閃存SSD基本成為當前IT基礎(chǔ)設(shè)施中必不可少的元素。高IOPS、低延時和高帶寬是SSD的顯著特點，單塊SSD的IOPS可以達到數(shù)萬甚至百萬之多，帶寬達到數(shù)GB/s，而延遲僅為幾十微秒，性能完全可以和高端存儲相媲美。SSD有效消除了計算和存儲的巨大鴻溝，解決了I/O性能瓶頸問題，尤其是I/O隨機讀寫能力。

在計算機系統(tǒng)中，CPU中有L1，L2、甚至有L3 Cache；Linux有Page Cache，MySQL有BufferCache/QueryCache；IO系統(tǒng)中RAID卡/磁盤也有Cache；在大型互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫前面一般也都有一層MemCache。Cache是容量與性能之間取得平衡的結(jié)果，以更低的成本，獲得更高的收益，是系統(tǒng)設(shè)計應遵循的原則。

目前閃存的價格已經(jīng)逼近SAS硬盤，但相對SATA硬盤還是要高于許多，迫于成本因素，全SSD存儲方案應用仍然較少，多數(shù)應用以SSD混合存儲配置為主，從而獲得較高的性價比。通常情況下，我們假設(shè)熱點數(shù)據(jù)占10-20%，配置相應比例的SSD存儲，采用Cache加速或Tier分層模式將熱點數(shù)據(jù)存儲在SSD存儲中，一旦熱點數(shù)據(jù)超過預先設(shè)置閾值或觸發(fā)遷移策略，則按相應淘汰算法將較冷數(shù)據(jù)遷回HDD磁盤存儲，從而期望在性能和容量方面達到整體平衡。

當然混合存儲也并非完美。SSD擅長的隨機讀寫，帶寬并不是它的強項，對于帶寬型應用，SSD對性能并沒有太大幫助，HDD存儲也容易堆疊起來。關(guān)于熱點數(shù)據(jù)占比，這個并不好估計，如果SSD配置不足，性能會變得更差，SSD被寫滿時性能可能會出現(xiàn)較大的波動。因此，實際應用中要結(jié)合I/O特點設(shè)計合理的混合存儲模式，如果實在不合適，還是推薦使用全SSD存儲，或者人工將應用負載分配到SSD或HDD存儲中。

MaxIO簡介MaxIO是一款SSD智能緩存加速軟件，利用I/O訪問的局部性原理，采用SSD作為傳統(tǒng)塊設(shè)備的緩存，充分利用SSD的I/O特點和性能優(yōu)勢，專門針對慢速的HDD塊存儲進行高效加速。MaxIO幾乎可以為任何塊設(shè)備創(chuàng)建緩存并提升性能，包括物理磁盤、基于RAID的DAS設(shè)備、SAN卷、Device Mapper卷，甚至軟RAID。

MaxIO采用了獨特且高效的緩存技術(shù)來加速企業(yè)級存儲應用，對I/O進行智能分析，根據(jù)加速設(shè)備SSD的大小，將更多更常用的熱點數(shù)據(jù)放置于高速SSD介質(zhì)中，有效縮短應用等待數(shù)據(jù)的時間。MaxIO支持多種靈活的加速模式，針對不同的業(yè)務場景，可發(fā)揮不同的加速效果，包括透寫(Write Through)、回寫(Write Back)和只讀(Read Only或Write Around)三種加速模式。

MaxIO可以部署在任意X86硬件上，包括服務器和軟件定義存儲系統(tǒng)，因此可以在存儲層和計算層靈活實現(xiàn)加速，且僅占用極少的系統(tǒng)CPU和內(nèi)存資源，能夠采用SSD為更多的應用提供I/O性能加速。MaxIO采用透明加速配置，可在線增加或刪除加速模塊，應用無需做任何配置更改，因此對企業(yè)應用場景不產(chǎn)生任何干擾。MaxIO具有友好的硬件兼容性，廣泛支持各個廠商的SATA/SAS/PCIe/NVMe SSD。

MaxIO架構(gòu)

