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  • 全息术:下一代存储技术
  • 2021年下一代数据存储技术研究报告
  • 2021年6月24日,由中国信息通信研究院主办的“2021大数据产业峰会·成果发布会”在京召开。会上,中国信通院云计算与大数据研究所大数据与区块链部副主任姜春宇发布了《下一代数据存储技术研究报告(2021年)》。
  • 本报告聚焦于企业级存储系统,从数据存储技术面临的挑战切入,详细梳理了下一代数据存储技术,跟踪重点行业的应用动态,并展望了存储产业发展趋势。力图展现下一代数据存储技术路径及其发展前景。
  • 2021年下一代数据存储技术研究报告
  • 下一代数据存储技术研究报告(2021年).pdf
  • 计算机行业:下一代数据存储技术研究报告(2021年).pdf
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  • 1 下一代存储系统简介 1.1云存储系统简介 信息处理技术、互联网技术、云计算技术的诞生与成长对各行各业产生着潜移默化的影响。互联网时代,数据采集手段纷繁复杂,形态五花八门,半结构化与非结构化数据体量...

    1 下一代云存储系统简介

    1.1云存储系统简介

    信息处理技术、互联网技术、云计算技术的诞生与成长对各行各业产生着潜移默化的影响。互联网时代,数据采集手段纷繁复杂,形态五花八门,半结构化与非结构化数据体量日趋增大,传统的储架构已经逐渐显现出自身的固有局限。

    在传统数据中心中,以OLTP和OLAP为代表的数据库应用占据了昂贵但又低效率的在线存储设施,交易记录、分析性数据则消耗了大量的后端存储空间。异构的存储设备难以应对大数据浪潮带来需求浪潮,无法及时利用数据支撑业务决策,并在“大、智、云、移”的时代提供多样化服务。

    下一代云存储系统融合分布式存储技术,利用标准化硬件设施构造存储池,虚拟化已有存储设施空间,互联互通,打破数据调度壁垒;在统一的系统下提供了对象、块、和文件存储服务;并且具有可靠性高、管理简便的优点。同时,下一代云存储系统具有灵活的扩展性,能够提供PB到乃至EB级的存储能力。

    1.2云存储系统设计目标

    下一代云存储系统从行业切实需求出发,面向数据中心私有云场景,实现大规模、大容量的存储资源池,整合替代现有存储设施,支撑各类OLTP或OLAP业务应用。为了能够对各类决策支撑系统、研发测试系统提供有效支撑;突破随机访问海量数据的性能瓶颈;解决数据安全性、存储平滑扩容的问题,下一代云存储系统在规划建设过程中具有以下几点目标:

    1.高性能

    下一代云存储系统首先需要有能力提供足够的性能,能够覆盖到用户大部分业务需求,满足高并发或大量的业务数据分析等需求。

    2.高可用性

    下一代云存储系统需要满足更高要求的高可用性。存储和数据高可靠性是业务活动连续开展的基础支撑。在存储发生故障时候,有相应的高可用机制来支撑和保障数据的自动恢复和动态迁移。

    3.资源动态扩展

    下一代云存储系统能够支撑资源的动态伸缩以及资源池的动态扩展,能够按需分配,弹性扩展。在系统扩容的时候,能够做到性能和容量的线性扩展,避免资源的浪费。

    4.服务、接口的多样性

    下一代云存储系统能够提供多样的存储服务,包括块设备服务来满足数据库类型的存储要求;文件系统、对象等存储服务来满足半结构化数据和非结构化数据的存储要求。因此,这就要求存储能够提供丰富的标准接口,包括文件系统接口(NFS、CIFS)、块接口(iSCIS、FC)或者对象接口(S3、SWIFT)以及对内能够提供标准的管理接口。

    5.高可管理性

    下一代云存储系统在日常部署、管理、监控的环节能够实现自动化和可视化,提高存储资源服务的可管理性,包括资源分配、资源监控、故障告警等多方面的内容,提高运维管理人员的管理效率;并且逐步支持智能化的采集和分析,高效地利用现有资源,包括对存储IOPS、存储吞吐量以及存储容量的使用进行动态的监测和预测,方便管理人员对存储现有情况进行了解和及时对未来存储的扩容进行规划。

    2 下一代云存储系统架构

    2.1云存储系统总体方案架构

    下一代云存储系统的核心是统一管理存储资源,面向云平台,提供多样化的数据服务。下一代云存储系统将应用与底层存储解耦,不依赖于传统设备和应用厂商的绑定。在未来数据中心全面转型,整体上云的过程中,实现存储与计算、网络资源的联动,顺应数据价值链向服务转移。

    图 2-1 下一代云存储系统架构示意图

    下一代云存储系统主要由基于分布式架构的软件定义存储系统和轻量化异构存储统一管理组件构成。

    基于分布式架构的软件定义存储运行在标准的X86服务器之上,利用虚拟化技术,将集群中的存储资源虚拟化为存储池,并向上提供块设备、文件和对象存储服务。同时,软件定义存储具有高性能,能够轻松应对各类高负载管理的要求,其中包括业务关键型应用与核心业务系统;多副本及强一致性技术的应用提供高可用特性;极强的横向扩展能力则为业务扩张带来的管理维护提供了极大的灵活性和便利。

    轻量化异构存储统一管理组件实现了分布式存储和集中式存储的统一自动化管理,分布式软件定义存储通过面向存储统一管理组件开放存储系统的控制接口,实现存储系统的监控与运维。通过开放的接口,异构存储统一管理组件可以实现分布式存储系统的资源划分与服务编排,并对集中式存储设备划分基于不同QoS策略的虚拟卷服务于云平台,实现与计算、网络的联动。

    2.2系统组件及功能

    2.2.1基于分布式架构的软件定义存储系统

    基于分布式架构的软件定义存储技术集中提供包括对象、块、和文件在内的多种存储服务,并且具有可靠性高、管理简便的优点,并且具有灵活的扩展性,能够提供PB到乃至EB级的存储能力。

