EMC XtreamIO：不完美，但已立標桿

2013年存儲市場中閃存無疑是最大的市場亮點，閃存在資本層面、市場層面以及技術(shù)層面都具有十足的活力，這其中又以全閃存陣列市場最受關(guān)注。一大批初創(chuàng)廠商以及傳統(tǒng)存儲巨頭們紛紛對全閃存陣列進行投入與關(guān)注，使得整個市場的活躍程度無比高漲。以ViolinMemory、PureStorage為代表的全閃存初創(chuàng)廠商也被寄托為打破傳統(tǒng)存儲市場格局的新希望，但是傳統(tǒng)存儲巨頭們并不會坐以待斃。近日，EMC公司正式向外界推出了其全閃存陣列產(chǎn)品XtreamIO。早在大約一年前，EMC公司通過收購以色列全閃存初創(chuàng)公司XtreamIO獲得了其全閃存陣列相關(guān)技術(shù)，在這一年期間，外界經(jīng)常有關(guān)于XtreamIO的相關(guān)報道，但始終處于“不識廬山真面目”的狀態(tài)，經(jīng)過一年的整合與規(guī)劃，EMC公司終于正式揭開了其全閃存陣列XtreamIO的神秘面紗。

當前閃存市場特別全閃存陣列市場僅僅是剛剛起步，無論是市場規(guī)模還是產(chǎn)品技術(shù)都處于發(fā)展初期，比如市場中就仍然充斥著較多采用傳統(tǒng)存儲陣列架構(gòu)、僅僅通過將SSD取代機械磁盤的全閃存陣列。就連EMC XtreamIO的全閃存陣列也不是完美至極，為每個節(jié)點專門配置UPS電源、尚不是整個數(shù)據(jù)中心分層的組成部分等問題同樣被競爭對手所詬病。但是，從長遠來看，基于標準化硬件將會是大勢所趨，軟件功能與架構(gòu)將會是決定全閃存陣列未來競爭力的關(guān)鍵，而在這方面EMC XtreamIO一經(jīng)推出無疑在市場中樹立了新的標桿。

圖一：Gartner關(guān)于2012年基于閃存的存儲陣列營收統(tǒng)計，從圖中可以看出基于閃存的存儲陣列的總市場營收約為3.7億美金。全閃存陣列仍然處于一個發(fā)展初期，整個市場規(guī)模不大。

EMC認為閃存不僅僅需要解決性能問題，專注在硬件和物理的性能將會讓閃存置于小眾市場，EMC作為全球最大存儲廠商致力于如何用閃存技術(shù)加上軟件主導(dǎo)的架構(gòu)，讓用戶能夠使用得起，更加簡單、敏捷、快速的為下一代虛擬數(shù)據(jù)中心服務(wù)。EMC XtreamIO技術(shù)總監(jiān)任宇翔更是直言：XtreamIO的大部分知識產(chǎn)權(quán)專利都集中在軟件領(lǐng)域，XtreamIO基于4K數(shù)據(jù)塊內(nèi)容的數(shù)據(jù)安置、雙階元數(shù)據(jù)引擎、XtreamIO數(shù)據(jù)保護（XDP）、共享內(nèi)存中的元數(shù)據(jù)的四大特性使得能夠徹底擺脫傳統(tǒng)陣列的思維方式和架構(gòu)。

在正式推出XtreamIO之后，EMC也發(fā)動了針對當前全閃存領(lǐng)域熱門廠商ViolinMemory、Purestorage、Solidfire等的攻勢，大膽拋出了產(chǎn)品功能對比圖并對競爭對手提出諸多技術(shù)問題，這也引起了整個全閃存陣列市場的快速響應(yīng)。EMC這種敢于曬干貨的風格遠比動不動就號稱要砸10億美金的廠商來的有效。

XtreamIO全閃存陣列概況

EMC XtreamIO為一款具備橫向擴展能力的全閃存陣列，每個陣列單元稱之為X-Brick。每個X-Brick單元配置了25個容量為400Gb的eMLC SSD，因此一個X-Brick的原始容量為10TB。EMC宣稱由于采用了全新的架構(gòu)，每個X-Brick的可用容量可達7.5TB，這還是不包含去重優(yōu)化的結(jié)果。

