前言概述
在更多企业核心系统“云化”的今天，云存储系统作为业务数据的重要载体，其性能表现正 受到越来越多的关注。作为全球领先的云服务提供商之一，腾讯云通过先进的云硬盘 CBS (Cloud Block Storage) 产品为众多行业用户提供高效、可靠的持久性块存储服务，并在核 心数据库、内容分发网络 (Content Delivery Network，CDN) 及电商系统等用户场景中获 得了广泛的部署和使用。 为向用户提供性能更为卓越的企业级云存储服务，腾讯云与深度合作伙伴英特尔一起， 以全新的存储引擎设计和英特尔® 傲腾™ 持久内存来重构和优化腾讯云的极速型固态盘 CBS产品。验证表明，新的产品方案能以更佳的带宽、更低的时延和更高的每秒读写次数 (Input/Output Per Second，IOPS)，为性能密集型用户业务场景打造极速云存储体验。
挑战：快速发展的云服务对云存储性能提出更高要求
无论是正兴的互联网、大数据或人工智能等领域，还是传统的金融、医疗和制造等行业，云 服务都已逐渐成为企业下一代 IT 基础设施的标准之一；而作为企业未来业务数据的重要 载体，包括云硬盘在内的云存储产品与解决方案的性能表现，也成为企业选择云服务的一 个重要考量因素。 作为全球领先的云服务提供商之一，腾讯云一直以先进的云硬盘 CBS 产品为用户提供持久 性块存储服务。典型的腾讯云CBS产品存储系统架构如图一所示，由CBS接入、MDS控制 集群以及 CBS 存储集群构成。当 CBS 接入收到 CVM 云主机集群的数据读写请求后，会根 据 MDS 提供的集群路由信息，将读写请求转发至对应的 CBS 存储节点中。
依托于雄厚的技术积累以及持续不断的技术优化与演进，腾讯云 CBS 产品性能卓越，可用性、可靠性及可扩展性俱佳：
• 高性能：基于英特尔高性能 NVMe 固态盘和腾讯云创新自研存储 引擎的有效组合，CBS 产品目前已可为用户业务场景提供单盘最 大 50K 的随机 IOPS 性能，以及最高 350MB 每秒的带宽能力；
• 高可用性：通过高可用和容灾设计，CBS 产品能有效降低系统不 可用概率，并可通过快照 (Snapshot) 方式备份用户数据，防止因 篡改和误删导致数据丢失，保证在业务故障时能快速回退；
• 高可靠性：通过三副本的分布式机制，CBS 产品可为用户提供 高达 99.9999999% 的数据可靠性；而借助优异的数据复制机 制，CBS 产品也能在副本出现故障时快速进行数据迁移恢复， 保障用户业务不受影响；
• 高可扩展性：CBS 产品允许用户根据业务需求自由配置存储容 量，按需扩容。目前系统单磁盘容量最大可支持 32TB，单个云 主机累计可挂载 640TB，使用户能够从容应对 TB/PB 级的大 数据处理场景。
凭借以上优势，腾讯云 CBS 产品在不同用户业务场景，如高负载 OLTP (On-line Transaction Processing，联机事务处理) 的金融交 易系统、高吞吐的电商系统、面向人工智能的数据分析系统，以及高 并发的 CDN 网络等中都具有不俗表现，并获得了用户的良好反馈。
但从 CBS 的产品架构中可以看到，基于分布式构建的存储集群， 令来自网络的接入、传输时延等因素会对其整体性能产生影响， 从而与本地化存储产生差异。这也是用户在核心数据库、CDN 网 络等性能敏感场景中对采用 CBS 产品仍抱有迟疑的原因之一。而随着云服务逐渐成为企业业务系统的核心载体，更多更复杂的核 心业务数据读写需求正驱动着腾讯云对极速型 CBS 产品开展进 一步深度优化以提升性能，消除用户对 CBS 产品的顾虑。
针对 CBS 产品的架构、存储引擎以及硬件基础设施，腾讯云加入了 对远程直接数据存取 (Remote Direct Memory Access，RDMA) 协 议的支持，并与英特尔携手，开展了多方位的优化，包括：
