SSD走進企業(yè)級應用 選購注意5要素

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【編者按】SSD（Solid State Disk，固態(tài)硬盤）早就被冠以“革命者”的美譽，其特別之處在于它沒有機械結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)儲存在芯片里，以區(qū)塊寫入和抹除的方式進行讀寫，因此在讀寫效率上，SSD比傳統(tǒng)機械式硬盤有了革命性的提升。SSD“性格分明”，優(yōu)缺點都顯而易見，它的最大賣點是可以在緊張的I/O處理過程中加快數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣? 缺點是價格偏高、容量偏小。目前，SSD已經(jīng)涉足于企業(yè)級應用，EMC、IBM、HP、NetApp、Dell、H3C、華為賽門鐵克等廠商都競相將SSD推廣到企業(yè)級存儲產(chǎn)品中，唯恐落后。本期專題將從用戶需求、廠商布局、產(chǎn)品特征等方面多角度、全方位地展示SSD企業(yè)級應用現(xiàn)狀。

2009年3月，遼寧移動的9塊146G SSD(Solid State Disk,固態(tài)硬盤)到貨，并配置到機房原有的EMC Symmetrix DMX-4中，自此，遼寧移動的客戶發(fā)現(xiàn)，手機話費詳單查詢的時間縮短了很多，剛剛結(jié)束的通話，就能在互聯(lián)網(wǎng)或遼寧移動的查詢機上查到話費記錄，這后面的功臣就是SSD。

遼寧移動是目前少數(shù)在企業(yè)級存儲中采用SSD的用戶之一，第一批“吃螃蟹”的還有百度，不過它只是把服務器的硬盤進行改良，插入了SSD以提高檢索業(yè)務，而并非采用專業(yè)的具備SSD的磁盤陣列。經(jīng)過測試，固態(tài)硬盤的性能是傳統(tǒng)光纖通道硬盤的30倍，30個15000轉(zhuǎn)/分鐘的光纖通道磁盤才能達到單一固態(tài)硬盤同樣的性能。相比個人用戶對SSD的接受程度來說，在企業(yè)級用戶中，SSD似乎還只是一道不乏賣相的美宴，欣賞者多、動箸者稀。企業(yè)級高容量固態(tài)硬盤的開發(fā)也并沒有想象得那么簡單，特別是在控制器端，寫入壽命、無故障時間、穩(wěn)定的IOps（每秒I/O操作頻度）等都對企業(yè)級固態(tài)存儲提出了更高的要求。

影響用戶購買SSD的原因主要體現(xiàn)在五個方面。

價格及容量: 因其研發(fā)成本、技術含量等問題， SSD的價格與傳統(tǒng)硬盤相比大概是10∶1，在企業(yè)級SSD中，這一比例更高，這是因為除了介質(zhì)成本外，還有維護成本、軟件成本和部件整體融合成本。雖然SSD的價格正呈逐年下降趨勢，但從目前的價格水平看，仍高出傳統(tǒng)硬盤數(shù)倍。

但是，對于價格的質(zhì)疑也有來自另一個角度的看法，那就是，使用正確的方法，把SSD用在正確的位置，用戶的整體擁有成本并不會因SSD的價格而抬升。一般來說，企業(yè)級用戶構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫應用往往需要很高的IOps，用戶因為需要追求良好的讀寫速度，常常需要采購更多的傳統(tǒng)磁盤來達到系統(tǒng)所需要的性能，造成傳統(tǒng)磁盤的利用率并不高; 而在使用SSD時，可以在一塊SSD上達到系統(tǒng)所要求的高IOps。遼寧移動業(yè)務支撐中心系統(tǒng)維護建設室主任王欣介紹說，如果不采用SSD，而是按傳統(tǒng)的方式提高盤陣性能，需要購買更多的光纖通道磁盤，還要使用RAID 0+1的方式，能否達到和SSD一樣的性能還不一定。

從某種程度上來講，存儲容量也是困擾SSD發(fā)展的一大難題。如今傳統(tǒng)機械式硬盤憑借最新的垂直記錄技術已經(jīng)向TB級別邁進，而SSD的容量普遍還停留在256GB左右（目前EMC提供的SSD已經(jīng)達到400GB），這也是由于SSD成本一直居高不下，因此很少有廠商涉及這種高容量的SSD產(chǎn)品的研發(fā)。