圖二：EMC XtreamIO全閃存陣列X-Brick模塊外觀圖。每個X-Brick高度為5U，分別由Storage Controller、DAE、UPS電源組成，每個控制器為1U雙插槽服務(wù)器，每個X-Brick配置了4個8Gb光纖通道端口、4個10GbiSCSI端口、4個40Gb Infiniband端口以及2個1Gb的管理端口。

圖三：XtreamIO每個X-Brick架構(gòu)示意圖，包括兩個存儲控制器以及24個eMLC SSD組成。

圖四：EMC XtreamIO具備橫向擴展能力，可擴展為四集群化（每個X-Brick具有兩個節(jié)點，四集群化X-Brick意味著有八個節(jié)點。），IOPS可達到百萬級，X-Brick之間采用Infiniband交換機互聯(lián)。

EMC XtreamIO 技術(shù)總監(jiān)任宇翔表示，XtreamIO已經(jīng)在實驗室環(huán)境中實現(xiàn)了八個X-Brick（16個節(jié)點）甚至更大的陣列擴展，EMC也會很快提供8個X-Brick配置的陣列?！皬睦碚撋峡?，16個X-Brick和32個X-Brick并沒有區(qū)別，但是涉及到很多測試和實際應(yīng)用場景，即客戶當前是否需要這么大的容量和性能?！比斡钕柩a充道。

根據(jù)EMC介紹，X-Brick具有非破壞性XIOS軟件及硬件升級、擁有高可靠性的熱插拔升級，且不存在著單點故障。集群化的XtremIO陣列中各個X-Brick可以擁有不同存儲容量；集成了VMware VAAI、vmware多通道I／O支持，數(shù)據(jù)分卷能夠夸整個系統(tǒng)；所有元數(shù)據(jù)存儲、配置、管理均在內(nèi)存中進行，無需涉及到SSD；擁有豐富的數(shù)據(jù)保護功能，且已經(jīng)與EMC其他產(chǎn)品開始集成。

EMC XtreamIO一經(jīng)推出，其每個X-Brick都需要配置UPS電源就讓人感到奇怪，并且如果單獨購買一個X-Brick則需要配置兩個UPS。對此，EMC XtreamIO解釋道：“目前每個X-Brick都需要一個UPS來解決電源問題。為什么一個X-Brick需要兩個UPS，是因為在單個X-Brick情況下，電源也需要配置兩個UPS備份，防止單個X-Brick情況下UPS失效。如果用戶購買兩個X-Brick以上，則每個X-Brick配置一個UPS即可。至于為什么X-Brick需要UPS，那是因為XreamIO將所有的元數(shù)據(jù)都存儲在內(nèi)存之中，而且元數(shù)據(jù)的操作都在內(nèi)存中進行。因此，一旦有任何硬件和軟件問題，內(nèi)存信息將會全部丟失，比如數(shù)據(jù)中心掉電的情況，UPS可以保證有足夠的電量將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)改變寫入到SSD中。我們也不喜歡UPS這個解決方案，因為電池非常笨重、占用空間。我們今后會采用其他辦法，在下一代硬件平臺上將會有新技術(shù)來取代UPS?！?/p>

“基于內(nèi)容的數(shù)據(jù)安置”打破傳統(tǒng)模式

“基于內(nèi)容的數(shù)據(jù)安置”是指EMC XtreawmIO全閃存陣列將數(shù)據(jù)分為4KB的散列塊，這些4KB的散列塊完全打散，不按照邏輯地址進行排列存儲，而是根據(jù)物理位置進行安置。EMC XtreamIO技術(shù)總監(jiān)任宇翔強調(diào)基于4K數(shù)據(jù)塊內(nèi)容安置是整個全閃存陣列其他所有軟件功能的基礎(chǔ)。

圖五：EMC XtreamIO的基于內(nèi)容的數(shù)據(jù)安置，完全打破了過去基于傳統(tǒng)磁盤的數(shù)據(jù)存儲模式。

其實XreamIO這種基于數(shù)據(jù)打散的陣列技術(shù)以前也有先例，之前類似的3PAR、XIV等陣列都是基于這種策略。不過傳統(tǒng)磁盤陣列的數(shù)據(jù)存儲都是基于邏輯地址，時間久了之后不可避免的就會產(chǎn)生磁盤碎片化，從而對性能產(chǎn)生影響。EMC XtreamIO全閃存陣列的策略則是個將數(shù)據(jù)徹底的打亂，完全碎片化，基于4KB的數(shù)據(jù)塊通過指紋來識別、存儲、管理等。EMC認為這種技術(shù)帶來的直接好處就是線內(nèi)去重化變得非常容易。

