如何引導大緩存

秦 聯

（廊坊市財政局，廊坊 065000）

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如何引導大緩存

秦 聯

（廊坊市財政局，廊坊 065000）

摘要：緩存是指在計算機存儲系統的層次結構中，介于中央處理器和主存儲器之間的高速小容量存儲器。緩存和主存儲器一起構成一級存儲器，高速緩沖存儲器和主存儲器之間信息的調度和傳送是由硬件自動進行。在計算機的發展歷程中，依據摩爾定律，計算系統中的中央處理器性能發展迅速。而磁盤作為計算系統中的主存儲器，由于機械機理的限制，其發展速度遠遠不及中央處理器的發展速度，形成了中央處理器數據處理快而磁盤讀寫數據緩慢的狀況，從而降低整個計算機系統工作效率。因此，通過在兩者之間增加一個緩沖層來協調兩者之間數據調動效率問題，緩存由此應運而生。緩存的處理速率接近于中央處理器，可以通過擴大緩存容量，緩解兩者之間處理效率差距，能夠快速響應中央處理器和磁盤之間的讀寫請求，作為兩者之間的緩沖池，緩存在一個適當范圍內越大越好。由于緩存資源的珍貴，因此，緩存成為一個計算系統性能高低的重要標志。

關鍵詞：緩存；存儲；影響因素

1 引言

數據計算、數據傳輸及數據存儲是IT系統中三大組織結構，存儲設備擔負著數據存儲。隨著計算資源的增加和業務快速響應的需求，由于存儲設備自身的結構問題，導致存儲成為整個計算系統的性能瓶頸。通過提高存儲的處理能力，從而大幅度提高整個計算系統的數據處理能力，提高存儲緩存可以快速有效地提升存儲性能。存儲緩存包括容量、性能、可靠性三個相輔相成的方面。緩存性能包括緩存的傳輸帶寬、周邊配套總線和外設的帶寬、緩存的分配調度算法等方面；緩存可靠性包括緩存鏡像保護、掉電保護的機制；緩存容量體現在最大容量、按需配置等方面。容量、性能、可靠性這三方面缺一不可，任何一部分的缺失，都會影響到存儲緩存的實際效用。因此，增加緩存容量絕不僅僅是增加幾根內存條那么簡單，其架構設計復雜，這也是專業存儲系統的設計核心。存儲本身是由大量機械磁盤組成的磁盤陣列，除了努力提高單個磁盤的IO能力，通過增加存儲的緩存容量、提升緩存性能、優化緩存算法同樣可以迅速、經濟的提高存儲性能。

2 存儲緩存的作用

相對于服務器的緩存，存儲設備的作用和特點決定了存儲緩存自身的作用：

（1）數據緩沖功能：磁盤驅動器不能快速響應服務器及其業務軟件產生的頻繁讀寫操作，需要通過存儲緩存作為緩沖池來平衡兩者讀寫性能差距。緩存分為讀緩存和寫緩存，分別用于服務器讀取存儲設備數據和寫入數據，合理的緩存調度算法和大容量緩存，可以很好地提升存儲讀寫性能。針對不同的應用環境，可以靈活地分配讀寫緩存分配比例及緩存塊大小。

（2）數據管理功能：存儲自身是一個獨立的計算系統。存儲有諸如快照、快照視圖、復制、鏡像、自動精簡配置、RAID等功能，當存儲開啟功能套件時，軟件運行在存儲的緩存中，直到存儲關閉功能套件才退出緩存。當存儲啟動越多功能套件，所占用存儲緩存就越多。每個功能套件實現的原理不同，其復雜度也不同，所需要的緩存也不一樣，這些功能越豐富、越復雜的功能套件對存儲的緩存需求也更多。

（3）存儲自身需求：存儲底層平臺是一個操作系統，存儲啟動時需要加載操作系統，其自身也占用一定的緩存，隨著存儲平臺的不斷完善和功能不斷增加，存儲操作系統所占用緩存從幾百MB到幾GB不等，且一直駐存在緩存中。

3 存儲緩存的配置

由服務器的應用程序所產生的IO數據流處理、存儲層RAID校驗的計算、緩存讀寫策略等，都需要通過存儲緩存來處理，存儲緩存的容量、性能、緩存的算法直接影響著存儲對數據處理的快慢，也是影響業務快慢的因素之一，存儲設備數據處理越快，對服務器的響應也就越及時。通常對存儲緩存配置大小有影響的是：

（1）服務器上的業務需求：一方面服務器將業務軟件產生的數據寫到存儲，另一方面服務器從存儲設備上讀取業務軟件所需數據，通常讀數據的請求遠高于寫數據的請求。當存儲設備接入大量服務器，特別是在業務高峰期時段，就需要高性能存儲支撐業務，特別是對非順序讀寫數據、大文件讀寫對存儲緩存要求更高，服務器數量及業務量越多，讀寫數據就越多，面對業務密集型情況，更容易產生爆發式的數據請求，對存儲設備的IOPS要求就越高，從而需要更大的緩存來處理。一般的，服務器的緩存越大，意味著其處理性能越強，對后端存儲要求更高，需要存儲配置相應的緩存，通常來講，存儲可用緩存大小為接入到存儲的服務器緩存的1/3，則可以很好滿足業務響應。表1中列出推薦服務器內存大小和存儲緩存之間的配比。