    基于分布式架构的软件定义存储技术把所有服务器的硬盘虚拟化成为若干个资源池,提供虚拟卷的创建/删除和快照等功能,提供北向虚拟卷形式的存储服务。

    软件定义存储系统分为硬件设备层、引擎驱动层、特性功能层、服务接口层以及监控管理层五个层面,具体的功能架构图如下所示:

    图 2-2 软件定义存储系统层级示意图

    1.硬件设备层

    基于分布式架构的软件定义存储系统通基于标准的X86服务器,配以不同的磁盘介质,包括传统的机械磁盘HDD、SATA-SSD以及PCIE-SSD等,来提供不同等级的IOPS和带宽等服务性能,同时10GE网卡的广泛应用也让系统在传输和重建过程中具有更快的速度。

    2.驱动引擎层

    基于分布式架构的软件定义存储系统采用分布式算法(例如CRUSH、DHT等)将数据趋近于随机的分散于集群中的所有磁盘中,避免了数据存储热点的产生。数据的存放通过多副本提供高可用性,每个副本分散于不同的服务器上,并且根据业务需求能够遵循强一致性。单个硬盘或节点的故障不影响业务的连续性,一旦发生故障,系统会自动重建。

    3.特性功能层

    基于分布式架构的软件定义存储系统能够实现精简配置,即支持提前划分存储卷的大小,但是加分配时按照数据写入的规模自动增长,节省可用存储空间。在卷级层面可以实现实时QoS,调整附加在卷上的限制属性,同时为了业务的需要,系统也支持在线扩容和缩容,保证其他卷能够获取足够的空间。除此之外,还有快照、容灾、备份等功能。

    4.服务接口层

    基于分布式的软件定义存储系统能够提供多样化的存储服务,支持基于开放Linux平台的SCSI设备输出,支持iSCSI接口协议,支持FC接口协议和基于FC的硬件。

    5.运维管理层

    基于分布式架构的软件定义存储系统能够通过向用户提供可视化交互界面来完成系统的自动化配置、在线升级、告警、监控和日志等功能。包括系统日志和操作日志。系统日志记录重要的系统事件,操作日志记录操作员行为,便于排错、审计以及跟踪。

    2.2.2轻量化异构存储统一管理组件

    轻量化异构存储统一管理组件基于Openstack Cinder组件,实现了对后端存储资源的统一管理,来提供业务驱动、自动化的数据服务。轻量化异构存储统一管理组件将应用与底层存储解耦,解除设备厂商的绑定,打破异构存储设备之间的壁垒,将存储功能应用化,支持文件、块、对象等类型存储资源分配服务。

    在云计算应用场景下,从租户的角度看来,将不同架构的存储封装起来,无论是传统的集中式存储还是分布式存储都进行统一管理并向上提供服务。

    图 2-3轻量化异构存储统一管理组件架构示意图

    轻量化异构存储统一管理组件向下可以将各设备中可提供相同能力的存储资源聚集起来,进行统一管理。这一功能基于Openstack的Cinder组件,通过不同存储厂商提供的面向OpenStack的Cinder的驱动来获取不同存储设备的基本信息,包括磁盘类型、空间大小、服务能力等。在获取不同的存储设备信息之后,将性能、服务相近的存储设备进行编排、分组,以供后续使用。

    轻量化异构存储统一管理组件可以实现业务部署自动化、运维监控智能化。其中,业务部署自动化是指支持运维人员编辑保存服务模板,目的是为了简化创建调用存储的流程。在申请存储资源的过程中,仅需要输入存储容量和卷的数量即可完成资源的申请,统一管理组件会根据事先编排好的模板自动调用不同模块来完成具体工作。同时该组件也支持运维监控的智能化,即针对不同的存储池,不同的虚拟卷,都能够实时监控性能与故障,对存储卷进行有效性、空间、数据可用性等方面进行的监控管理;支持在存储系统的各级软硬件产生故障时,由控制台向管理员告警提示;支持卷级的QoS编排,保证不同租户之间的服务质量。

    轻量化异构存储统一管理组件北向通过REST接口与虚拟化平台或者容器云平台完成兼容,实现存储资源服务的统一发放。OpenStack的不同组件如Cinder、Nova等与异构存储管理组件,完成卷的划分与挂载,实现云硬盘的分配或者虚拟机实例创建在云硬盘中;Kubernets中Persist Volume 存储系统则通过Cinder提供的插件,实现应用和服务的状态保存。

    3 下一代云存储系统特性

    3.1高性能

    下一代云存储系统基于主流的开源分布式存储技术以及开源云平台中的存储管理模块,充分满足国内企业自主可控的要求。下一代云存储系统能够胜任高并发、高效率的需求,与主流NVMe闪存相结合,突破单点性能瓶颈,适应多种场景需求。

    3.1.1 I/O并行提升性能

    下一代云存储系统提供了类似于条带化技术的并行I/O功能,满足支持业务开展的高性能需求。独立存储设备的吞吐量限制,极大影响了存储的性能和伸缩性,所以存储系统一般都支持把连续的信息分片存储于多个设备以增加吞吐量和性能。在下一代云存储系统中,数据会均匀分布到存储池中所有的硬盘上。当某台应用服务器进行读写时,集群中所有的节点都会对其提供服务,这样能很好地保证IO并发。

    3.1.2闪存的应用与分级存储

    下一代云存储系统支持各类接口闪存介质,通过闪存介质的使用,来提供高性能的IO。当前闪存存储开始进入开始逐渐进入数据中心市场,如表3-1所示,闪存相比HHD具有如下差别:

    表 3-1 闪存与HDD特性对比

    固态闪存SSD作为新的存储技术,相比HDD具有超快的数据访问速度,随机数据访问速度比HDD快100多倍,响应时间从毫秒级缩短到亚毫秒级(0.1ms),将IOPS从HDD的200-300提升至数万。SSD的高性能充分满足了存储系统I/O负荷瓶颈带来的困扰。

