在7.0.x版上停留了2年半以後,VMware的vSAN儲存平臺終於跟著vSphere的改版,一同在去年(2022)下半年更新到8.0版。
相較於先前從6.x版到7.0版之間相隔的5年時間,vSAN從7.0版到8.0版的更新週期足足縮短了一半,卻帶來涵蓋儲存架構底層的深度變革。
這也是自2016年初的6.2版之後,VMware再次更新vSAN的底層架構,而且更新幅度遠甚於過去。相對於vSAN搭配的原有儲存架構(Original Storage Architecture,OSA),vSAN 8提供了稱作快捷儲存架構「Express Storage Architecture(ESA)」的全新底層架構選項。
適應新一代應用環境的ESA架構
VMware之所以引進ESA全新底層架構,目的是讓vSAN這個問世已有8、9年的平臺,能跟上IT應用環境變化。
vSAN的第1個版本,是2014年初跟著vSphere 5.5一同推出,而今日的企業IT環境,無論在伺服器硬體規格還是工作負載方面,都與vSAN發表當時有很大的變化,例如,處理器核心數大幅提高,儲存裝置與網路速度也更快。
VMware在其公布的資訊指出,開發vSAN的2010年代初期,所參照的伺服器組態,是4到10核心處理器,搭配硬碟結合SAS/SATA SSD的混合儲存配置,以及1/10Gb的網路規格。10年後的今日,伺服器主流規格已大不相同,處理器可達到64核心以上,儲存與網路組態也升級為NVMe介面SSD,以及25/100Gb乙太網路。
這樣的技術演進,也帶來了更新vSAN底層架構的需求,以適應與發揮當前新一代硬體的效益。
相較於vSAN原有儲存架構(OSA),vSAN 8提供的ESA架構,在硬體架構與軟體堆疊方面,都有很大的差異。
ESA架構的硬體組態變革
在硬體架構方面,ESA與OSA架構之間主要有3點不同:
●OSA架構將底層的儲存裝置,區分為專門的儲存層與快取層,新出現的ESA架構,只提供單一儲存層。
●OSA架構可適應規格較舊,涵蓋硬碟與SSD在內類型廣泛的儲存裝置,ESA架構則已針對高效能NVMe SSD進行最佳化。
●在OSA架構之下,vSAN節點是以磁碟群組(disk group)作為磁碟組態基本單位,每個磁碟群組包含1到7臺提供儲存容量的硬碟或SSD,搭配1臺SSD充當快取,用於提高存取速度,而每臺vSAN節點最多可配置5個磁碟群組;而ESA架構不再有磁碟群組的概念,改以儲存池來管理儲存裝置,所有儲存裝置都同時兼用於效能與容量。
簡而言之,ESA架構是以單一的NVMe SSD儲存層,取代了OSA架構的儲存層+快取層混合結構。
回顧OSA架構誕生的時代,SSD的普及程度不如今日,因而儲存組態是以SSD+硬碟的混合架構為基準,每個磁碟群組都配置一臺SSD來提供讀取快取與寫入緩衝,藉此加速存取效能。
利用大容量的SSD作為讀取快取,可大幅減少存取底層硬碟的機率,有效降低讀取的I/O延遲;寫入快取則是作為寫入I/O的緩衝區,寫入I/O會先進入SSD上的寫入緩衝區中,然後再由SSD緩衝區寫入底層磁碟,藉此加快寫入速度。系統預設以70%的快取用SSD容量作為讀取快取,30%容量作為寫入快取。
然而,在OSA的架構中,即便採用全快閃儲存組態,至少仍有1/8的SSD是專門配置為快取用途,而不能用於提供容量,運用上相對較缺乏彈性。
時至今日,全快閃已是常見的組態,因而ESA採用全面NVMe SSD化的儲存架構,讓所有I/O都享有NVMe SSD的高效能,因而不再需要以往的SSD快取,所有儲存裝置都可用於提供儲存容量,如此一來,既可發揮當前新一代硬體的效能優勢,同時也有更高的資源運用效率。
ESA架構的軟體堆疊更新
在軟體堆疊方面,vSAN 8的ESA架構提供3項新功能:
●日誌結構(log-structured)的檔案系統,稱作vSAN LFS。比起原本的OSA架構,LFS可以合併多個小型寫入I/O,減少整體的寫入I/O數量,從而減少寫入放大,改善延遲,提高效率,並降低SSD的寫入損耗。
●針對寫入最佳化的日誌結構物件管理器(object manager),包含可以同時處理更多I/O的平行區塊引擎(parallel block engine),可提供更高效率metadata儲存的key-value儲存庫,還有用於管理儲存裝置頻寬的IO layer。
●改進的資料服務。藉由引進LFS檔案系統,ESA架構也將壓縮、加密等資料服務功能,移到軟體堆疊的更高層級執行,這也意味著在資料寫入底層與分散傳輸到其他vSAN節點之前,就已完成壓縮與加密作業,從而減少這些作業的CPU與網路負載。
另外,壓縮、加密與快照這幾項資料服務功能,也經過重新設計。
在ESA架構下,能夠基於個別VM為單位,啟用基於政策的壓縮功能(預設是啟用),每4kB資料區塊的壓縮率較OSA架構提高4倍。而加密是在壓縮之後進行,因而減少加密資料量。
vSAN OSA與ESA架構的差異
相較於原有架構(OSA),新的ESA架構最大的不同,是以單一NVMe SSD儲存層,取代OSA架構的儲存層與快取層區分,從而兼顧效能提升與儲存容量利用效率。
圖片來源:VMware
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