浪潮存儲資深架構(gòu)師 葉毓睿、明勇
對于人類社會而言，最有價值的是人才;
對于數(shù)字世界而言，最有價值的是數(shù)據(jù);
對于承載數(shù)據(jù)的存儲而言，最重要的是穩(wěn)定。
浪潮存儲在提供極致性能的同時(最新的SPC-1數(shù)據(jù)，16控存儲超752萬IOPS，8控存儲超330萬IOPS，均在各領(lǐng)域居全球第一)，讓人印象深刻的還有它的穩(wěn)定，下面我們就來解析一下浪潮存儲在SPC-1里的極致穩(wěn)定表現(xiàn)。
SPC組織是存儲行業(yè)最專業(yè)的測試機構(gòu)，對于運行在線類業(yè)務(wù)的存儲，推出了SPC-1測試規(guī)范，測試內(nèi)容主要包括metrics(包含Sustain長穩(wěn)測試、Repeat壓力測試)、persistence測試，其中metrics主要關(guān)注存儲系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，persistence主要關(guān)注數(shù)據(jù)一致性和系統(tǒng)可靠性。測試流程如下圖：
SPC-1測試流程
SPC-1的負(fù)載由3個ASU(應(yīng)用存儲單元組成)，3個ASU模擬了不同的應(yīng)用存儲區(qū)域，包括臨時存儲區(qū)域ASU1、固定存儲區(qū)域ASU2，日志存儲區(qū)域ASU3，一共對應(yīng)8個IO stream，業(yè)務(wù)模型如下圖：
整個SPC-1測試既非常科學(xué)，又非常嚴(yán)格，涵蓋了存儲系統(tǒng)會遇到的各種壓力模型，最真實的反映了客戶在線業(yè)務(wù)的需求，除了性能這一指標(biāo)外，在系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性上也提出了極高的要求，比如8小時的持續(xù)烤機測試，不同負(fù)載下的穩(wěn)定性測試，靜默測試，循環(huán)壓力測試，反復(fù)掉電測試等，中間不能出現(xiàn)任何問題，浪潮存儲經(jīng)受住了嚴(yán)格考驗，交出了一份令人滿意的答卷。
為什么浪潮存儲能做到極致穩(wěn)定呢？
下面我們就從方案架構(gòu)、軟件架構(gòu)、硬件架構(gòu)、可靠性測試等方面來逐一剖析。需要特別說明的是，我們關(guān)注存儲的穩(wěn)定性的時候，許多人只是注意到存儲方案和軟件架構(gòu)，實際上存儲硬件，如架構(gòu)、設(shè)計、工藝，是否能經(jīng)受嚴(yán)苛的環(huán)境和極限的考驗，也同樣重要，在本文的后面會詳細(xì)闡述浪潮存儲從架構(gòu)及軟硬件方面如何確保穩(wěn)定性的。
其一，如何從存儲方案上做到極致穩(wěn)定
首先從方案架構(gòu)來講，浪潮存儲提供了業(yè)界最為豐富的方案級的存儲保護策略，比如同步異步復(fù)制、雙活、兩地三中心等功能。
在短距離(<300公里)場景下，浪潮提供存儲雙活和同步復(fù)制解決方案，并且在業(yè)內(nèi)創(chuàng)新性的實現(xiàn)了免網(wǎng)關(guān)雙活(如下圖右所示)，減少了IO路徑，降低了時延，更重要的是，減少了故障點，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，兩種方案對比如下圖：
代表廠家(網(wǎng)關(guān)雙活)：EMC VPLEX
代表廠家(免網(wǎng)關(guān))：浪潮存儲 等
在遠(yuǎn)距離場景下(>300公里)，浪潮提供異步遠(yuǎn)程容災(zāi)方案，利用高性能磁盤陣列的高級數(shù)據(jù)復(fù)制功能，實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程復(fù)制。
浪潮存儲的異步遠(yuǎn)程容災(zāi)方案
針對最關(guān)鍵的業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)連續(xù)性和數(shù)據(jù)安全性要求非常高，浪潮提供了兩地三中心存儲解決方案，在生產(chǎn)機房做雙活高可用，同時在異地做遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)容災(zāi)，最大程度的保障了業(yè)務(wù)連續(xù)性和數(shù)據(jù)安全性。