    SSD在下一代云存储系统中的应用有两种不同的方式,均能提升性能,一是作为读写缓存,二是作为数据盘直接存储数据。

    在第一种情况下,下一代云存储系统采用缓存算法对热点数据进行优化,使热点数据尽可能驻留在高速闪存存储上,以提升系统性能;而对于访问不频繁的数据则从高速存储中迁移到低速机械磁盘做持久化存储。这种方式对于大量读取场景下的业务系统具有较大的提升;或者将高速存储设备作为全局缓存,数据先写入高速存储中,在适当的时机再将数据同步入后端存储中,这种方式同样可以在满足性能要求的前提下明显降低存储成本。

    图 3-1 下一代云存储系统的多级缓存

    面对对性能有强烈需求的业务场景,第二种全闪存模式能够大幅度增强对各类高要求负载的管理,其中包括业务关键型应用、核心业务系统等等。这种情况下,可以充分发挥闪存存储的高性能读写,但是成本较高。

    3.2高可靠性

    3.2.1数据多副本存储

    下一代云存储系统采取多副本备份机制替换传统的RAID模式来保证核心数据的完整性。同一个数据,在系统的不同节点的不同磁盘上会有大于等于三个副本的存储,这样,当节点或者磁盘产生故障的时候,数据可以从冗余的副本中读取并恢复。同时所有的数据均匀的分布在所有的节点上以达到负载均衡的效果,避免局部热点的出现。在下一代云存储系统具体部署时,所有的副本采取跨机架同步分布策略,确保单一机架掉电后的数据可用性。

    3.2.2保持数据一致

    下一代云存储系统支持强一致性和最终一致性两种模型,面向不同的业务场景需求。保证租户成功写入一份数据时,几个副本都保持一致,在读取数据时,无论从任何一个副本上进行,都能够保证取到最新的、可用的数据。强一致性情况下,保证对副本的读写操作会产生交集,从而保证可以读取到最新版本;无论更新操作实在哪一个副本执行,之后所有的读操作都要能获得最新的数据。最终一致性情况下,保证用户最终能够读取到某操作对系统特定数据的更新,针对的是读写都比较频繁的场景,是一个比较折中的策略。

    3.2.3服务质量保证(QoS)

    无论任何行业,业务的连续性与高质量是主流需求,下一代云存储系统提供了多种场景下的服务质量保证手段:

    1、提供面向卷级的服务器访问QoS,充分避免非关键应用占用过多带宽;

    2、在数据较长时间处于不一致的状态时,自动触发数据重建,在此过程中支持QoS,保证重建过程中占用过多带宽,避免影响关键业务的稳定运行。

    3.2.4副本安全边界

    规模庞大的分布式系统,必须考虑多故障的安全隐患,以统计学的规律和概率分布来看,磁盘数量越多,磁盘发生故障的概率越大,甚至几个磁盘同时发生故障。不断的故障会造成系统大部分资源都用于数据重建,影响业务的稳定运行。因此,下一代云存储系统中,为保证系统达到预期的可靠性目标,必须在保证高并发的前提下,尽量缩小副本分布的磁盘范围,即设定安全边界,以防止数据丢失的风险陡然上升。

    副本安全边界有两种模式,一是基于池级的安全边界管理,设定存储池最大跨越的磁盘数量;二是基于卷级的安全边界管理,即设定虚拟卷最大跨越的磁盘数量。

    3.3可扩展性

    下一代云存储系统支持大规模扩展,最低三节点,直至上千节点,随着存储设备数量的增长,整个系统的吞吐量和IOPS等性能指标也同时会随之增长。并且容量和性能呈线性扩展。一旦需求有所变化,即可通过模块化的方式添加更多的存储资源和计算资源。在扩容和缩容的过程中间,分布式算法保证了数据的负载均衡,结合自动的QoS策略,在用户无感知的情况下,保证不会与现有业务产生影响,保障系统的稳定运行。

    图 3-2下一代云存储系统的横向扩展

    3.4易管理性

    3.4.1兼容第三方管理监控接口

    业界主流Web管理界面主要包括SOAP和REST标准,其中后者架构更为轻便,新生系统多采用后者。VMware体系至今仍以SOAP标准为主,而面向OpenStack的接口则遵循REST标准。下一代云存储系统所提供的接口能够兼容这两种标准。

    3.4.2虚拟化和私有云应用支持

    下一代云存储系统支持主流操作系统,可以部署在RedHat、SUSE、CentOS以及Ubuntu上。虚拟化平台则支持VMware、Hyper-V以及KVM等。支持通过RESTful API标准接口与OpenStack 的Cinder组件和SWFIT组件进行交互,向私有云应用提供存储支持。

    3.5高级功能

    3.5.1自动精简配置

    下一代云存储系统支持自动精简配置功能,在创建逻辑卷时,并不真实占用实际物理资源,而是在逻辑卷使用过程中,按需实时分配实际物理空间资源,节约了存储资源,简化了存储规划难度。在存储系统的使用过程中,租户在资源申请阶段往往无法准确预估在业务广泛展开后的具体需求,因而会多申请部分的存储空间作为缓冲,而这部分资源往往无法做到物尽其用,存在了大量的浪费现象。在实际使用中,可以设置容量阈值,当剩余存储容量低于阈值时,进行提示。

    图 3-3 下一代云存储精简配置

    3.5.2卷级快照和链接克隆

    下一代云存储系统提供卷级的快照功能,进行增量备份,并能根据需要快速恢复到每一个备份点,对业务中断后提供快速的恢复功能保证,加强系统整体的连续性,提供了业务质量保证的手段与方法。

    同时此系统还支持链接克隆的机制,基于一个快照创建出多个克隆卷,创建出来的克隆卷与原始卷中的数据内容一致,克隆卷的修改不会影响原始卷,用户既可以通过快照来还原卷以恢复丢失的数据,也可以从快照来创建模板,直接启动新的虚拟机以保证业务的连续性。