圖六：EMC XtreamIO基于4KB數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)安置，采用了雙階元數(shù)據(jù)引擎，通過兩步的元數(shù)據(jù)映射使得全閃存陣列的線內(nèi)重復(fù)數(shù)據(jù)刪除能夠輕松實現(xiàn)。

圖七：數(shù)據(jù)通過核心引擎重刪之后，通過40Gb的高速Infiniband內(nèi)部交換網(wǎng)絡(luò)均勻分布到各個X-Brick之中。

EMC XtreamIO技術(shù)總監(jiān)任宇翔表示：“傳統(tǒng)磁盤陣列是按照邏輯地址的次序來存儲在磁盤上，順序操作性能是最佳的，如果傳統(tǒng)磁盤陣列去做線內(nèi)的重復(fù)數(shù)據(jù)閃存操作將會打破某些操作次序，造成磁盤碎片化，從而使得陣列的性能受損，這是傳統(tǒng)磁盤陣列很難去做線內(nèi)去重的原因。EMC XtreamIO則完全不管邏輯地址這種模式，通過基于4K數(shù)據(jù)塊內(nèi)容的數(shù)據(jù)指紋技術(shù)，按照指紋來決定4K數(shù)據(jù)放在什么地方，這種徹底碎片化的方式使得線內(nèi)去重實現(xiàn)非常容易。如果相同的4K數(shù)據(jù)塊則只用寫入一個地址即可，當去重化成為一個內(nèi)在功能而不是疊加功能之時，去重化比例越高、寫操作性能就會越好，因為只需要在遠數(shù)據(jù)設(shè)置好指針就可以?！?/p>

據(jù)悉，EMC XtreamIO基于4K數(shù)據(jù)塊的指紋技術(shù)是采用的哈希算法。EMC表示通過利用好哈希算法將會保證數(shù)據(jù)一定完全均衡分布在所有結(jié)構(gòu)的節(jié)點中。

“XtreamIO采用的雙階元數(shù)據(jù)引擎，第一步元數(shù)據(jù)映射是邏輯地址到指紋映射；第二部是指紋映射到內(nèi)部的物理地址。一旦做完兩步的雙階元數(shù)據(jù)之后，就增加了系統(tǒng)內(nèi)部的靈活性，XtreamIO可以根據(jù)指紋來映射到內(nèi)部具體哪個物理地址。傳統(tǒng)的RAID有很大的寫放大，即后端的寫擦做和前端寫操作的比例，RAID5和RAID6都會寫操作都會放大很多，對傳統(tǒng)陣列而言將會是性能損耗，對全閃存陣列而言將會是閃存壽命的損耗，XtreamIO這種方式則將傳統(tǒng)的RAID的寫放大給大幅降低了?！比斡钕柩a充道。

圖八：XtreamIO的數(shù)據(jù)保護機制XDP，通過雙階數(shù)據(jù)引擎避免了RAID5、RAID6的寫放大外，達到了RAID6的保護效果。

圖九：EMC XtreamIO XDP原理。

EMC XtreamIO技術(shù)總監(jiān)任宇翔表示：“XDP首先是雙備份，和RAID6一樣讓XtreamIO陣列同事有兩塊閃存盤，如果出錯可以糾錯，不會造成數(shù)據(jù)丟失。同事，還避免了傳統(tǒng)RAID的寫放大發(fā)生?！?/p>

共享內(nèi)存元數(shù)據(jù)—XtreamIO高速運行的秘密

就如前文所述，EMC XtreamIO將元數(shù)據(jù)的存儲、管理與操作全部轉(zhuǎn)移到內(nèi)存層進行操作。通過這種將元數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存之中的方式，共享式元數(shù)據(jù)將不再寫入到SSD之中；從而降低了閃存的各種寫操作，延長使用壽命。共享內(nèi)存元數(shù)據(jù)的方式也使得很多軟件功能在內(nèi)存層即可完成。

EMC XtreamIO 技術(shù)總監(jiān)任宇翔表示：“共享內(nèi)存元數(shù)據(jù)使得很多功能通過操作元數(shù)據(jù)即可完成。比如拷貝功能，虛擬機模板拷貝到成百上千個虛擬機中，傳統(tǒng)磁盤方式只能依靠讀寫所有的數(shù)據(jù)塊，非常耗時間、耗IO的操作。而XtreamIO的拷貝操作完全在內(nèi)存中，以元數(shù)據(jù)操作的方式去解決，速度就會非常之快?！?/p>

