儲存月報第75期：vSAN 8為vSphere環境提供全新儲存架構

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