    图 3-4下一代云存储系统采用增量快照

    3.5.3全局负载均衡

    下一代云存储系统采用的分布式架构使得数据的IO操作均匀分布在不同服务器的不同硬盘上,避免了局部热点的出现,实现全局的负载均衡。

    系统将数据块打散存放在不同服务器的不同硬盘上,冷热不均的数据均匀分布在不同的服务器上,不会出现集中的热点;数据的分配算法保证主副本与其余副本在不同服务器和不同硬盘上均匀分布;同时,在节点或者硬盘故障时,在数据重建的过程中,也实现全局负载均衡。

    4 下一代云存储系统部署方案

    4.1部署拓扑

    数据中心内部系统的核心要求是“稳定可靠”,一是指系统在运行过程中有能力提供连续可靠的服务,长时间无故障运行;二是指当故障发生之后,有能力快速定位,及时排查,故障范围不蔓延。

    分离式部署的方式,使得系统与云平台系统相独立,避免了计算和存储争抢CPU/内存/网络等物理资源,一旦某一方资源需求骤升导致的另一方资源枯竭,从而影响性能并在整个基础架构中产生的涟漪效应;和在超融合部署方式在集群规模较大后,网络、硬盘、服务器发生故障的概率都会增大;以及数据重删、压缩、加密纠删码等功能、故障的自修复和数据功能实现都会消耗一定的系统资源,导致性能下降和抖动等问题。

    分离式部署相比超融合方式的优点:

    表4-1分离式部署与超融合的对比

    从业务稳定、系统可靠的角度出发,下一代云存储系统采用分离式部署的方式,即存储系统服务器独立于计算资源服务器。这一部署方式使得存储与计算相独立,因而两者之间的故障不会相互影响,易于后期运维故障排查;并且计算与存储的配比可以根据业务场景的需求自行调配,灵活程度高,如果需要扩展资源的话,也可以单独对存储进行扩展;同时,计算与存储分层管理,也清晰了管理权限。具体部署架构如下所示:

    图4-1下一代云存储系统物理部署方案

    其中,存储管理节点需要在两个以上的节点上部署以保证高可用,同样,轻量化异构存储统一管理组件也需要在两个节点上进行部署来提供高可用。

    4.2硬件规格

    下一代云存储系统基于标准的X86服务器,软硬件解耦,解除厂商绑定,支持设备利旧,保护历史投资。下一代云存储系统对硬件平台具有如下基本要求:

    1.运行在标准的X86服务器上;

    2.基于分布式架构的软件定义存储系统集群内部服务器硬盘数量必须一致;

    3.软件定义存储正常运行需要占用单个服务器的处理器的核心数量需大于

    4+N(N是硬盘个数,一个硬盘对应一个核心),例如:单个服务器5个硬盘,共计需要4+5=9个核心,则服务器需配置12核处理器;轻量化异构存储统一管理服务需要8核以上的处理器;

    4.软件定义存储正常运行的服务器的物理内存需满足如下条件:

    大于10GB +(N*2GB)(N是服务器上所有硬盘总计存储容量,单位TB),例如:单个服务器5个硬盘,每个硬盘4TB,则共计需要10GB+20GB*2=40GB,服务器需要配置64GB物理内存;轻量化异构存储统一管理服务需要16GB以上的物理内存;一般情况下,随着内存容量的增大,性能也会越好;

    5.分布式架构的存储集群性能很大程度上取决于存储介质的有效选择。下一代云存储系统内部服务器须有板载PCIe插槽,支持使用快速的SSD硬盘作为缓存来为HDD加速,或者直接采用全闪存架构。使用SSD作为缓存加速的场景下,通常建议一个SSD对应3~4块HDD。使用PCIe/NVMe SSD作为缓存加速的场景下,通常建议一个SSD对应8~10块HDD。

    6.服务器需要四个网口支持双平面,并且两两绑定(配置网口聚合(Bond),模式为802.3ad(Bond模式为4),此模式提供了容错性,提供高网络连接的可用,同时提供了相当的性能。具体的存储平面带宽要求不低于10Gbps。

    4.3组网方案及网络规划

    由于数据的机密性与敏感性,业务相互之间的隔离对于在数据中心内部非常重要。在数据中心内部,数据的访问需要受到严格控制,必须进行业务与管理的网络相互隔离。管理网段与租户网络三层互通,租户通过管理网段访问下一代云存储系统的Portal界面并下发增、删、检、查等管理指令;业务网段则负责业务数据的传输,当存储空间以卷的形式通过业务网段挂载给前端业务系统,并在此网段上提供服务。

    按照分布式存储的范式,下一代云存储系统的管理和业务分属两个网段,互相独立,互不影响,数据传输只在业务网段上进行,管理与业务通过服务器通信,无法通过网络互访。

    图4-2下一代云存储系统网络拓扑示意图

    在业务网段上,规划每个服务器由两根网线分别连接到两台交换机。在管理网段上,规划每个服务器由两根网线分别连接两台交换机。通过节点级的双网卡主备以及集群级的交换机主备来提供网络高可靠性。两个网段使用独立的物理网卡进行隔离,在条件不满足的情况下使用不同VLAN隔离。

    依据木桶效应,一个系统的整体性能上限往往是由系统中的薄弱环节决定。当集群采用混合存储的配置时,标准的10Gbps高速网络能够满足相当规模的集群在负载均衡、数据重建时的压力;然而,当集群采用全闪存架构时,硬盘性能将大幅提升,此时标准的10Gbps网络有可能会成为系统中的短板,56 Gbps InfiniBand网络乃至更高速的100 Gbps网络,近似无阻塞通信,突破存储系统内部交换的瓶颈。在InfiniBand网络中,通信时延控制于纳秒级,计算存储信息及时传递,配合SSD的高速读写,具有可观的性能。

    5 下一代云存储系统应用场景

    5.1下一代云存储系统和虚拟化平台

    OpenStack提供标准的API接口来管理整个底层架构资源。OpenStack 提供块设备存储服务的组件Cinder,本质上是一个资源管理组件,将后端不同的存储设备进行封装,向外提供统一的API,本质上并不是一个存储系统,而是使用插件的方式,结合不同后端存储的驱动提供存储服务,核心是对卷的各种操作与管理。包括通过虚拟卷的方式为虚拟机提供云硬盘,或者可以用于存储并启动虚拟机实例。在虚拟机的各个生命周期中,具体能够实现如下几种操作:

