雲端運算興起之後,各家系統廠商開始推出以機櫃為基礎的新一代IT基礎架構整合建置套件,像IBM稱之為專家整合系統(Expert Integrated Systems),演變至今成為PureSystems系列解決方案,橫跨雲端環境、大資料與分析、應用系統等三大類型的快速建置需求;Oracle也推出了專屬的一系列方案,稱為最佳化設計系統(Engineered Systems),目前已針對資料庫、中介軟體、伺服器虛擬化、儲存、叢集運算、記憶體內(In-Memory)BI分析、資料庫即時防護等應用,推出整合式硬體設備,而這些產品當中知名度最高,當屬2008年問世的Exadata Database Machine,主要訴求的應用型態,包括常見的線上交易處理(OLTP)、與BI分析有關的資料倉儲,以及資料庫雲端應用──亦即資料庫即服務(Database as a Service,DBaaS),企圖囊括所有資料庫系統的工作負載。

Oracle當時推出的是第一代產品V1,隔年該公司發表了第二代產品V2,接著,2010年續推第三代產品X2,之後,在2012年第四代產品X3上市,而目前最新款的機型是2013年底推出的第五代X4。

相較於傳統普遍採用的拼裝式軟硬體組成,Exadata訴求的特點在於整體搭配、最佳化、標準化,以及強化的效能與穩定性。

以運作架構來看,Exadata分為三大部分:資料庫伺服器、儲存伺服器與高速存取的網路存取。前兩者都是採用標準x86架構的伺服器平臺,X4系列機型已經將伺服器端處理器,全部升級到Ivy Bridge架構的Xeon E5 v2,若性能不足或用量太大,還可視需求橫向擴充。

而這些伺服器彼此連結的網路規格,主要是高達40Gb/s的InfiniBand(X4採用PCIe 3.0介面的網卡,而且當中的兩個連接埠可同時啟用),並提供GbE和10GbE標準規格的網路埠,以連結資料中心的其他應用或遠端管理之用。

若對照之前推出的Exadata產品,第五代的X4系列效能表現提升高的幅度達到50%至100%,儲存容量也增加33%至100%。

Oracle Exadata Database Machine分為4種尺寸的機型,圖中為馬偕紀念醫院所導入的八分之一櫃,而且是最新款的二路運算架構X4-2。

資料庫伺服器搭配12核心處理器,可提供更多運算核心,本機儲存空間也擴充1倍

以2路運算架構作為資料庫伺服器平臺的X4-2方案為例,若配置到一整櫃的規格,資料庫伺服器可擁有192顆運算核心、4TB記憶體、19.2TB本機儲存,而所運用的InfiniBand埠都是40Gb/s的QDR規格。相較之下,在上代的X3-2規格當中,資料庫伺服器最多可擁有128顆運算核心、2TB記憶體、9.6TB本機儲存。

儲存伺服器配置更大容量的硬碟與PCIe快閃記憶體,並可應用壓縮技術獲得更大的Flash快取空間

而X4搭配的儲存伺服器,所搭配的處理器仍然是2顆6核心,但換成2.6GHz的Xeon E5-2630 v2,時脈比前代機種(Xeon E5-2630L 2.0 GHz)要高。

以可用空間來看,在整櫃裝滿168臺硬碟的情況下,X4若採用高容量硬碟(4TB),總共能配置672TB的儲存空間;若X4用高轉速硬碟(1.2TB),也能配置到200TB。而在X3時,儲存伺服器僅能搭配3TB的高容量硬碟或600GB的高轉速硬碟。

值得一提的是,Exadata內含的儲存伺服器在第二代以後,開始搭配PCIe介面卡形式的Flash記憶體來加速存取,Oracle稱之為Exadata Smart Flash Cache。而以整櫃的配置而言,X3所採用的Flash,原生容量只有22.4TB,到了X4,Flash容量多了一倍,可配置到44.8TB。

Smart Flash Cache Compression

以整櫃儲存伺服器可存取的Flash記憶體容量而言,若同時啟用X4新增的Flash快取壓縮軟體功能Smart Flash Cache Compression之後,甚至能高達88TB,等於是X3配置Flash記憶體容量的4倍。這麼一來,絕大多數的OLTP資料都可載入其中。

受益於配置了更大容量的Flash記憶體與新的Flash快取專用壓縮技術,X4資料庫系統的I/O速度也大為提升。

以整櫃組態的X4-2為例,當設備用8K大小的資料來執行SQL的處理時,在讀取和寫入效能項目上,可分別達到266萬IOPS和196萬IOPS。而上一代的X3-2在整櫃組態下,讀寫效能分別是150萬IOPS和100萬IOPS,相較之下,X4-2超越的幅度相當大,讀寫規格高出X3-2有7成和9成之多。

