VDI分布式存储数据布局技术白皮书

1. 概述

本文介绍VDI分布式存储产品中采用的缓存加速的日志数据布局技术，该技术相比当前市面上主流的开源分布式存储产品，比如Ceph，能够带来2倍以上的有效容量和2倍以上的性能提升。

2. VDI场景数据读写特性

VDI活动，一天大概包含如下几个阶段：

• Boot Storm：起机风暴，需要提供分钟级的起机支持，不能影响正在运行的虚拟机，1000台桌面会产生超过100K的IOPS。起机风暴的IO情况，又分成如下两种：

• 完整克隆：51%的48KB和64KB顺序读，17%顺序和随机各半的32KB读，最后是17%的4KB的随机读IO。完整的克隆压力同时体现在高带宽，按照xstream io的测试，4000个桌面10分钟起机完成，IOPS 250K，峰值BW在9GB/s。
• 链接克隆：与完整克隆相比，其bw小了，IOPS更高了，主要是因为在链接克隆下的起机，小IO（512B/4KB）更多。和完整克隆同样的测试环境，IOPS 310K，峰值BW 4.4GB/s，但IO基本上都为512和4K随机读写IO。

• Login Storm：登录风暴，读写各半。
• Virus Scanning：病毒扫描，主要是读。
• Patching & Recomposing：补丁，重写，主要是写。
• Steady State。常规的工作阶段，90%的IOPS是4KB、8KB的随机写IO。
• 补丁阶段随机读写各半。

其中，启机/登陆风暴的技术见《VDI启机风暴技术白皮书》，病毒扫描相关技术见《Cache加速技术白皮书》。这里描述用户Steady State阶段的数据读写问题。

由上面的统计数据可知，Steady State阶段主要是4KB、8KB的随机写IO。随机写IO在纠删码配置下有RAID写惩罚（参考下一节描述），性能往往满足不了业务需求。故VDI场景，传统上存储一般配置为副本，用更低的得盘率来获得性能上一定的提升。

3. 浅谈RAID写惩罚与IOPS计算
   1. RAID写惩罚

存储方案规划的过程中，最基本的考虑因素有两个，性能和容量。计算后端物理磁盘的IOPS不能简单的把物理磁盘的最大IOPS相加。原因是对于不同的RAID级别，为了保证当物理磁盘损坏的情况下可以恢复数据，数据写入的过程中都需要进行一些特别的计算。

比如对于RAID-5，条带上的任意磁盘上的数据改变，都会重新计算校验位。下图，一个7+1的RAID-5的条带中，7个磁盘存储数据，最后一个磁盘存储校验位。

对于一个数据的写入，我们假设在第5个磁盘上写入数据1111，如下图所示。

那么整个RAID-5需要完成写入的过程分为如下几步：

1. 读取原数据0110，然后与新的数据1111做XOR操作：0110 XOR 1111 = 1001
2. 读取原有的校验位数据0010
3. 用步骤1计算出的数值与原校验位再做一次XOR操作：0010 XOR 1001 = 1011
4. 将新数据1111写入到数据磁盘，将新的校验值1011写入校验盘

由上述几个步骤可见，对于任何一次写入，在存储端，需要分别进行2次读取和2次写入，所以说RAID-5的写惩罚值是4。

不同RAID级别的写惩罚，如下表所示：

1. 2. IOPS计算

根据上文的描述，在实际存储方案设计的过程中，计算实际可用IOPS的过程中必须纳入RAID的写惩罚机上。计算公式如下：

1. 物理磁盘总IOPS = 物理磁盘的IOPS * 磁盘数目
2. 可用的IOPS = （物理磁盘总IOPS * 写百分比 / RAID写惩罚）+（物理磁盘总IOPS * 读百分比）

假设组成RAID-5的物理磁盘总IOPS为1000，使用该存储的应用程序读写比例是10% / 90%，那么对于前端主机而言，实际可用的IOPS为：

（1000 * 90% / 4）+（1000 * 10%）= 325

故，在VDI场景Steady State阶段，RAID或者纠删码配置下，实际业务可用的IOPS非常低，往往满足不了业务需求。

4. 缓存加速的日志数据布局技术
   1. 数据写入概述

VDI分布式存储采用缓存加速的日志数据布局技术，加速虚拟桌面用户的数据读写性能。具体步骤如下：

1. 桌面操作系统，数据写入存储
2. 首先数据在本地节点的内存保留一份，同时根据系统可靠性配置，用户数据写入1个或者2个镜像节点的SSD上，SSD采用FIFO的形式顺序保存这些Journal
3. 数据镜像完成之后，返回操作系统数据写入成功
4. 本地节点数据聚合条带，计算纠删码之后，顺序写入后端磁盘
5. 同时，根据智能缓存算法，热点数据保存到SSD Cache上，供操作系统后续读取访问
6. 数据落盘之后，镜像节点的FIFO Journal通过尾部指针地址偏移，释放Journal空间
   2. 日志数据布局技术

