ReFlex:讓遠端快閃記憶體訪問擁有本地訪問的效能

　　早在數年前，使用快閃記憶體的固態硬碟(SSD)很容易就能與價值10萬美元的儲存陣列的IOPS效能相當，而價格只是其一小部分。此外，SSD不需要儲存區域網路(SAN)，因為每個伺服器都可以有自己的內部PCIe SSD，其延遲之低是SAN陣列難以企及的。

　　在那時，即使一個400GB的SSD成本達到幾千美元，企業還是很樂意使用的。但是，隨著企業和雲供應商採用低成本、無共享架構、橫向擴充套件基礎設施——谷歌檔案系統和Hadoop為其中的典型代表——伺服器SSD的不可用滯留效能和成本已經成為一個主要問題。

　　遠端訪問NVMe快閃記憶體可以實現靈活的伸縮性，以及資料中心內快閃記憶體容量和IOPS的高利用率。然而，現有的遠端快閃記憶體訪問系統，要麼引入了顯著的效能開銷，要麼無法隔離共享每個快閃記憶體裝置的多個遠端客戶端。為此，史丹佛大學的研究員Ana Klimovic、Heiner Litz研發了ReFlex，一種遠端快閃記憶體訪問軟體系統，它為遠端記憶體訪問提供了幾乎與本地快閃記憶體訪問相同的效能。ReFlex使用資料平面(dataplane)核心將網路和儲存處理緊密整合，以在低資源需求下實現低延遲和高吞吐量。具體地說，ReFlex可以在TCP/IP網路上為每個核心提供850K IOPS，延遲只在直接本地快閃記憶體訪問之上增加21μs。

　　ReFlex的效能表現主要來源於以下幾個關鍵因素:

　　·NIC和SSD的硬體虛擬化功能可以直接在硬體I/O佇列上執行，無需複製。

　　·與基於庫的I/O呼叫相比，資料平面核心極大地減少了I/O開銷。

　　·一種新的服務質量(QoS)排程器，可以讓多個租戶公平共享遠端裝置，同時最小化長尾延遲。

　　·I/O在可能的情況下被批處理。

　　·基於輪詢的執行消除了基於中斷的I/O的不確定性和開銷。

　　實測結果

　　ReFlex伺服器的空負載往返延遲只比直接的、使用者空間通過NVMe佇列訪問本地快閃記憶體的時間高21μs。使用ReFlex的兩核伺服器可以完全使一個100萬IOP SSD飽和，與本地訪問相比，此延遲可忽略。相比之下，使用libaio和libevent的Linux基線，只獲得75K IOPS /核心，由於計算強度更高，延遲也更高，需要多用10倍左右的CPU核，才能實現和ReFlex一樣的吞吐量。

　　此外，測試發現ReFlex可以支援數千個遠端租戶，這是一個重要因素，因為一個雲資料中心裡可能有10萬臺或更多伺服器。

　　未來儲存的可能

　　在過去的十多年裡，快閃記憶體一直是資料中心的“常客”，但是系統架構師們仍然在研究如何優化它在實際中的應用。當然，十年前ReFlex系統的目標使用者——擁有大規模橫向擴充套件架構的網際網路服務供應商，並不多見。

　　但是，一旦ReFlex——或者類似的工具——被內建到系統核心中，我們中的許多人，即使硬體規模不大，也能夠利用共享的SSD。想象一下這種效能提升，假設我們有一個8節點視訊渲染農場，裝備了兩個高效能的PCIe/NVMe SSD和一個10Gb的乙太網結構。

　　ReFlex型別的功能變得更加重要，因為新的、更高效能和更昂貴的非易失性儲存技術(如英特爾的3D XPoint)得到了更廣泛的應用。共享遠端ReFlex的經濟效益將比現在更大。

　　ReFlex是一個開源軟體，GitHub地址為https://github.com/stanford-mast/reflex

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