NVMe存儲性能瓶頸的主要來源：文件系統

　　 NVMe通過改進物理接口、增加命令數量和隊列深度，使存儲基礎設施能夠充分利用閃存的優勢。但是NVMe也帶來了一個挑戰:NVMe的延遲非常低，它暴露了存儲基礎架構中其他組件的弱點。基礎架構中的任何薄弱環節都會增加延遲并降低NVMe的價值。

　　文件系統是存儲基礎架構中的一個問題較大的部分。現在是供應商重新考慮文件系統架構的時候了，特別是，他們必須修改文件系統與NVMe存儲的交互方式，以避免成為瓶頸。

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　　 為什么是文件系統?

　　服務于AI和高速工作負載的文件系統通常是可橫向擴展的。一個橫向擴展文件系統由多個存儲服務器或節點組成，文件系統聚合這些節點中的內部存儲，將其表示為用戶和應用程序可以訪問的單個存儲池。傳統的文件系統也可以橫向擴展，但它們是串行的，這意味著所有I/O都要經過一個主節點，而AI和高速工作負載很容易將其壓倒，從而造成瓶頸。這些工作負載依賴于一個并行文件系統結構，該結構允許集群中的任何節點向用戶或應用程序提供I/O服務，這使得網絡效率更加重要。

　　大多數NVMe存儲系統都是為塊存儲而設計的。因此，它們避免了文件系統架構的性能開銷。然而，在大多數情況下，文件系統會被添加到塊存儲系統中，以便這些AI和高速工作負載可以使用它。大多數現代應用程序——尤其是AI、機器學習和大數據分析處理程序——都依賴于文件系統。

　　添加了文件系統的設計良好、基于塊的NVMe存儲系統仍然可能比基于塊的SAS存儲系統快，但是RAW塊存儲和文件系統控制的存儲之間的性能下降是顯著的。所以，組織需要針對NVMe進行過優化的文件系統。

　　 對于基準測試，應關注什么

　　供應商常常會使用幾個文件系統基準測試來演示其功能。這些測試中的大多數使用帶有并行文件系統的NVMe塊存儲，供應商可以輕松地使用各種配置來使某個參數達到圖表的頂部，然這可能具有一定的誤導性。

　　例如，在當前的標準性能評估公司SFS 2014基準測試中，頂級供應商在測試環境中的驅動器數量、驅動器類型和存儲節點數量上存在顯著差異。在大多數情況下，硬件供應商試圖通過使用超出需求的硬件來減少文件系統架構開銷，并將價格推高到超出對于大多數組織來說較為合理的水平。

　　真正重要的是硬件和文件系統對組織的工作負載類型和預算的實施情況，大多數公司沒有無限的資金來創建完美的NVMe-文件系統組合。IT專業人員應該尋找能夠達到需求的最簡單的配置。

　　 對于文件系統，應關注什么

　　文件系統性能主要有三個限制因素:

　　 · 文件系統與存儲節點的通信效率;

　　 · 文件系統如何高效地管理連接各個存儲節點的網絡，以及如何高效地與客戶端通信;

　　 · 文件系統如何有效地管理元數據訪問。

　　在大多數現代應用程序環境中，元數據占所有I/O的80%以上。

　　文件系統通常通過操作系統I/O棧與存儲媒介通信。大多數高級文件系統都基于Linux，并通過該堆棧進行通信，但是Linux堆棧增加了開銷。另一種方法是文件系統創建自己的I/O通道，以連接到基于NVMe的文件系統。從文件系統開發過程來看，與驅動器的直接通信更加困難，但是它為文件系統用戶提供了獲得最大性能的最佳機會，而不必使用昂貴的硬件進行過度補償。

　　文件系統通常通過使用標準NFS協議與客戶端通信，但是NVMe有一個網絡變體(NVMe- oF)，現代文件系統應該提供軟件支持并行，以及本地NVMe-oF訪問，以便在客戶端上運行。NVMe-oF還可以用于互連各種存儲節點，這樣會使文件系統更易于訪問，以直連存儲的延遲。

　　在全NVMe文件系統架構中，元數據訪問本質上是快速的，但是元數據的布局方式必須是高效的，以便從NVMe的低延遲中獲益。優化元數據性能，需要將其跨越文件系統集群中的所有節點，這樣就不會出現單個節點的性能瓶頸。

　　 如何充分利用NVMe

　　與其他類型的工作負載相比，AI和高速負載可以更充分地利用NVMe。這些工作負載的挑戰通常是應用程序通過文件系統訪問存儲，傳統的文件系統沒有為基于NVMe的驅動器優化它們的I/O。更快的節點硬件和NVMe驅動器提供了更好的性能，但是傳統文件系統的架構無法使硬件充分發揮其潛力。

　　為了避免這個問題，需要尋找直接寫入NVMe驅動器而不是通過操作系統I/O堆棧的文件系統。還要尋找能夠讓客戶端跨NVMe-oF進行通信的文件系統，并以不影響性能的方式管理元數據。

　　原文作者：George Crump 來源：TechTarget