• 加入轮询、算法优化、消除竞争以及消除锁等机制，优化 CBS 存 储引擎；
• 引入由英特尔提供的SPDK(StoragePerformanceDevelopment Kit) 开发套件，优化 NVMe 固态盘的 IOPS 和时延性能。
在进行上述架构、引擎和软件方案的优化后，双方发现固态盘产品 本身的时延性能也成为进一步提升 CBS 产品整体性能的障碍。要 应对这一问题，有效方法就是为方案寻找一种更具性能优势的存 储介质。
为此，腾讯云与英特尔一起，借助英特尔® 傲腾™ 技术这一存储 “黑科技”，以英特尔® 傲腾™ 持久内存作为新一代极速型 CBS 产品 的存储核心，并重构数据落盘方案，来满足性能密集场景在时延上 的更高要求。
解决方案：借力存储“黑科技”，为极速型 CBS 产 品打造更佳性能
在腾讯云既有的极速型固态盘 CBS 产品设计中，数据的落盘过程 如图二所示，来自计算集群的云主机数据首先通过 HASH 找到或 分配到对应的块节点 (Block Node) 中，然后数据会被缓存到不同 的 Page。接下来，系统需要进行执行两次写操作，一次将业务数据 写入固态盘对应的数据区；另一次是将元数据 (Metadata) 以 LOG 方式追加 (wAppend) 写入固态盘中。
可以看到，这一过程需要对固态盘执行两次写操作。基于 NAND 闪 存构建的固态盘写入时延通常为数十微秒，因此两次写入过程就会 带来数十乃至近百微秒的时延。这一数字虽然看起来很小，但在端 到端网络时延可达 1 毫秒 (1000 微秒) 的 5G 时代，其显然还是会 制约 CBS 产品的整体性能。
同时，NAND 固态盘数据写入需要以块为单位，且写入前需要做擦 除操作等特性，一方面会带来写入效率的降低，另一方面也大幅降 低了其使用寿命 (即所谓的“写入放大”问题)。此外，在 LOG 的回收 过程中还存在相应的毛刺问题。
而基于英特尔® 傲腾™ 技术构建的英特尔® 傲腾™ 持久内存则可以 帮助 CBS 产品有效应对以上问题。英特尔® 傲腾™ 技术通过一种全 新的无晶体管存储架构，能在三维矩阵中堆叠存储网格，从而在提 高存储密度、增强读写性能的同时，提供持久化的存储能力。持久 内存可按字节寻址，可以向内存一样精准控制读写的位置和大小。
与传统 DRAM 内存相比，由英特尔® 傲腾™ 技术与其它英特尔 先进存储控制技术、接口硬件，以及软件增强功能相结合构建的 英特尔® 傲腾™ 持久内存具有两大显著优势：首先其存储密度更 高、单位存储成本更低，可帮助用户更为经济地扩展云存储能力；其 次，App Direct 模式下的英特尔® 傲腾™ 持久内存所具备的持久性 特性，使之可以有效充当 CBS 产品的数据持久化存储载体
得益于英特尔® 傲腾™ 持久内存的创新特性，极速型 CBS 产品的数 据落盘过程，如图四所示得以优化。首先来自计算集群的数据会通 过 HASH 分配到对应的块节点并缓存到 Page 中，然后数据就马上 会被持久化存储到英特尔® 傲腾™ 持久内存中，同时 Page/Block 的 元数据也会原地更新到对应的数据区中。
除数据落盘过程实现优化之外，用户还可通过定制化的策略和算 法，决定是否将英特尔® 傲腾™ 持久内存中的数据进一步下刷到固 态盘中。例如，将需要频繁读写的“热数据”保留在持久内存中，而长 时间不需访问的“冷数据”定期被后台转移至固态盘中，以有效降低 CBS 产品的总拥有成本 (Total Cost of Ownership，TCO)。
在提供先进存储硬件产品的基础上，英特尔® 持久内存开发工具包 (Persistent Memory Development Kit，PMDK) 为 CBS 产品提供 了面向英特尔® 傲腾™ 持久内存的编程模型和环境。