    1、在创建虚拟机的时候,需要对卷进行创建和挂载操作;

    2、在使用虚拟机的时候,需要对卷进行扩展、备份操作;

    3、在删除虚拟机的时候需要对卷进行分离、删除操作。

    通过Cinder组件,用户可以方便、高效地管理虚拟机数据。下图展示了Cinder组件使用后端存储的示意图。计算虚拟化组件Nova与存储管理组件Cinder之间通过RabbitMQ消息队列进行通信。:

    具体的调用流程如下:

    1、用户通过页面或者命令行发出存储管理请求,并通过Cinder-API发出;

    2、Cinder-API通过RabbitMQ消息队列将此消息加入Cinder-scheduler中,依次进行调度;

    3、Cinder-scheduler通过RabbitMQ消息队列与Cinder-Volume通信,将创建、挂载等卷管理请求进行传递;

    4、Cinder-volume收到存储资源请求之后,向后端的下一代云存储系统通信,进行操作,执行请求。

    自此,完成了用户的一个存储资源管理操作请求

    图5-1下一代云存储系统在OpenStack中的应用

    5.2下一代云存储系统与容器云平台

    容器虚拟化技术已经成为一种被大家广泛认可的服务器资源共享方式,容器技术可以在按需构建容器技术操作系统实例的过程当中为系统管理员提供极大的灵活性。容器技术为应用程序提供了隔离的运行空间,每个容器内都包含一个独享的完整用户环境空间,并且一个容器内的变动不会影响其他容器的运行环境。

    下一代云存储系统通过容器引擎卷插件或者编排调度的API接受北向的创建、删除、加载、卸载和迁移数据卷等实际的存储操作请求,并传递给底层的数据平面去实现。Kubernetes作为其集群管理工具,基于其插件化的设计,将有状态的数据保存在以 Persistent Volume(PV)为基础的存储系统。

     

    转自:http://stor.51cto.com/art/201711/556003.htm

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  • 下一代ERP技术

    千次阅读 2014-03-28 18:25:12
    下一代ERP技术很多企业CIO亲手经历的项目是局域网内的C/S技术技术构成很简单,后端是关系数据库(一般是SQLSERVER,高级点的是Oracle),客户端一般是VB/PB/DELPHI来写(高级点有人用.NET WinForm来写)。...
    下一代ERP技术
    


    很多企业CIO亲手经历的项目是局域网内的C/S技术,技术构成很简单,后端是关系数据库(一般是SQLSERVER,高级点的是Oracle),客户端一般是VB/PB/DELPHI来写(高级点有人用.NET WinForm来写)。再复杂点的还有曾经流行的微软COM技术,用DELPHI写COM组件。再复杂点的再加一个数据上传、系统调用整合的中间件。


    再往后走,就是B/S系统了,这一下把技术门槛给拉了一个档次。不仅这个阶段的应用也从单系统变成系统间更多业务关联的ERP,技术也变成HTML/JS/CSS、IIS/Apache、WebLogic/JBOSS/Tomcat、RedHat。而且平台也拉了一个档次开始有了工作流引擎、消息引擎、预警引擎、缓存、日志、异常、安全、集成、查询分离、负载均衡、双机热备等等,还有一揽子商业智能所需要的ETL/DW/图表/交叉表/切片上钻下钻旋转。数据量也大起来了,用户也多起来了,存储不能是本地硬盘了,需要专业存储了,什么阵列/条状化技术名词都冒出来了,网络也是路由器、硬负载均衡器、硬件防火墙、光纤、万兆网卡都出来了。这些复杂应用、复杂项目、复杂平台技术、复杂硬件技术,一下子把对自己拥有技术优势而自信的CIO们冲的一楞二楞的。IT部门不擅长技术了,只能给软件公司打帮手了。


    而且这时候的项目负责因而组织、分工、流程、专业性也复杂了。实施又分业务流程咨询、IT规划、IT架构咨询、系统集成部署、主数据管理、培训管理、项目管理等等,而项目管理又分为团队管理、计划管理、需求管理、验收管理、PMO管理。即使是服务,也被细分为应用服务、客户服务、技术服务。而技术服务又被细分为技术运维和技术支持。你娘的,连实施和服务也不会了。怎么办怎么办,搞了十来年IT,现在技术、实施、服务、管理全都自己不合格了。所以在这个阶段,很多系统基础设施安装部署维护工作、实施工作、项目管理工作、服务工作、运维工作,CIO和IT部门开始逐步外包。IT部门成为了一个整合型部门,领衔企业IT建设,整合IT供应商和业务部门。


    大浪淘沙,还是有一部分CIO们经过艰苦学习和深度参与,掌握了这些高难的业务体系、ERP应用、技术平台、实施、项目管理、服务、运维。但下一代ERP所需的技术浪潮会是怎样,这让这帮好容易赶上的CIO们心惊胆战,30多岁时还能勉强赶赶,现在都40了怎么赶?


    有朋友问我如果我要规划下一代ERP会采用什么技术?


    我说下一代企业是平台型企业,内部是小自主精英团队高内聚低耦合,大量采取外包、合作,大量采取并购、控股,大量借助互联网进行业务开展、产业网络协作、数据收集统计分析,直接服务最终客户最终消费者。


    这样的企业都是推倒企业的墙,企业内部团队和企业外部团队的边界模糊了,自己的员工和合作伙伴和客户用户的边界也是模糊的,这些人、事、信息都在一个IT平台上。而且这个IT平台不是个唯一的一体的紧密整合集成的平台,因为是到处采购到处合作到处借助各种互联网服务到处调用各种互联网服务所提供的Open API和数据收集,所以这个平台本身就很松散、弱连接。


    这么多用户、这么多方面的业务协作、数据交互/收集/统计分析,而且严重依赖现在各种互联网服务,所以这个IT平台首先就不可能建设在企业内部,而且也不可能专属于企业自己黑盒子掌握,你自己要竭力围墙,但业务本身就是没有围墙,你这样的IT导向就和业务导向违背了。


