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亚搏体育app官网入口|2015存储峰会:IO协议栈前沿技术研究解读

作者:亚搏体育app官网入口   发布时间:2022-11-19   点击量:

本文摘要:近日,PMC公司资深数据中心架构师张冬在中国存储峰会上做到了关于IO协议栈前沿技术和动态的技术共享,以下是演说的精华内容。

近日,PMC公司资深数据中心架构师张冬在中国存储峰会上做到了关于IO协议栈前沿技术和动态的技术共享,以下是演说的精华内容。  IO协议栈的概念  IO协议栈是操作系统里的一系列软件模块,让你的应用于要读盘的时候,比如读书一个U盘,U盘挂上以后,点一个复制粘贴,复制粘贴是一个程序,并不是某个菜单,你点的这个菜单,唤起了这么一个进程,后面起了一个进程,比如Linux下的做到运维的都告诉有一个dd的程序,这个程序不会调用系统获取的一些代码。当然再行得关上,然后做到一个打算工作,然后才读取。

这些代码都是OS获取的,你只必须调用就可以了。这些代码不会被同构到用户空间里面。你把IO下发给这些代码以后,你把这些参数传授给他,要读取哪个文件,哪个路径,哪个设备,怎么度,怎么写出?把所有的参数告诉他它。

  它下一步构建一个操作者叫陷于内核,中断到内核里面,这一步操作者开始十分大,因为牵涉到权限的切换,支出是相当大的。转入内核以后,再行到一个VFS的层,这是一大块的代码,这个层就是目录层,比如C:/,Linux下/某个字母,再写一些字母。谁来确保目录和底层的存储的实体的同构关系呢?由VFS层确保,你采访的是一个网络盘的路径,还是一个本地盘的路径,是一个文件,串口,终端,只不过都是符号,由VFS把IO下发给底下对应的支撑者,底下所画了四个支撑者。还有横跨设备的各种设备,还有网络的系统,还有内存里面的数据结构,比如/PROC,有一些运维的时候用的一些命令,把它从零改为一,启动时了某一个逻辑,这都是内存里面的数据结构,也在这个合乎上限。

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  这层往北下,如果采访块设备,必要进到块层,块层是最后对存储设备的集中于采访点,在这个层里面,有一些可选功能,比如多路径,加密这种分层,内存,很多的开源的这些产品,只不过都是基本上在块层这个功能上面做到二次开发做到出来的。块层下面就是一个IO的队列,在这儿做到一下IO的优化,拆分,存盘这些事情。

在这儿不会有一个瓶颈,就是IO这个里头的队列是一个瓶颈,上层把IO往这个队列里面敲,下层大大把IO偷走。俗话说的SCSI协议栈,还包括三层,一个是上层的协议驱动,指磁盘驱动,磁带驱动,如果有其他的设备,比如打印机之类的,SCSI打印机和扫描仪也有,很早以前的时候,这块就是驱动设备了。SCSIMiddle层就是管SCSI指令,印发下来都是在内存里的数据结构,每个OS都不一样,但是如果零担磁盘,零担外面的交换机,必需把它盖住标准化的,因为外面有很多厂商做到硬件,你不标准,就不了做到了这个硬件,你无法说道为每个OS都做到一个硬件。这层除了翻译成SCSI指令,这边有SCSI语义,还有管确实的SCSI的处置,比如超时了怎么办这些事情,这是中间层。

  底下这层是HBA层,首先要有驱动,在HBA下有设备找到的这么一层库,因为传统的SCSI几十年前,那时候只有SCSI这么一种物理硬件,大家有可能有人见过,很粗很笨的线缆,后来经常出现了FC,SAS这些,更加较慢的、高效的物理链路类型。SCSI协议,如果想要跑完在这些物理链路上,就必须有这么一块代码,这个网络里面,把你对端的SCSI设备找到上来,如果后末端改为SAS,这块代码就不会往SAS网络上收到一些广播的消息,将设备观测到,然后才分解设备符号。

  往北下就是硬件,出有了协议就是硬件,硬件得接上HBA上,SCSI卡、SAS卡、以太网卡、各种卡,通过这个卡,再行通过网络,或者连交换机,或者直连,连到最后的设备上。所以,这儿所画的一些箭头所指的是什么呢?每一种硬件,每一个角色都有各自的驱动。最底层的设备,它的驱动在最上面,往北上一层,HBA驱动在这个地方,然后HBA上还有一个PCIE控制器,它是从里向外蔓延的一个东西。

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但是,IO要再行发给最上面的驱动,再行冲着最底下的设备来,驱动就是指上往下这么收到去。这是传统的协议栈。

  红色的这块,就是所谓NVMe的协议栈。NVMe跟PCIe有什么区别呢?NVMe它是一个协议栈,是一个协议。跟说出一样,中文就看起来SCSI,十分博大精深,有语法,还有成语,十分厚实。