VDI分布式存储的日志数据布局采用ROW方式，不论是追加写还是改写现有数据，都重新分配一个连续的地址空间写入。这样，无论用户的业务模型如何，所有的写数据对于后端磁盘来说都是顺序的，避免了传统RAID写流程所需的写惩罚。并且所有的数据都可以均匀的分布到不同的后端磁盘上，可以有效利用后端磁盘的总带宽和总IOPS。

如下图所示，LUN1写入A、B、C、D四个数据，LUN2写入A、B两个数据，存储系统将LUN1、LUN2的数据合并成一个条带，并计算出2个校验值之后，将数据写入后端磁盘。

当修改数据发生时，如下图所示。LUN1将数据B修订成b，LUN2写入C、D、E，LUN3写入数据A、B。系统会将这些数据聚合成条带，计算校验值之后，写入后端磁盘，然后标记数据（1 B）为垃圾数据。

但是，当系统经过长时间的修改和写入后，会产生大量的垃圾数据，从而导致无法找到条带用于新的数据写入。日志数据布局技术，通过全局垃圾回收来重新整理空间，从而做到在任何容量利用率的情况下，都可以找到新条带用来数据写入。

如果条带上的数据都为垃圾数据，则直接回收该条带。

如果条带上仅有部分脏数据，则将这些条带上的有效数据拷贝到新的条带之后，回收这些条带。

1. 3. 技术优势

该技术有如下优点：

• SSD上Journal和Cache的数据写入都是顺序的，极大减少了SSD的擦写次数，可以将SSD寿命提高1个数量级。
• 将随机写IO聚合成顺序写IO，避免了RAID算法的写惩罚，极大提升磁盘IOPS。以4KB的随机IO，128KB条带深度大小为例，每个磁盘可以提供32（128 / 4）倍IOPS。
• 智能缓存预期算法，VDI数据读取操作尽量SSD命中，加速VDI数据读取性能，同时减少对后端磁盘的IOPS压力。以Cache命中率80%为例，后端磁盘仅需要提供20%的读IO即可满足业务需求。

5. 方案对比

考虑如下需求：每个VDI节点50个VDI桌面，每个桌面100 IOPS，共需要存储提供5000 IOPS，其中写IO占90%。假设每个磁盘的吞吐为200MB/s，且能够提供200 IOPS。同时，我们假设读缓存命中率为80%，假设SSD缓存性能足够满足该场景需求，同时假设VDI有效工作时间为每天8小时。比较传统3副本、缓存加速日志数据布局技术8D2P EC和3副本下的有效容量和每磁盘能满足的业务IOPS需求。

1. 1. 传统3副本

在该场景下，读操作首先判断Cache是否命中，否则从后端磁盘读。写操作首先3副本写到对应的SSD上，后台异步将这些IO刷到对应的磁盘。

VDI节点需要后端磁盘提供的读IOPS为：总IOPS需求 * 读IO比例 * 缓存不命中率。

5000 IOPS * 10% * 20% = 100 IOPS

3副本的写惩罚为3，在VDI节点一整天开机的情况下，需要的写IOPS为：总IOPS * 写IO比例 * 写惩罚 * 每周工作时间 / 每周开机时间。

5000 IOPS * 90% * 3 * （8 * 5） / （24 * 7） =  3214 IOPS

该场景下，共需要（3214 + 100）/ 200 ，约16个磁盘。平均每个磁盘能够满足该场景312（5000 / 16）业务IOPS需求。

1. 2. 缓存加速日志数据布局8D2P

VDI节点需要后端提供的读IOPS和3副本类型的相同，为100 IOPS。

8D2P配置下，写惩罚系数为1.25，假设平均每个IO 8KB。同时，VDI产品中配置的条带深度为128KB。则需要的写IOPS为：总IOPS * 写IO比例 * 写惩罚 * 平均每个IO大小 / 条带深度。

5000IOPS * 90% * 1.25 * 8KB / 128KB = 351 IOPS

该场景下，共需要（100 + 351）/ 200 ，约3个磁盘。平均每个磁盘满足该场景1667 (5000 / 3)业务IOPS需求。

1. 3. 缓存加速日志数据布局3副本

读IOPS同样为100。

写IOPS需求为：5000 IOPS * 90% * 3 * 8KB / 128KB = 844 IOPS

该场景下，共需要（100 + 844）/ 200 ，约5个磁盘。平均每个磁盘满足1000业务IOPS需求。

1. 4. 方案总结

下表比较该场景下，3副本和8D2P有效容量、每个硬盘提供的有效容量和性能。

缓存加速日志数据布局下，纠删码和副本有相似的数据可靠性，建议以纠删码配置为主。

1. 5. 方案价值

存储方案规划中，最基本的考虑因素有两个：性能和容量。在VDI场景中，缓存加速日志数据布局，相比传统存储具备如下优势：

1. 支持在生产系统上使用纠删码，使用纠删码相比Ceph等以副本为主要数据可靠性保证的方案来说，同时具备2倍以上的有效容量和2倍以上的性能提升。
2. 即使同样也采用副本，缓存加速日志数据布局方案，也会获得2倍以上的性能提升。

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