若單論X4-2的儲存原生可用頻寬(不啟用資料庫壓縮技術),搭配高效能硬碟時,比X3-2的相同硬碟配置少了0.5GB/s,可能是因為硬碟轉速差異,X3-2配置的是1.5萬轉(rpm),而X4-2配置的只有1萬轉;不過若搭配高容量硬碟,反而比X3-2多,最大可多出2 GB/s(整櫃組態)。不過,一旦搭配Flash記憶體,新舊Exadata設備的資料存取頻寬都可提升到全部使用硬碟的5倍,例如整櫃組態的X4-2或X3-2,可用的資料傳輸頻寬皆為100GB/s,比坊間的各家廠商推出的全快閃儲存陣列設備還要高出許多,之所以會有這樣的差異,主要還是得力於Flash的應用──Exadata從第二代的機型,就開始採用PCIe Flash。

理論上,Flash可為系統提供高速I/O存取能力,但是若用於快取應用,所能得到的命中率若不夠高,對於效能提升的效益也可能不明顯,而這部分就不只是單純考量搭配硬體的好壞,而要看搭配的軟體演算法。

Oracle也看到軟體應用方式對於快取效能的影響力,該公司在X4上,搭配了新的Flash快取演算法,針對資料倉儲系統常見的資料表與資料分割區掃描工作,提供最佳化處理──若資料表大小超過Flash容量,Exadata會自動讀取部分的內容、載入Flash中,讓Flash和硬碟端都可以持續讀取這些資料,以便加速整體的I/O吞吐量。

Smart Flash Logging

X4在儲存伺服器的軟體當中,也應用了特殊演算法Exadata Smart Flash Logging,能夠資料庫物件載入Flash,以減少記錄寫入I/O,這項技術可充分利用Exadata 儲存伺服器上所搭配的Flash記憶體,以及磁碟控制器的高速記憶體,以這些優勢急遽減少記錄寫入所導致的延遲,同時也可避免其他快閃儲存應用方案經常發生的存取尖峰延遲(latency spikes)。

除了上述作法之外,在儲存設備、PCIe Flash和InfiniBand網路交換器的使用上,Oracle也都採用了獨特的演算法,設法提升效能。 

可將資料密集型的處理工作,卸載到儲存伺服器,減輕資料庫伺服器負擔

相較於傳統的運作架構,Exadata Data Machine的另一個特色是,能將一些偏重資料存取的工作,例如SQL查詢、條件過濾等作業,從資料庫伺服器卸載到儲存伺服器上,因此,上述這些工作的執行,能夠和系統從硬碟和Flash讀取資料的作業,一起同步進行,只剩下與查詢相關的資料欄與資料列,會被送至資料庫伺服器處理──Exadata儲存伺服器回傳給資料庫伺服器的資料,只有欄和列的部分,而不是整張資料表,同時,整個SQL處理作業會盡可能貼近資料端(或硬碟),讓所有的硬碟都可以平行地作業。

這麼一來,資料庫伺服器的處理器用量可大幅降低,而且,資料庫伺服器與儲存伺服器之間的流量也隨之精簡許多,因為不用在兩端之間傳來傳去,所以,若在資料倉儲應用上,因為查詢的處理而產生的大量資料傳輸需求,以及資料庫伺服器端的沈重負載,可以藉此得到紓解;若是在OLTP應用環境,面臨大量批次資料處理,以及報表產生作業,也可以游刃有餘。
而且,Exadata會將底層的儲存資源轉換成傳統的區塊儲存服務,因此對資料庫應用系統而言,Exadata儲存的運用都是清清楚楚、一目了然的。

因此,Oracle認為,在資料庫系統同樣是Oracle Database 11g Release 2或12c的環境下,用Exadata Data Machine上的執行速度,會比用傳統方式逐一建置的系統要快。而且,既有的SQL指令還是可以照常運作,無論是在專用查詢作業,或套裝系統、客製系統上,都不會因為改用Exadata Data Machine,而受到影響,衍生出修改的額外工作。

對於這樣的卸載處理,Exadata儲存伺服器應付得來嗎?Oracle在這類型應用伺服器所配備的處理器等級相當高,以X4來說,每臺儲存伺服器採用的是2顆6核心Xeon E5-2630 v2,以整櫃配置來說,由於可搭配到14臺儲存伺服器,所以最多可運用168顆運算核心,因應來自資料庫伺服器的工作負載,這樣的作法,Oracle認為,類似於GPU解決大量圖形密集式處理的方式。

除了資料密集式的工作可以卸載到儲存伺服器,事實上,Exadata還可以將混合式欄位壓縮(Hybrid Columnar Compression,HCC)的作業,交給擁有大量處理器核心的儲存伺服器處理。

HCC目前提供兩種執行模式,包括針對查詢作業的最佳化壓縮模式(Query Optimized Compression),以及針對歸檔作業的壓縮模式(Archive Compression),前者適合偏重資料讀取作業的工作負載,像是資料倉儲,可節省大量空間與提供強化效能;後者則提供最極致的壓縮方式,主要是針對一些線上但較少用的資料。