壽命及可靠性: SSD采用NAND型閃存芯片作為存儲介質(zhì)，而NAND閃存并不像DRAM內(nèi)存顆粒一樣擁有無限的壽命，得受可擦寫次數(shù)的限制。目前，SSD單個芯片的壽命不如磁盤介質(zhì)， MLC固態(tài)硬盤的可寫入次數(shù)為2000次～10000次，SLC固態(tài)硬盤的可寫入次數(shù)是MLC的10倍左右，一旦某個存儲單元的寫入次數(shù)接近極限值，就很可能遭遇徹底的物理損壞。“SSD往往應用在關鍵核心業(yè)務上，我們不敢讓這部分數(shù)據(jù)有任何閃失，使用壽命影響了SSD的安全性，因此我們還在猶豫是不是要采用SSD?！蹦炽y行信息處的負責人告訴記者。

但是，各存儲方案提供商已經(jīng)采用了很多技術來提高SSD的壽命，使其平均無故障時間（MTBF）與傳統(tǒng)的磁盤相當。從磁盤陣列的角度來看，SSD硬盤的安全性可以從兩方面來保障。第一是在部件層面，一塊良好的SSD已經(jīng)內(nèi)置數(shù)據(jù)冗余和糾錯技術，內(nèi)部預留了存儲單元，在有數(shù)據(jù)塊損壞時自動進行替換，用戶感知不到，SSD盤片廠家提供的數(shù)據(jù)顯示，頻繁讀寫應用時SSD可以使用5年或以上。第二是在系統(tǒng)層面，磁盤陣列的RAID機制、熱備盤、快照、復制等技術，都可以用來保障SSD硬盤的數(shù)據(jù)安全性。例如，Wear Leveling 是有效提升 SSD  MTBF的一種技術手段，可達到均勻磨損、換位寫入等目的。Wear Leveling 的基本思想就是避免不停地對某些晶體的擦寫，利用算法保持所有的可擦寫單位的次數(shù)是近似均勻的，這樣就把寫次數(shù)均勻地分散到各個晶體上。另外，由于SSD的使用壽命主要取決于寫入次數(shù)，而與讀取次數(shù)關系不大，因此，那些以“一次存取，多次查詢”為主的應用形式（如搜索引擎、數(shù)據(jù)倉庫）避免了SSD寫壽命的尷尬。

功耗: 提到這一點時，也許人們會感到困惑，按理說，功耗足以稱得上是SSD的得分項，SSD因為沒有機械馬達和風扇，閃存芯片發(fā)熱量小、散熱快，因此工作時非常安靜，沒有任何噪音產(chǎn)生。那么這里為何還提出功耗問題？

因為有用戶提出質(zhì)疑，如果以傳統(tǒng)的按照W/TB來計算的電量統(tǒng)計，SSD并不占優(yōu)勢，例如，一塊7.2Krpm的1TB SATA硬盤的功率是9.2W，一塊15Krpm的300GB的功率是18W左右，而一塊64GB SSD的功率是2W。如果按相同容量耗電量來看，SSD顯然并不占絕對優(yōu)勢。

但采用SSD之后，有一個功耗統(tǒng)計方法是W/IO，以IOps計算，能耗節(jié)省高達98%，SSD硬盤的優(yōu)勢就非常明顯了。

軟件兼容性: 要最大程度地發(fā)揮固態(tài)存儲技術的優(yōu)勢，需要通過各種軟件和系統(tǒng)功能來發(fā)挖掘其潛能。并不是任意一塊SSD都可以隨意插入企業(yè)級盤陣進行應用的，這跟存儲軟件有很大關聯(lián)，因為在中高級的存儲系統(tǒng)里面，磁盤和控制器都有一些特別的微碼來支持整個系統(tǒng)的運行，服務器操作系統(tǒng)相對開放，而存儲系統(tǒng)相對封閉，所以客戶并不能自己去隨意更換盤片。

軟件兼容性還表現(xiàn)在，軟件必須能夠識別SSD，以把最容易出現(xiàn)I/O瓶頸的應用放在相應的SSD上。由于成本原因，客戶不可能大量購買SSD，那么怎么去發(fā)揮它的作用，就成了一個需要解決的問題。

在操作系統(tǒng)層面，大多數(shù)傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)不具備存儲分層的概念。而將元數(shù)據(jù)遷移到SSD會帶來很大好處，同時可以進一步優(yōu)化不完全基于傳統(tǒng)順序存取的I/O，操作系統(tǒng)分頁和內(nèi)容高速緩存服務也可以采用SSD來改善延遲和減少能耗。

