，NVME固態硬盤性能百倍於機械盤，但需要軟件的配套設計，才能利用NVME固態硬盤的能力。
SSD雲盤提供QoS保證，單盤IOPS：min{1200+30*容量，24000} 對於SSD雲盤，傳統的單線程模式會是瓶頸，難以支持後端NVME硬盤幾十萬的IOPS以及1-2GB的帶寬，所以我們采用了多線程模型。
為了較快推出SSD雲盤，我們還是采用了傳統TCP網絡編程模型，未使用Kernel Bypass。同時，通過一些軟件細節的優化，來減少CPU消耗。
目前，單個線程寫可達6W IOPS，讀可達8W IOPS，5個線程可以基本利用NVME固態硬盤的能力。目前我們能提供雲盤IO能力如下：
改造四：防過載能力
對於普通雲盤，新架構的軟件不再是瓶頸，但一般的機械硬盤而言，隊列並發大小只能支持到32-128左右。100塊雲盤，持續同時各有幾個IO命中一塊物理HDD磁盤時，因為HDD硬盤隊列並發布較小，會出現較多的io_submit耗時久或者失敗等問題。Client側判斷IO超時後，會重試IO發送，造成Chunk端TCP緩沖區積壓越來越多的IO包，越來越多的超時積壓在一起，最終導致系統過載。
對於普通雲盤，需控制並發提交隊列大小，按隊列大小，依次遍歷所有雲盤，下發各雲盤的IO，如上圖的1、2、3。實際代碼邏輯裏，還需要考慮雲盤大小的權重。
對於SSD雲盤來說，傳統的單個線程會是瓶頸，難以支持幾十萬的IOPS以及1-2GB的帶寬。
壓測中，我們模擬了熱點集中在某個線程上的場景，發現該線程CPU基本處於99%-100%滿載狀態，而其它線程則處於空閑狀態。後來，我們采用定期上報線程CPU以及磁盤負載狀態的方式，當滿足某線程持續繁忙而有線程持續空閑時，選取部分磁盤分片的IO切換至空閑線程，來規避部分線程過載。
改造五：在線遷移
老架構普通雲盤性能較差，部分普通雲盤用戶業務發展較快，希望從普通雲盤遷移至SSD雲盤，滿足更高的業務發展需要。目前線上存在2套老架構，為了快速達到在線遷移的目的，我們第一期決定從系統外圍支持在線遷移。
遷移流程如下：
1 後端設置遷移標記；
2 Qemu連接重置到Trans Client；
3 寫IO流經過Trans Client 到Trans模塊，Trans模塊進行雙寫：一份寫老架構，一份寫新架構；
4 Trigger 遍歷磁盤, 按1M大小觸發數據命令給Trans觸發數據後臺搬遷。未完成搬遷前，IO讀經Trans向舊架構Proxy讀取；
5 當全部搬遷完成後，Qemu連接重置到新架構Client，完成在線遷移。
加一層Trans及雙寫，使遷移期間存在一些性能損耗。但對於普通雲盤，遷移期間可以接受。我們目前對於新架構也正在建設基於Journal的在線遷移能力，目標在遷移期間，性能影響控制在5%以下。
經過上述系列改造，新的雲硬盤架構基本完成了最初的升級目標。目前，新架構已經正式上線並成功運用於日常業務當中。在這裏，也談談我們正在研發的幾項工作。
1、容量具備無限擴展能力
每個可用區，會存在多個存儲集群Set. 每個Set可提供1PB左右的存儲(我們並沒有讓集群無限擴容)。當Set1的雲盤需要從1T擴容至32T 100T時，可能會碰到Set1的容量不足的問題。
因此，我們計劃將用戶申請的邏輯盤，進行分Part, 每個Part可以申請再不用的Set中，從而具備容量可以無限擴展的能力。
2、超高性能存儲
近10年，硬盤經過 HDD -> SATA SSD -> NVME SSD的發展。同時，網絡接口也經歷了10G -> 25G -> 100G的跨越式發展。然而CPU主頻幾乎沒有較大發展，平均在2-3GHZ，我們使用的一臺物理機可以掛6-8塊NVME盤，意味著一臺物理機可以提供300-500萬的IOPS.
傳統應用服務器軟件模式下，基於TCP的Epoll Loop, 網卡的收發包，IO的讀寫要經過用戶態、內核態多層拷貝和切換，並且需要靠內核的中斷來喚醒，軟件很難壓榨出硬件的全部能力。例如在IOPS和時延上，只能靠疊加線程去增加IOPS，然而，IOPS很難隨著線程的增加而線性增長，此外時延抖動也較高。
我們希望通過引入零拷貝、用戶態、輪詢的技術方案來優化上圖中的三種IO路徑，從而減少用戶態、內核態、協議棧的多層拷貝和切換，並結合輪詢一起壓榨出硬件的全部能力。
最終，我們選擇了RDMA，VHOST，SPDK三個技術方案。
方案一：超高性能存儲-VHOST
傳統模式如下，IO經過虛機和Qemu驅動，再經過Unix Domain Socket到Client。 經過多次用戶態內核態，以及IO路徑上的拷貝。
而利用VHOST User模式，可以利用共享內存進行用戶態的VM到Client側的數據傳輸。在實際中，我們利用了SPDK VHOST。
研發環境中，我們將Client收到IO請求後立即模擬返回給VM，也就是不向存儲後端發送數據，得到的數據如上圖。單隊列時延可以降低90us，IOPS有幾十倍的提升。
方案二：超高性能存儲-RDMA+SPDK
RDMA提供了一種消息服務，應用程序利用RDMA可以直接訪問遠程計算機上的虛擬內存，RDMA減少了CPU占用以及內存帶寬瓶頸，提供了很高的帶寬，並利用Stack Bypass和零拷貝技術，提供了低延遲的特性。
SPDK可以在用戶態高並發零拷貝地以用戶態驅動直接訪問NVME 固態硬盤。並利用輪詢模式避免了內核上下文切換和中斷處理帶來的開銷。
目前團隊正在研發利用RDMA和SPDK的存儲引擎框架，研發測試環境中，後端用一塊NVME固態盤，我們在單隊列和IOPS上可以提升如下：
包括SPDK VHOST USER的Client側，以及RDMA+SPDK的存儲側方案，預計12月會推出公測版。
總結
過去的一年時間裏，我們重新設計和優化了雲盤的存儲架構，解決了過去老架構的諸多問題，並大幅提升了性能。經過4個月公測，SSD雲盤和新架構普通雲盤都於8月份全量上線，並保持了極高的穩定性，目前單盤可提供2.4W IOPS。
同時，為了追求更佳的IO體驗，我們引入Kernel/Stack Bypass技術方案，正在打造更高性能、更低時延的存儲引擎，預計12月份會推出超高性能雲盤公測版，敬請期待！
13倍性能，3倍穩定性提升！UCloud雲硬盤做了這些事