兩地三中心存儲解決方案
其二，如何從軟件架構(gòu)上做到極致穩(wěn)定
從軟件架構(gòu)講，為了做到極致穩(wěn)定，浪潮存儲采用了統(tǒng)一、極簡的平臺，可以在一套軟件棧上實現(xiàn)SAN和NAS的統(tǒng)一，實現(xiàn)基于機箱帶內(nèi)管理和帶外管理的統(tǒng)一，實現(xiàn)獨立機頭和盤框一體架構(gòu)的統(tǒng)一，實現(xiàn)本地存儲和異構(gòu)存儲的統(tǒng)一，除此之外，浪潮在很多軟件特性上也做了獨有的創(chuàng)新：
浪潮存儲采用統(tǒng)一、極簡的存儲軟件棧
1、 所有功能模塊，均采用輕量級用戶態(tài)模式，減少了用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)的直接交互，大大降低了對內(nèi)核的影響。一旦進程發(fā)生故障，可以在用戶態(tài)進行進程重新拉起，進行輕量級的故障恢復(fù)，不必進行控制器復(fù)位操作， 從而實現(xiàn)系統(tǒng)的IO連續(xù)，不中斷，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性
2、 采用分布式Raid，無單獨的熱備盤，硬盤故障時其他所有硬盤同時參與重構(gòu)，大大降低了硬盤重構(gòu)時間，降低了二次故障帶來數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險
3、 所有固件可在線升級(比如BIOS、CPLD、Oses、FW、BMC等)，確?？蛻魳I(yè)務(wù)平穩(wěn)運行，最大程度的降低了升級操作對客戶業(yè)務(wù)的影響
4、 豐富的故障檢測手段，比如軟件版本檢測、誤碼檢測、帶寬檢測、速率檢測、慢盤檢測等，可以確保系統(tǒng)在出現(xiàn)任何故障的時候，能第一時間找到問題根因，快速更換故障部件，盡快使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定
5、 豐富的存儲安全特性，比如本地復(fù)制、克隆、快照、鏡像等，確保存儲安全穩(wěn)定
6、 針對SSD的應(yīng)用，業(yè)界一直有個難題，就是如何在SSD上實現(xiàn)數(shù)據(jù)均衡分配，浪潮存儲針對SSD進行單獨的固件優(yōu)化，會選擇較新的顆粒進行擦寫，較老的隨后擦寫，實現(xiàn)全局智能動態(tài)均衡，延長SSD壽命
7、 端到端的數(shù)據(jù)一致性保障，數(shù)據(jù)在存儲系統(tǒng)傳輸中，經(jīng)過了多個部件、多種傳輸通道和復(fù)雜的軟件處理過程，其中任意一個環(huán)節(jié)發(fā)生錯誤都可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤。浪潮存儲提供了從主機HBA卡到存儲陣列再到硬盤的T10 PI校驗，保證了數(shù)據(jù)完整性
8、 有很多客戶在做IT規(guī)劃的時候，總是會不免擔(dān)心電源不穩(wěn)的情況，而這在生產(chǎn)環(huán)境不可避免，浪潮存儲也提前考慮到這種場景，并采用業(yè)界領(lǐng)先的AC電源防抖技術(shù)，在市電短暫掉電時(<5s)，存儲仍能對外提供業(yè)務(wù)，大大提高了系統(tǒng)的可用性
其三，如何從硬件架構(gòu)上做到極致穩(wěn)定
從硬件架構(gòu)講，浪潮存儲沿用和創(chuàng)新了業(yè)界先進的技術(shù)和理念，從整機部件，到硬件工程，到高速互聯(lián)，到電源、固件，浪潮都有大量的專利，積淀了非常豐富的實踐經(jīng)驗，并創(chuàng)新性的應(yīng)用到存儲產(chǎn)品里
浪潮存儲具備從材料到整機，全方位硬件設(shè)計能力
1、部件在線自檢，及時發(fā)現(xiàn)隱藏故障，做好提前預(yù)防，比如針對BBU，系統(tǒng)每隔一段時間會進行一次故障模擬測試，以便隱藏的故障能及時發(fā)現(xiàn);
2、豐富全面的溫度感知能力，從芯片，到部件，到板卡，再到機箱，存儲提供了最為豐富的溫度感應(yīng)系統(tǒng)，可以感知到任何一個芯片，任何一個部件出現(xiàn)的任何溫度異常， 以便能第一時間找出故障點，盡快使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定;