不少用戶存在顧慮，花大價錢買的SSD存儲是真能派上用場，還是“小姐身子丫鬟命”，由于軟件問題而使其功能被抹殺。值得欣慰的是，目前像EMC、IBM、HP等前面提到的主流廠商都具備獨到的支撐SSD的軟件，足以打消用戶的顧慮。

找準需求: 價格也好，壽命也罷，如果用戶有了迫切的需求，就會表現(xiàn)出“不差錢”的豪邁?！百u的不怕多吆喝，就怕買的沒心要?！蹦炒鎯S商通俗地比喻?！皩S商來說，企業(yè)級市場里最難的是幫助用戶尋找適于SSD展拳腳的應用瓶頸?！蹦壳昂芏嘤脩魧ψ陨淼膽煤蚐SD的契合度并無把握，不了解SSD能否適用于自己; 而往往那些適合SSD應用場景的業(yè)務，又恰好是用戶不敢隨便“動”的核心業(yè)務，要嘗試SSD很需下番決心。

遼寧移動決定采用SSD技術縮短詳單查詢時間，其實也是經(jīng)過深思熟慮的，遼寧移動業(yè)務支撐中心系統(tǒng)維護建設室主任王欣是本次技術改選的主要負責人，深諳數(shù)據(jù)庫性能的他發(fā)現(xiàn)，詳單的瓶頸出在通話記錄從交換機入庫到CRM系統(tǒng)的過程中。在業(yè)務高峰時，話單產(chǎn)生的速度遠大于入庫的速度，從而造成話單積壓，延時也達到了令人無法忍受的程度。將詳單入庫的相關索引文件遷移到固態(tài)硬盤上后，王欣測試出，系統(tǒng)的讀寫速度提高了3～4倍，吞吐量提高了10倍左右，總算解決了這一困擾已久的難題。

目前，遼寧移動在全省14個地市分公司、56個縣級分公司擁有超過2000萬用戶，每月的話單記錄在30億條左右，月索引數(shù)據(jù)的大小為400GB。9塊146G SSD采用“7+1+1”的方式部署，一塊盤做熱備盤，其他8塊盤采用RAID5“7+1”的方式配置，只將當月的索引放在固態(tài)硬盤上，往期數(shù)據(jù)仍然放在光纖通道磁盤上。SSD技術在電信行業(yè)有很大的發(fā)展空間，以中國移動為例，各個省公司都會有一些熱點數(shù)據(jù)，導致系統(tǒng)瓶頸，用少量SSD就可以解決熱點數(shù)據(jù)的瓶頸問題，投資很值得。

這就是一個典型的SSD對癥下藥的案例。

最初，SSD的應用領域局限于軍用系統(tǒng)、高性能計算等場合，目前，從行業(yè)來看，支持SSD的磁盤陣列主要應用在高性能計算領域和高并發(fā)IO領域，它們存在大量的需求，例如石油勘探、氣象分析、生物醫(yī)學等都屬于高性能計算領域，而大型企業(yè)ERP應用、大型網(wǎng)站的熱點資源（Cache層）則對高并發(fā)I/O的處理需求迫切。在這兩個領域中，有較大部分是數(shù)據(jù)庫應用，其特點是小數(shù)據(jù)塊隨機讀寫，且一般寫比例比讀少，而對響應時間和IOps要求很高，存儲容量一般不大。許多商業(yè)數(shù)據(jù)庫經(jīng)常發(fā)生對元數(shù)據(jù)（日志，索引）非常頻繁的訪問，這些訪問可能構(gòu)成了大約70%的I/O傳輸工作量，但是只有10%的數(shù)據(jù)，其余較低I/O訪問的數(shù)據(jù)實際占據(jù)了90%的磁盤容量，如果實際應用正是如上所述的模式和容量比，那么通過將一小部分數(shù)據(jù)集中在SSD上會明顯提高應用的性能。

但并非所有應用都適合SSD，比如說高清晰電視或者節(jié)目制作的存儲，由于每一個文件都很大，每一個都會有持續(xù)性的寫操作，除了容量要求非常高，不知道哪段應該放在SSD上外，頻繁的寫操作也不適合于SSD。

另外，云計算也給SSD帶來了機遇，就云計算而言，計算和存儲能力主要依靠的是整體架構(gòu)，而不依賴于單個設備或者硬盤，將SSD硬盤作為Cache層，用于提供快速的檢索和查詢，會是一種可行的應用模式。