NVMe相等于英文,非常简单必要26个字母。但是,我们都是用嗓子来说出,都是用空气来传播,振动来传播,就是这个道理。SCSI也可以跑完在PCIe上,就像SCSI跑完在FC上一样,同理NVMe也可以跑到以太网上,也可以跑到FC上,怎么over都行,over在串口上都行,只要不嫌慢。NVMe的协议栈十分轻量级,像英文一样,传达非常简单,所以它的速度较为慢。

  传统IO协议栈的问题  我们想到这个传统协议栈究竟出有了什么问题?为什么这么多人在尝试改动它?主要问题就在于存储器。它没有经常出现之前,没任何问题,它一经常出现,仅有是问题。我们看究竟有哪些问题?  第一个问题是太长。

大家可以看见,前面谈的所有这一堆东西,只不过整个就是IO协议栈。当然,SCSI协议栈是泛式的,一般指下面这块,但是上面这块也应当算数。它经历了多少个块?十分多的模块,你每经历一个模块,你这个代码就要在CPU内存之间互相交换、继续执行一会儿,还牵涉到往返转换。当然,你拿人的标准来辨别,CPU继续执行的这一条IO有可能酬劳没法多长时间,比如微秒、毫秒级。

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但是,对于SSD,SSD号召十分慢,如果上面太快,性能就充分发挥不出来。我们经常说道NVMeSSD性能很高,你是把它放在机箱里面性能很高,但是假设把一块NVMeSSD放在海南去,从北京放一个IO协议到海南,然后它回到,它认同会慢了。也就是这个IO收到来,到磁盘被接到之间,经历的路径就越宽,这个时延就越大,经历的模块就越多,每个模块处置的事情就越多,时延越大。

那就是说NVMe离近了,它就不悦了。就因为这个时延太高。  第二个问题是太重。

所谓太重,每一层都有自己的处置逻辑,比如进到VFS,要侦一下这个目录究竟对应的谁?搜fstab表格,要是采访文件系统,还获得文件系统把元数据读出来,也就是读书元数据的时候,文件系统就不会往磁盘上发IO,读书上元数据,寻找处置你这个IO适当的信息,然后IO才能进到盘,相等于一个IO启动时了N个IO,有可能极快,很轻。Block层有很多协议要处置,SCSI协议栈更加薄了,因为SCSI传统的东西,发展到现在几十年了,里面什么东西都往里加,各种库,各种长短都往里塞,里斯的整个协议栈很轻。

往北下就是黑盒,到外面的设备怎么构建,你也不告诉,有可能就是一块盘,也有可能是被别人虚拟世界出来的盘,也有可能是分布式的,像刚才谈的那种,也有可能是集中式的,你也不告诉。但是,你可以猜中到什么?下面的存储设备,只不过它内部也是个OS,你的IO到他那儿,他也要经历这层,最后才进到确实的物理盘,有可能经历N轮,IO才能下去,所以传统协议栈又宽又轻。  第三个问题是过于较宽。

所谓过于较宽,就是Block层的队列只有一个。这个队列就是IO大大的往里填,你有多个应用于采访底下的设备,多个应用于都是多盒CPU,每个CPU运营一个线程,每运营一个线程都往印发IO,如果正好四个线程都往里放IO,相等于一个单车道,两辆车同时往里塞,就不会经常出现爆胎,IO也是一样道理。

谁要往这里面放IO,要改版写出指针,线程必须将原本的值读取,变更,再行写回去,如果线程1读取,线程2也读取,那么这两个线程最后就不会有一个IO被毁掉以及错乱。另外。如果这个变量是双字节,或者四字节,你写出一个字节,我写出一个字节,最后写乱了,就瓦解了,乱套了。

所以,如果要往里放入IO,必需把这个队列锁,又把这个变量锁,再行加锁,加锁别人就无法采访了,然后你再行往里写出。这样顶上看起来是分段的,到这儿就逆串行了,又必须加锁,所以支出就十分大了,最后造成性能较为劣。当然,对于机械硬盘,都不是问题,因为机械硬盘太快了,这点支出对它来讲,显然就远比支出。  第四个问题是太浅。

这个队列不但就一个队列,还较宽,而且还深,里面容纳没法多少IO,SATA仅次于32,SAS盘仅次于256,上去还有HBA卡的队列,驱动里面的队列,Block里的队列,这些队列都是照着这个盘设计的,比如256个盘,25632,仅次于照着那个来,但是实际比这个还要较少。浅会导致什么问题?如果底下极快,深没问题,因为一时半会儿消耗不完了这也IO。但是,如果迅速,不会找到一会儿这个队列就机了,一会儿IO还没下来,又机了,整个这个跟驾车一样,油给不上,就是这个道理,太浅了。


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