3、所有元器件及模塊均采用業(yè)界最嚴(yán)格的可靠性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，比如電阻、電容等元器件的耐壓值大于額定工作電壓的2倍，電源模塊實際功耗不超過額定功率的70%，大大降低了超規(guī)格使用帶來的失效風(fēng)險，有效提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
4、背板采用無源設(shè)計，最大程度的減小了元器件失效帶來的整體故障風(fēng)險，大大降低了故障率，保障業(yè)務(wù)長期穩(wěn)定運行;
5、所有部件均提供冗余，控制器、電源、風(fēng)扇、BBU等主要部件均有冗余，以確保在出現(xiàn)任何單一部件故障的時候，不會影響客戶業(yè)務(wù);
其四，如何利用可靠性測試做到極致穩(wěn)定
除了架構(gòu)及軟硬件上的設(shè)計確保存儲的穩(wěn)定可靠，浪潮在研發(fā)和生產(chǎn)中還做了很多“臟活”，正是這些“臟活”，進一步確保了浪潮存儲的極致穩(wěn)定，比如：
在研發(fā)過程中，所有產(chǎn)品都會經(jīng)過嚴(yán)格的環(huán)境測試，比如高低溫極限測試、震動極限測試、八角測試(溫度、電壓、時鐘頻率的任意拉偏組合)、溫循測試、濕度測試等業(yè)界最苛刻的應(yīng)力測試，在八角測試?yán)?，會特地將相關(guān)參數(shù)拉偏，比如溫度下降到-10度或上升到50度(正常運行是20度左右)，電壓拉低到3.2V或拉高到3.4V(正常運行是3.3V)，頻率拉低到24.99M或拉高到25.01M(正常25M)，實現(xiàn)三種參數(shù)的任意組合，進而找到系統(tǒng)的最薄弱點。
極限震動測試
存儲和其他電子產(chǎn)品一樣，其故障模型也會遵循浴盆曲線，在產(chǎn)品剛上市時，故障出現(xiàn)概率較大，度過早期運行后，故障出現(xiàn)的概率會大大降低，因此為了讓產(chǎn)品在客戶處穩(wěn)定運行，必須把早期故障篩選出來，浪潮存儲在出貨前，會經(jīng)過老化測試、常穩(wěn)測試等烤機測試，以確保早期故障能在出貨前有效攔截，降低產(chǎn)品在客戶處的故障率，提升產(chǎn)品在現(xiàn)網(wǎng)運行的穩(wěn)定性
電子器件故障浴盆曲線
硬盤是易故障部件，也是各存儲廠家和客戶最為困惑的難題，為了解決這一難題，浪潮在生產(chǎn)出貨前會經(jīng)過嚴(yán)格的性能和穩(wěn)定性測試，比如帶寬測試、訪問時延測試，可以確保所有出貨硬盤的質(zhì)量得到有效保證，據(jù)統(tǒng)計，浪潮存儲的硬盤平均故障率不到0.1%(即1000塊盤，一年內(nèi)最多有一塊盤故障)，大大低于業(yè)內(nèi)平均水平。
浪潮存儲在SPC-1里體現(xiàn)出的極致穩(wěn)定
存儲是一個極為復(fù)雜的系統(tǒng)，不僅要有成熟的方案架構(gòu)和軟硬件架構(gòu)，更要有匠心般的追求，在最細(xì)微處也要做到極致，才能給客戶提供最為穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)，浪潮存儲很好的踐行了這一理念！
核心技術(shù)總結(jié)
浪潮存儲：
擁有最為豐富的方案級容災(zāi)，比如雙活、異地容災(zāi)、兩地三中心等，保障存儲方案級的極致穩(wěn)定。
擁有極簡的軟件架構(gòu)平臺，實現(xiàn)多種場景下的架構(gòu)統(tǒng)一，并通過豐富的存儲高級特性(比如快照、鏡像、克隆等)，提供產(chǎn)品軟件級的極致穩(wěn)定。
擁有豐富的硬件全棧解決能力，從底層部件，到硬件工程，到高速互聯(lián)，到整機交付，擁有大量的設(shè)計經(jīng)驗，提供產(chǎn)品硬件級的極致穩(wěn)定。
擁有唯一落戶在企業(yè)的存儲國家重點實驗室和存儲工程技術(shù)研究中心，提供業(yè)界最嚴(yán)格的部件篩選及整機可靠性測試，保障產(chǎn)品工程級別的極致穩(wěn)定。
感謝一些同事的分享或啟發(fā)包括Rain Zou; Kenny Peng; Will Wang; Song Yang; Steven Meng; Tingmao Han等。
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