一般而言,HCC常用於壓縮較老舊的、不常存取的資料,若要針對一些密集存取資料,例如新的、經常存取或變更的資料,可運用進階的資料列壓縮(Advanced Row Compression)。

從正面看Exadata Database Machine的模樣,中間陳設了資料庫伺服器,下半部是儲存伺服器。

機櫃上,我們可以很清楚地看到門上標示著Exadata X4-2,邊框則寫著Exadata Database Machine的字樣。

打開前方機櫃的門,我們可以從面板上,更清楚地看到Exadata Database Machine X4-2的ˊ配備,馬偕醫院採購的是八分之一櫃機型。

而在Exadata中的機型配置來說,八分之一櫃與四分之一櫃的硬體配置,其實是完全一樣的,當中包含了:資料庫伺服器有兩臺設備,各自皆配備了4臺600GB容量的1萬轉硬碟;儲存伺服器有3臺設備,各自搭配了12臺硬碟,因此,總共可容納36臺硬碟--這裡可選擇高效能硬碟(2.5吋1萬轉1.2TB)和高容量硬碟(3.5吋7200轉4TB)等兩種組態。然而,兩者不同的是,八分之一櫃只啟用了一半數量的處理器與硬碟,因此若就硬碟而言,這種機型只能運用其中的18臺。

運用40Gb/s InfiniBand超高速網路,連接資料庫伺服器與儲存伺服器

除了資料庫伺服器和儲存伺服器,Exadata X4還包括2臺QDR InfiniBand交換器,建構出40Gb/s InfiniBand網路,供上述兩種伺服器連接,讓RAC節點之間能彼此通訊,並以此形成單一網路。

圖中是從機櫃背後來看,最上與最下的這兩臺設備都是InfiniBand交換器,都各自提供了36個QDR(40Gb/s)規格的連接埠,中間這一臺應該是GbE規格的乙太網路交換器。

 

不僅如此,若Exadata應用到多座機櫃的規模時,也是透過InfiniBand的傳輸線來連接,用戶最多可同時連接18座機櫃。由於Exadata有整櫃、半櫃、四分之一櫃、八分之一櫃等4種尺寸機型,彼此連接方式也有些不同之處。例如,整櫃機型與半櫃機型之間都可以相互連接,若是四分之一櫃,也可與其他尺寸機型互連,例如,2座八分之一櫃可彼此互連,或者是用四分之一櫃來連接已經設定好的整櫃機型或半櫃機型。

圖中為Exadata X4資料庫伺服器的背面,這裡提供了4個100/1000/10G Base-T的網路埠,以及4個PCIe 3.0介面卡擴充插槽(1個x16與3個x8)。

這一張圖是Exadata X4儲存伺服器的背面,機箱尺寸為2U,比資料庫伺服器所用的機箱更高,可容納的硬碟與擴充介面卡數量更多。Oracle在這裡,同樣提供了4個100/1000/10G Base-T的網路埠,但有更多PCIe 3.0介面卡擴充插槽(6個,1個x16與5個x8)。

 

產品資訊

●建議售價:廠商未提供

●原廠:Oracle 0800-672-253

機櫃:42U

●1櫃:8臺資料庫伺服器、14臺儲存伺服器

●1/2櫃:4臺資料庫伺服器、7臺儲存伺服器

●1/4櫃:2臺資料庫伺服器、3臺儲存伺服器

●1/8櫃:2臺資料庫伺服器、3臺儲存伺服器

●網路交換器:2臺,36個QDR InfiniBand埠

●PDU:2臺,可相互備援

資料庫伺服器

●處理器:2顆12核Xeon E5-2697 v2(2.7 GHz)

●記憶體:256GB(可擴充至512GB)

●硬碟:4臺1萬轉600GB

●網路傳輸介面:2個QDR InfiniBand埠、4個10GbE埠、2個10GbE光纖埠、1個ILOM埠

●電源供應器:2個,支援熱抽換

●內建軟體:作業系統為Oracle Linux 5 Update 9搭配Unbreakable Enterprise Kernel 2,或是Solaris 11 Update 1,以及ZDP InfiniBand協定
需個別購買的應用軟體:Oracle Database 11g R2 企業版、Oracle Database 12c企業版,亦可加買RAC、Partitioning、Multitenant等資料庫選購功能

儲存伺服器

●處理器:2顆6核Xeon E5-2630 v2(2.6 GHz)

●記憶體:96GB(4支8GB搭配4支16GB)

●硬碟:12臺1萬轉1.2TB(2.5吋)或12臺7200轉4TB(3.5吋)

●快取:3.2 TB Exadata Smart Flash Cache(4張800GB容量的Sun Flash Accelerator F80)

●網路傳輸介面:2個QDR InfiniBand埠(40Gb/s)、1個ILOM埠

●電源供應器:2個,支援熱抽換

內建軟體:Oracle Exadata Storage Server

管理機制

內建軟體:Oracle Embedded Integrated Lights Out Manager (ILOM)、Oracle Enterprise Manager 12c

 


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