表1 服務器內存與存儲緩存配置比例

（2）磁盤及LUN的影響：磁盤自身機械性質決定了磁盤轉速，低轉速限制了磁盤的讀寫性能，一塊機械盤IOPS一般在150到250之間，而處理器的運算能力達到上百億級別，兩者之間的性能存在上萬倍差距。另外，業務數據量的增加，不可避免的需要更多磁盤來儲存數據。存儲設備通過大量磁盤形成存儲池，將存儲空間通過LUN映射的方式分配到服務器，服務器的讀寫都是在LUN上進行，數據讀寫操作都發生在磁盤上，磁盤與處理器的差距必須依靠緩存作為緩沖池來彌補。磁盤數越多，IO分布就越廣，就需要相應更大的存儲緩存；LUN上數據的讀寫都需要通過緩存處理，實際驗證表明，LUN越多，需要開銷的緩存越多，單個LUN配置緩存越大則讀寫性能越好。通常單個正常讀寫LUN配置1GB緩存，讀寫操作比較頻繁的LUN配置5GB至20GB緩存。如圖1所示，實際測試環境下，將LUN配置緩存從1GB增加到20GB，性能可提升20倍至40倍，同一塊LUN配置緩存越大則性能越好。

圖1 同樣大小LUN配置不同大小緩存

表2 開啟功能軟件推薦配置緩存大小

（3）存儲功能軟件的影響：存儲設備集成了越來越多的功能，諸如快照、快照視圖、復制、鏡像、緩存熱點、熱點數據自動分層等，這些功能通常部署在存儲層，運行在存儲的緩存中。當觸發功能軟件運行的閥值時，功能軟件就加載在存儲設備的緩存中，直到關閉功能軟件才釋放相應的緩存空間。啟動的功能越多，則相應的需要更多緩存進行處理這些功能需求。以快照為例，單個應用的快照越多則需要更大的緩存來支撐，緩存越大，存儲設備創建快照越快，系統對快照的操作越快。如表2所示，如果產生1TB數據的快照，則需要配置3GB數據緩存，當開啟快照視圖時，需要更多的數據緩存；如果開啟緩存熱點功能，每1TB數據則需要配置3GB數據緩存；如果開啟復制功能，由于每一個復制需要創建一個快照，所以復制1TB數據，則需要創建1TB的快照，從而需要3GB數據緩存，當復制數據量變大時，需要創建更大的快照，從而需要更大的數據緩存，復制數量越大則所需數據緩存越大。

海上搜救志愿者深夜出動成功救助14名遇險漁民

2016年3月10日23時30分許，一艘載有14名漁民的養蠔船在廣東珠海高欄島附近海域因風浪大主機故障失去動力遇險，情況危急，請求救助。廣東珠海金灣區海上救助協會接到廣東省海上搜救中心的搜救指令后，立即派出6名海上搜救志愿者駕駛2艘快艇前往事發海域進行救助。搜救隊員冒著6～7級、陣風8級東北風在事發附近海域成功找到遇險養蠔船，并將14名遇險漁民全部安全轉移至高欄島赤魚頭碼頭，險情解除。

據了解，廣東珠海金灣區海上救助協會，成立于2007年3月，原名三灶鎮漁民海上救助隊，最初由三灶鎮中心村5名漁民自行發起，后來逐步發展到現在83名漁民和26艘船艇，中國海上搜救中心也對救助裝備建設給予了一定指導和支持。2014年，三灶漁民海上救助隊改名為金灣區海上救助協會，并在珠海市金灣區民政局注冊。救助協會以“自助、自救、互助、互救”為宗旨，積極響應政府號召參與應急救助行動，開展漁民自救和互救活動，是海上專業救助力量的有力補充，自2010年以來，平均每年參與10多起海上險情應急救援行動。

How to Guide the Big Cache

Qin Lian
(Langfang City Finance Bureau, Langfang, 065000)

Abstract:Cache, it is to point to in the hierarchical structure of the computer storage system, between the CPU and main memory of the small capacity storage at a high speed. Cache and main memory together form the primary memory, cache memory and scheduling information between main memory and is transmitted by the hardware automatically. In the development of computer, according to Moore's law, calculate the CPU performance of the system is developing rapidly. And disk as the main storage in computing system, as a result of the limitation of mechanical mechanism, its development speed is far less than the development speed of the CPU, formed the CPU data processing fast and slow disk read and write data, thereby reducing the entire computer system work efficiency. Therefore, by adding a buffer layer between the two coordinate data transfer between efficiency, cache which arises at the historic moment. Processing rates are close to the central processor cache, by expanding the cache capacity, alleviate processing efficiency gap between, can rapid response between the CPU and disk read and write requests, as between the buffer pool, cached in a proper range is bigger, the better. Due to cache the precious resources and, therefore, the cache become important symbol of a computing system performance.

Keywords:cache; storage; the influence factors

中圖分類號：TP3

文獻標識碼：B 文章編碼：1672-7274（2016）04-0037-03

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.04.011