    首先我肯定要把应用平台建设在现在的技术云托管商上。他们来负责最基础的系统硬件系统软件的运维、升级、迁移、扩展、修复,这样我就可以想象我有无限多的硬件资源,不需要为性能弹性扩展、可用性、安全防护这些非业务功能性要求而头疼了。要知道,要支撑大量最终消费者,这种技术门槛很高。一个企业员工人再多能多过消费者?而且有些高科技的引擎,如搜索引擎、地图引擎、语音识别引擎、图片识别引擎、支付引擎,这些都是我们下一代IT所需要但我们却没有能力建设的引擎,所以这么高的技术门槛我作为ERP应用开发商我也搞不定这些技术了,只能托管给更专业的技术云服务商,只有像腾讯、阿里、百度等等这样本身拥有海量用户海量数据的企业才有这样的技术实力。


    说完基础硬件,再说说基础操作系统。可能你们现在还能跟得上Linux这样的操作系统,但未来我不认为操作系统居于那么突出的位置。因为未来这么多的用户这么多的数据,必然需要的是分布式运算分布式存储。需要有一个基础层架高在现在Linux之上来组织几十万台服务器同时分布运算/结果汇集呈现到前台。现在有一种开发语言叫Golang,是Google开发的,它就屏蔽了咱们过去常见的进程、线程、纤程等概念,而是直接用一个通道的概念来统一,没有进程、线程的概念。为啥这样,因为分布式运算是跨CPU、跨服务器的,你不能探底到最下层去控制哪个CPU,是本地服务器还是远程服务器。


    现在分布式存储的基础层已经比较完善,有分布式文件系统在支撑,比如现在很火热的Hadoop。但硬件IO资源物理隔离这块还有些问题,相信有人有智慧解决这个问题。现在你不能访问本地文件或某台服务器的文件,你只能通过API来调用,你不知道你所需要的文件是放在了哪个大洲的哪台服务器上,它是怎么做迁移做备份复制做同步做校验的。


    在分布式文件系统基础层之上,现在就有各种存储引擎了。有的是专门存取照片/文档的,有的是专门存取音频/视频的,有的是专门存取消息/日志的,有的是专门存取多维数据的。这几年火热的的NOSQL说的就是它们。数据的搜索也有Lucene。目前在关系数据的存取上大家还进展缓慢一些,不过几大互联网巨头(Google、Facebook、LinkIn、Twitter)已经联合起来专门在MySQL的开源技术上琢磨海量关系数据的存取引擎。


    现在的数据随着闪存的发展、内存的发展,随着内存存取引擎的研发,更多的开源框架已经重心在内存操作上,和永久存储进行底层的同步,与上层应用无关。在内存缓存框架方面,Redis/Memcache应用广泛。


    在系统的整合上,Facebook的Thrift和Google的Protocol Buffer是双雄,各种开发语言都可异构整合调用,而且现在都有国际主流Open API和OAuth行业标准规则,让系统间调用/对外开放更加标准、简便。


    在前端层,要兼容多移动操作系统(iOS/Android/WP),要兼容多屏(手机/平板/PC/电视/汽车),要跨浏览器,也是异常复杂。这里JQuery、Bootstrap(Twitter发布的Web响应式技术框架)可帮些忙。


    我的CIO朋友听完我的介绍都懵了,一个技术都没听说过。看来自己是跟上不下一代企业、下一代商业模式、下一代ERP应用、下一代ERP技术了。那自己是不是要被扫出历史舞台了?


    我说我改天再给你讲讲下一代CIO。
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  • SCM:新一代存储介质技术

    千次阅读 2021-01-16 14:19:03
    SCM:新一代存储介质技术什么是SCM介质?SCM介质现状SCM介质产品形态和在存储系统中的应用高性能SSD字节型DIMM形态小结 什么是SCM介质? SCM(Storage Class Memory)是当前业界非常热门的新介质形态,同时具备持久...

    什么是SCM介质?

    SCM(Storage Class Memory)是当前业界非常热门的新介质形态,同时具备持久化(Storage Class)和快速字节级访问(Memory)的特点。当前也有叫SCM为PM(PersistentMemory)介质或者NVM(Non-VolatileMemory)介质。SCM介质的访问时延普遍小于1µs,比当前常用的NAND FLASH快2-3个数量级,读写时也没有NAND Flash顺序写入和写前擦除的约束,操作过程更简单;同时,SCM介质的在寿命和数据保持能力方面的表现也远超NAND Flash。基于这些特点,业界普遍认为SCM会成为颠覆存储系统设计的新一代介质,并优先应用于性能和可靠性要求较高的场景。

    SCM介质现状

    目前在研的SCM介质种类繁多,但是比较主流的有4个大类: PCM、ReRAM、MRAM和NRAM

    **PCM(Phase-change memory)**即相变存储器,利用特殊合金材料在晶态和非晶态下的导电性差异来表示0或者1的状态。其优点是结构简单,便于实现大容量和低成本,缺点是对于高温比较敏感。PCM可用于Cache加速场景和大内存应用场景,由于其寿命和内存仍有一定差距,因此需要在系统设计上针对PCM进行优化以避免“写穿”。一个典型的设计优化是搭配DRAM,形成分级的大容量内存资源池,同时满足高性能和高可靠要求。业界SCM的典型代表为Intel和Micron联合研发的3DXpoint。从当前的技术和市场发展趋势看,3DXpoint是未来3年内最具规模商用能力的SCM介质。

    **ReRAM(Resistive random-access memory)**即阻抗随机存储器,通过在上下电极间施加不同的电压,控制Cell(存储单元)内部导电丝的形成和熔断对外呈现不同的阻抗值。其优点是不同阻抗值可以表示不同状态,理论容量密度和成本可以最优;缺点是读写寿命和性能都较低,主要应用于高速的数据存储场景。典型代表厂商为HPE和Crossbar,目前成熟度有待加强。