以其中的 libpmem 库为例，作为 PMDK 中的底层库，其支持用内 存映射方式访问持久内存，这一方式可将持久内存上的文件映射到 应用程序的虚拟内存空间进行操作。通过规避内核参与和上下文切 换带来的开销，使持久内存的性能可直接为应用程序提供助益。
同时，libpmem 库也可以检测处理器的特性而使用最为高效的持 久化指令 (例如 CLWB、CLFHASHOPT 等) 将数据写入到持久内 存中。CLWB 指令具有并发能力，同时可在刷新数据后仍然保 证处理器缓存有效。除此之外，libpmem 还封装了 NTW (Non Temporal Write) 指令，该指令能利用写合并方式来绕过处理器缓 存 (Cache), 直接将数据从 Store Buffer 中写入内存控制器的 WPQ 中，从而提高性能。
得益于以上特性，libpmem 库不仅能以丰富的接口帮助用户实 现对整个写入流程更加细致和准确的控制，也通过使用内存映射 (Memory Mapping) 的访问方式，并结合 NTW 写入指令提升整个 系统基于持久内存访问的写入性能，从而让英特尔® 傲腾™ 持久内 存的各项特性在 CBS 新方案设计中发挥效能。
效果：创新硬件与优化设计为 CBS 产品带来全方 位收益
与既有方案相比，基于英特尔® 傲腾™ 持久内存设计的 CBS 产品优 化方案在落地实施后，带来了巨大的改变及收益，包括：
• 数据读写时延大幅缩短：一方面，相比 NAND 固态盘数十微秒的 读写时延，英特尔®傲腾™持久内存的读写时延可控制在1微秒以 内；另一方面，借助PMDK提供的函数库与工具，英特尔® 傲腾™ 持久内存可对整个写入流程实现更加细致和准确的控制，并有效 提升系统的写入性能。
• 系统使用寿命有效提升：一方面，英特尔® 傲腾™ 持久内存可按 字节寻址的特性有效解决了以往 NAND 固态盘的“写入放大”问 题，从而避免因反复擦写造成的设备使用寿命降低；另一方面， 英特尔® 傲腾™ 技术独有的存储结构也令英特尔® 傲腾™ 持久内 存具有更长的使用期限；
• 增强存储空间使用效率：英特尔® 傲腾™ 技术允许单独访问和更 新内存单元，所以英特尔® 傲腾™ 持久内存无需再执行垃圾收 集，进而避免了以往 NAND 固态盘面临的回收毛刺问题，提升 了存储空间的使用效率。
为验证新硬件与优化设计对 CBS 产品产生的效果，腾讯云与英特尔 合作开展了多方位的验证测试。测试结果如图五所示，采用英特尔® 傲腾™ 持久内存构建的 CBS 产品方案与优化前相比，整体写时延从 120微秒下降到60微秒，整体读时延从130微秒下降到40微秒， 同时 IOPS 可高达 200W，性能获得了有效提升1。
展望：以先进产品与技术为用户创造更佳云存储 体验
随着云计算、云存储技术的不断完善，云服务正在企业级业务系统 中扮演越来越重要的角色，而用户也势必会对各类云服务的性能提 出更多和更高的要求，这些技术与应用场景的互动有力推动着相关 产品与技术的持续演进与优化。作为云服务行业的重要参与者和引 领者，腾讯云与英特尔基于英特尔® 傲腾™ 持久内存开展的 CBS 产 品优化及所取得的收益，正是这一趋势的显著体现。
面向未来，腾讯云与英特尔也将基于这一成功实践，在云计算、云 存储等领域开展更广泛合作，运用更多先进产品和技术持续优化 CBS 等云服务产品。例如双方计划在基于英特尔® 傲腾™ 持久内 存的方案设计中加入 RDMA 协议，从而有效降低处理器和内存开 销。同时，随着全新第三代英特尔® 至强® 可扩展处理器的到来， 其不仅能以更多的内核、更优化的架构和更大的内存容量为云服 务产品带来更强性能助力，也能与新一代英特尔® 傲腾™ 持久内存 形成良好的配合，为用户数据打造更佳云存储体验，使 CBS 等云 存储产品成为未来企业级业务数据存储的可靠依托。
