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技術白皮書

針對數據庫優化

應用背景

現代 CPU 的計算能力在過去 20 年在以超越摩爾定律的速度在發展,速度提高了近 1 千倍。而基于磁記錄的機械硬盤的存儲 IO 讀寫速度在這期間增長了不到 10 倍。在 高性能的數據庫系統中,性能瓶頸逐漸主要集中在存儲 IO。這份技術白皮書描述了原 生 PCIe SSD 的架構和性能優勢,包含數十微秒級別的讀寫延遲和高達百萬 IOPS ; 突破了傳統數據庫系統中的存儲 IO 瓶頸, 為大幅度提高數據庫的響應速度和實時業 務處理能力提供了堅實的平臺。

現代數據庫系統包含傳統的關系數據庫和新興的非關系數據庫,應用包括OLTP,數據 倉庫等。數據庫應用的特殊性對存儲系統提出了嚴格的要求:

  • ? 數據完整性。寫入的數據在掉電或系統崩潰時必須保證寫入介質中,因此數據庫應 用會非常頻繁地fsync或使用直接寫入(direct write)。這大大降低了系統寫緩沖 的效能,對寫延時提出了非常高的要求。
  • ? 小塊離散訪問。數據庫系統對數據文件的訪問是小塊(典型為8k~16k)的,離散的,近似隨機的,大大降低了系統預讀和讀緩存的效能,對隨機讀延時有非常高的要求。
  • ? 高并發度。IOPS應隨并發度的增加線性增長,保證性能不會惡化。
  • ? 高可用性。短期離線或性能降低均是不可接受的。

現有解決方案及不足

當前,很大一部分的數據中心架構解決方案都是基于磁記錄硬盤(HDD)而設計并優化。 傳統的 HDD 由于受機械臂尋址讀寫的限制,隨機讀取數據時需要磁頭機械定位,即使 高端15K基于 SAS/FC 接口的 HDD 的每秒鐘完成的隨機讀寫次數 IOPS 通常限制在 200 次左右。

SSD的出現為突破性能瓶頸帶來了可能:伴隨著SSD技術的成熟,SSD開始大規模地被數 據中心所采用。為了兼容已有的數據中心架構,很多 SSD 采用了與 HDD 相同的接口, 如SAS(Serial Attached SCSI)或者 FC (Fiber Channel),并在物理形式上與 HDD 相 似,如 2.5 英寸或 3.5 英寸。采用傳統硬盤接口的SSD直接在現有的系統中取代 HDD 可以在一定的程度上緩解存儲系統的瓶頸,改善系統效能。普通的 SSD 采用模擬 HDD 的方式在兼容性上有一定的優勢,但在性能上有非常大的限制:

  • ? 復雜的數據鏈路導致高 IO 延遲
  • ? SSD 性能受嵌入式 CPU 限制
  • ? 冗余的 IO 調度
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