    **MRAM(Magnetic Random Access Memory)**即磁性随机存储器,通过电流磁场改变电子自旋方向来表示不同状态,理论性能和寿命都很高,适用于贴近CPU侧的高速缓存(如L2 Cache,L1Cache),当前理论研究比较成熟,但是工艺成熟度低,实际产品容量密度较小,代表厂商为Toshiba和Everspin。

    **NRAM(Nantero’s CNT Random Access Memory)**即碳纳米管随机存储器,采用碳纳米管作为开关,控制电路通断表示不同的数据状态。由于碳纳米管尺寸非常小并且具备极强的韧性,因此NRAM理论制程可以达到5nm以下,密度和寿命及其优秀,理论功耗也比较低,可用于替代SRAM(Static random-access memory or StaticRAM)的应用场景。当前由Nantero授权其他存储芯片厂商加工,成熟度比较低,距离规模商用仍需很长的发展历程。

    在这里插入图片描述

    SCM介质产品形态和在存储系统中的应用

    高性能SSD

    SCM第一阶段的应用形态,是基于NVMe Block接口,兼容原有生态的SCM SSD,如Intel推出的OptaneP4800X系列。这种形态对现有系统架构改变不大,同时提供了相对Flash SSD更高的性能。另外,由于SCM SSD无需垃圾回收操作,避免了NAND SSD长期使用后的性能衰减问题,提供了更稳定的时延。业界基于此形态的存储产品正在逐步出现。

    这种形态在存储系统中的主要应用方式包括:

    **元数据缓存:**作为AFA产品(全闪存阵列)的元数据缓存,配合DRAM,形成内存+SCM SSD的两级缓存机制,突破内存容量瓶颈,在保持性能稳定的情况下支持更大的用户容量;

    **数据缓存:**作为用户数据的加速层,提升典型应用场景下的性能体验;

    **主存场景:**作为用户数据的存储层,提供高性能存储系统以满足某些场景的性能要求。

    字节型DIMM形态

    SCM第二阶段的应用形态,是基于内存访问语义(Load/Store),以DIMM的形态接入系统的可持久化内存。这种形态可以提供与内存接近的访问时延(100ns级),并提供相对内存更大的容量和数据持久化能力,是未来超高性能存储系统的重要基础技术。

    要利用好这种形态,需要对现有计算机系统软硬件架构进行较大变化,业界在基于持久化内存的数据结构,事务技术,硬件架构,编程工具等各方面均在进行相应的探索。如在网络方面,现有的跨CPU间内存访问受限于网络时延,无法充分发挥SCM介质持久化的特点(即使最快的网络访问也需要3µs以上,远超介质本身的时延)。因此,华为与其他IT巨头共同提出了Gen-Z标准,使得SCM可以独立以Gen-Z接口接入Gen-Z总线,各CPU可以以纳秒级的时延访问共享SCM介质,才能更好的发挥SCM的性能。

    现有跨CPU内存访问网络:

    在这里插入图片描述

    Gen-Z新一代内存访问网络:
    在这里插入图片描述
    DIMM形态存储需要的各项技术仍在探索中,华为也有相应的前沿性研究项目在进行中,在这项技术成熟后,会第一时间应用于华为存储系统中。

    小结

    SCM介质以其独特的设计原理,极大的弥补了IO设备与内存设备之间的时延鸿沟,同时使内存具备了持久化功能,必将对现有计算机体系结构以及应用方式产生很大影响,在未来很长一段时间会持续成为计算机体系创新的热点,华为也会持续关注SCM的产业化进程,利用这种新的技术,为客户提供创新性的存储产品。

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  • 全息存储技术

    2008-02-01 10:22:00
    由于是简单的转载,因此有些图片...全息存储技术将会让几十GB容量的“下一代DVD光盘”相形见拙,将全息技术运用在存储上面,能在一个方糖块的体积大小上保存1000GB(ITB)的信息容量,这些一切离我们已经很近,全息存储
    由于是简单的转载,因此有些图片可能不能显示,在此,我只是作为一个资料记录,没有其它用途。
      随着技术的进步,人们对信息的需求越来越多,对大量信息的存储要求越来越高,“下一代DVD”的标准之争越演越烈。全息存储技术将会让几十GB容量的“下一代DVD光盘”相形见拙,将全息技术运用在存储上面,能在一个方糖块的体积大小上保存1000GB(ITB)的信息容量,这些一切离我们已经很近,全息存储时代的大幕将在2006年拉开:
      什么是全息摄影技术(holography): 全息即 “ 全部信息 ” 的意思。它与一般的摄影机摄影不同。它是用一条激光束将一个物体照亮,使其反射到那个底板上去,再用另人睛条光束,经过平面镜,也反射到那个底板上去,两者在底板上形成一幅 “ 干涉图样 ” 。底板再受到第二条波长相同的激光束照射时,就会显现出清晰的图象。
      容量更高、速度更快、可靠性更强,永远是用户对硬盘孜孜以求的目标。在美国《福布斯》杂志近期评选出的本年度科技流行趋势中,全息存储技术赫然位列其中。
    全息存储器崭露头角
      目前现有得DVD单片容量为8.5GB,而下一代DVD存储容量能够达到50GB,被《福布斯》杂志评为未来10大“最酷”技术之一的全息存储技术理论上可以达到1000GB以上的数据,目前的全息存储产品已经达到了300GB的容量,是所谓的下一代DVD存储容量的6倍。全息存储技术的研发已经持续了40多年,一直没有真正的实现,最近日本、美国的几家公司相继宣布,将在2006年推出可以商业化销售的全息存储产品。其中,美国的印菲斯技术公司,以传统的“双光束干涉法”为基础研制出全息存储器,其信号光束和参照光束分别来自不同的方向,照射在同一位置上。日本日立万胜公司宣布,采用这种技术研制出了容量为300GB的全息存储器,今年9月将推向市场。另外日本Optoware公司采用同线全息技术,其信号光束和参照光束来自相同的方向,他们研发出了容量为200GB的全息存储器,将于今年年中投放市场。
     