圖十：EMC XtreamIO SnapShot快照通過元數(shù)據(jù)可以讓處理速度更快。

通過在內(nèi)存層面的元數(shù)據(jù)操作，像虛擬機克隆、拷貝；數(shù)據(jù)庫克??；快照處理等功能都將大幅提升處理速度。當然，這種處理方式也充滿爭議。Greenbyte前CEO Steve O’Donnell就表示：“EMC將垃圾碎片回收機制從SSD中徹底取消，這樣將無法對被鎖定的NAND進行控制，無法在系統(tǒng)控制器層面加以適當管理?！蓖瑫r，Steve O’Donnell也指出采用X86服務(wù)器充當控制器可能存在隱患，他表示：“雖然將元數(shù)據(jù)放入內(nèi)存之中能夠讓陣列擁有極高的運行速度，但是控制器的主板是出了名的不可靠?！边@也許能夠解釋為什么X-Brick需要配置UPS電源的原因。

XtreamIO：這一年在整合

EMC收購XtreamIO之后，并沒有著急正式推出新產(chǎn)品，而是在各方面進行了整合與集成。根據(jù)任宇翔介紹，Xtream利用了EMC提供最好的硬件平臺和全球供應(yīng)鏈，從而保證了XtreamIO陣列的數(shù)量和質(zhì)量。此外，XtreamIO在產(chǎn)品與技術(shù)層面也進行了深度的整合，包括與VMware、VCE集成系統(tǒng)、VPlex、PowerPath、EMC遠程安全支持等。

EMC XtreamIO 技術(shù)總監(jiān)任宇翔表示：“目前XtreamIO已經(jīng)有超過100多個用戶，分布在北美、歐洲以及中東等地區(qū)，大部分公司都是財富五百強的公司，包括全球知名的保險公司、汽車制造商、軟件商、制藥公司等?！?/p>

隨著閃存特別是全閃存在數(shù)據(jù)中心逐漸開始流行，基于整個數(shù)據(jù)中心的分層策略無疑將會成為用戶考慮的要素。任宇翔表示：“目前XtreamIO第一代產(chǎn)品還不是EMC分層存儲的一部分，未來XtreamIO將會成為EMC分層存儲戰(zhàn)略的一部分。XtreamIO是全閃存陣列，某個角度是為解決一系列特殊問題而設(shè)計的，在這些問題有個共同點就是客戶分不清哪些數(shù)據(jù)是熱的，哪些數(shù)據(jù)是冷的。分層存儲一個很重要的前提就是客戶需要了解數(shù)據(jù)的冷熱，如果90%的數(shù)據(jù)是熱的那就是徹底的完全隨機讀寫環(huán)境和場景，在這種情況下傳統(tǒng)分層存儲很難解決性能問題。很多客戶告訴我們，他們的應(yīng)用場景分不清楚冷熱數(shù)據(jù)，但是會覺得這些應(yīng)用場景往往是對IO要求最高的應(yīng)用，今后的趨勢是這種應(yīng)用場景的比例會越來越多。短則三五年，長則十到半年，所有數(shù)據(jù)中心的存儲都會變成閃存，即全閃存數(shù)據(jù)中心?！?/p>

同時，任宇翔還駁斥了閃存內(nèi)部需要進行分層的做法。他表示：“選擇SLC和MLC之間進行分層是因為在架構(gòu)上存在問題，一些寫操作不能放到MLC上，如果把這些寫操作放到MLC上，將會很快使MLC消耗殆盡。如果架構(gòu)上領(lǐng)先，則可以全部采用MLC，因為MLC價格低、密度大，沒理由不用?！?/p>

圖十一：EMC已經(jīng)推出了集成XtreamIO全閃存陣列版本的VCE產(chǎn)品。

總結(jié)：EMC XtreamIO一經(jīng)推出，即獲得了大量關(guān)注與爭議，雖然第一代產(chǎn)品并不完美，但是XtreamIO在軟件和架構(gòu)層面上的創(chuàng)新，使得XreamIO在全閃存陣列領(lǐng)域樹立了新的標桿。毫無疑問，隨著EMC正式加入到全閃存陣列市場的戰(zhàn)團，未來全閃存陣列市場的競爭無疑會愈演愈烈！