    全息存储的运作原理

      全息存储是受全息照相的启发而研制的,当你明白全息照相的技术原理,对于全息存储就可以更好地理解。我们在拍摄全息照片时,对应的拍摄设备并不是普通照相机,而是一台激光器。该激光器产生的激光束被分光镜一分为二,其中一束被命名为“物光束”,直接照射到被拍摄的物体,另一束则被称为“参考光束”,直接照射到感光胶片上。当物光束照射到所摄物体之后,形成的反射光束同样会照射到胶片上,此时物体的完整信息就能被胶片记录下来,全息照相的摄制过程就这样完成了。乍看过去,全息照片上只有一些乱七八糟的条纹,但当我们使用一束激光去照射这张照片时,真实的原始立体图像就会栩栩如生地展现出来。
    全息照片所用的感光胶片
      全息存储技术同样需要激光束的帮忙,研发人员要为它配备一套高效率的全息照相系统。首先利用一束激光照射晶体内部不透明的小方格,记录成为原始图案后,再使用一束激光聚焦形成信号源,另外还需要一束参考激光作为校准。当信号源光束和参考光束在晶体中相遇后,晶体中就会展现出多折射角度的图案,这样在晶体中就形成了光栅。一个光栅可以储存一批数据,称为一页。我们把使用全息存储技术制成的存储器称为全息存储器,全息存储器在存储和读取数据时都是以页为单位。

     
    全息存储的实现原理
    全息存储的发展现状

      前不久,致力于研发全息存储技术的InPhase公司向公众展示了他们开发的全息存储驱动器以及全息存储碟片。根据InPhase公司介绍,这次推出的全息碟片存储密度达到了每平方英寸200GB,预计明年可以大规模投入量产。到2009年,他们的目标是达到1.6T!

    InPhase公司的全息硬盘样品
    下面主要围绕Optoware公司采用同线全息技术来展开讨论,主要是因为
      著名的标准化制定组织——欧洲计算机制造商协会( ECMA European Computer Manufacturers Association )日前宣布,将成立第 44 技术委员会( TC44 Technical Committee 44 )以制定全息存储系统( HIS Holographic Information Storage )的标准,而这一技术将以日本 Optware 公司的同线技术( Collinear )为基础。 Optware 公司目前在 HIS 开发领域处于业界领先地位,而 TC44 也是出于 Optware 公司的以及其相关合作伙伴的提议而成立,这些公司包括:
    • 中国台湾磁学公司(CMC,CMC Magnetics Corporation)
    • 日本富士相片胶卷公司(Fuji Photo Film Co., Ltd)
    • 日本帕路斯科技株式会社(Pulstec Industrial Co., LTD)
    • 日本东亚合成株式会社(TOAGOSEI Co.,Ltd.,)
    • Strategic Media Technology
       Optoware 公司的同线全息技术
      Optware 自有的同线全息技术,以前称之为偏振同线全息技术( Polarized Collinear Holography ),是其为了将全息记录技术实用化所做出的关键努力,通过它可以大幅度简化全息记录技术应用难度。这一技术由 Optware 的创始人与首席“传教者” Hideyoshi Horimai 所提议。同线全息技术在一个光束中整合了一个参考激光与一个信号激光。它们创建了一个包含数据的干涉三维全息构图。这个图像将通过一个单一物镜在存储介质上显现。借助这个突破性的装置, Optware 可以显著的简化并缩小全息成像系统的设计难度与外形体积。借助 Optware 自己的伺服系统,这方面的改进将进一步增强。 Optware 表示,光学抬取元件的尺寸还可以进一步缩小,也可以省去防振装置,同时它还能与 CD DVD 光盘高度兼容,并且运作成本低。未来,克服剩余的所有商业化障碍已经没有任何问题。
     
    HVD 与现有的 DVD-R 光盘盘面比较
      同线全息技术于 2004 8 23 日正式发布,当时 Optware 将使用全息记录技术的光盘称为全息通用光盘( HVD Holographic Versatile Disc ),预计最早的 HVD 将于 2006 年面向企业用户推出,容量高达 200GB ,其最终的发展目标则是存储 1TB 的容量。而目前的 Blu-ray Disc 最高容量才 50GB 。不过, Optware 表示,到 2007 HVD 成本进一步降低后才有可能真正的向消费者普及。目前, HVD 驱动器的价格在 2 万美元左右,而每张光盘的成本则为 100 美元。 Optware 计划将 HVD 驱动器的成本降低到 2700 美元,这与现在的 Blu-ray Disc 影碟机相差不多。
     
    HVD 的调制 / 记录与读取 / 解码系统,其中同线全息技术中所使用的参考激光只用来进行读取
    HVD 的设计与较早前业界报导的在旋转的光盘上记录全息页数据(在进行全息编码前将源数据编码为页数据)的方式不同,由于后者在光盘上没有像传统光盘那样,预制保证伺服机构准确而高效寻址的伺服信息,因此商业化前景不明朗。若想在指定的位置上记录全息数据,则必须在光盘上加入伺服信息,而这对于全息光盘来讲,将是一个重大的挑战。因为预制的伺服信息(地址信息)将有可能破坏全息成像的效果,进而增加数据噪音。
     
    HVD 的光盘结构,蓝色或绿色激光用来记录 / 读取全息数据,而红色激光用来读取地址信息,地址与数据记录在不同的层面
    为此, Optware 采用了突破性的设计,在一个光束中使用两种波长(颜色)不同的激光,一个激光用来记录数据,另一个则用来寻址,而在光盘里则在信息记录层与地址层之间,根据激光的波长设置一个分光层( Dichroic Mirror Layer ),用来寻址的激光可以透过分光层寻址到下面的预制地址信息(凹坑或平台,与 DVD-ROM 上的信号记录方式一样),而另一个激光则用来记录 / 读取数据,由于分光层的存在,它不会“看到”预制的凹坑或平台,从而使用同线全息记录成为可能。目前, Optware 所开发出来的 HVD 驱动器,用来记录和读取数据及提供参考的是 532nm 的绿色激光,用来读取地址信息的是传统红色激光。
     
    HVD 上的由多元全息数据组成的图案

     
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空空如也

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