工作原理SSD Cache的基本原理很簡單（如下圖所示），利用I/O訪問的局部性原理，將熱點數(shù)據(jù)放置在SSD上，下次再次訪問熱點數(shù)據(jù)時，不需要經(jīng)過傳統(tǒng)硬盤的處理，而是直接在SSD上命中，極大的縮短IO響應時間。

SSD Cache的實現(xiàn)方式有多種，基于Linux內(nèi)核機制的實現(xiàn)主要有DM-Cache與IO攔截兩種方式，其中Flashcache是DM-Cache實現(xiàn)方式的典型代表，而MaxIO采用的是IO攔截實現(xiàn)方式。值得一提，正是因為沒有采用Device Mapper機制，MaxIO不用創(chuàng)建新的DM設(shè)備，從而可以實現(xiàn)對應用進行靈活的透明加速。

Device mapper是Linux內(nèi)核中提供的一種從邏輯設(shè)備到物理設(shè)備的映射框架機制，在該機制下用戶可以很方便地根據(jù)需要制定實現(xiàn)存儲資源的管理策略。Device mapper在內(nèi)核中是作為一個塊設(shè)備驅(qū)動被注冊的，它包含mapped device、映射表、target device三個重要對象概念。Device mapper本質(zhì)功能就是根據(jù)映射關(guān)系和target driver描述的IO處理規(guī)則，將IO請求從邏輯設(shè)備mapped device轉(zhuǎn)發(fā)相應的target device上。DM-Cache正是利用了Device Mapper這一原理。將HDD 磁盤與SSD硬盤作為DM中的Target Device，聚合成為一個虛擬設(shè)備（Cache設(shè)備），同時將HDD磁盤與SSD硬盤Block進行映射。Dm-Cache根據(jù)映射規(guī)則,可以將對HDD磁盤的操作轉(zhuǎn)換為對SSD硬盤的操作，從而實現(xiàn)將熱點數(shù)據(jù)存儲在SSD中的功能。HDD磁盤對SSD硬盤Block的映射，可以為簡單的線性映射，也可以采用Hash映射。

IO攔截Cache實現(xiàn)的基本原理是對Linux通用塊層BIO請求進行攔截，在Block Layer實現(xiàn)某些分發(fā)函數(shù)的鉤子函數(shù)，同樣需要將磁盤Block與SSD硬盤Block進行映射，根據(jù)映射規(guī)則以及操作類型決定是否將磁盤操作轉(zhuǎn)換為對SSD硬盤的操作。如在write-around模式中，則只需要對讀操作進行處理：根據(jù)映射規(guī)則，首先查看Block是否存在SSD中，如果不存在，則從HDD中讀取，并寫入到SSD中，然后返回；如果已經(jīng)存在SSD中，則直接將讀請求轉(zhuǎn)換為對SSD映射Block的讀請求。

如上圖軟件架構(gòu)所示，MaxIO緩存引擎主要由三個核心組件組成：

元數(shù)據(jù)管理引擎：管理內(nèi)存中的元數(shù)據(jù)，維護高速緩存塊映射表；

緩存策略引擎：管理SSD緩存的I/O讀寫和替換策略；

數(shù)據(jù)遷移引擎：管理SSD緩存中的數(shù)據(jù)遷入和遷出；

MaxIO以固定大小的數(shù)據(jù)塊為單位進行緩存加速，緩存策略包括只讀（Read-only或Write-around）、寫回（Write-back）和寫穿（Write-through）。數(shù)據(jù)塊存儲在SSD緩存中，直到被緩存的新數(shù)據(jù)塊所替換, 替換策略有LRU、FIFO和Random可供選擇。

MaxIO還包括兩個重要的子組件：性能分析器和GUI / CLI管理工具。性能分析器跟蹤和分析緩存性能，輸出信息可以幫助管理員監(jiān)控緩存效果和調(diào)整和緩存策略。MaxIO有兩種模式管理工具：可視GUI工具和命令行CLI工具，滿足不同管理員需要和喜好。MaxIO的模式引擎是模塊化的，允許動態(tài)創(chuàng)建和變更緩存配置，可以使用CLI或GUI更改緩存策略（Read-only、Write-back和Write-through）和替換策略（FIFO，LRU和Random）。

元數(shù)據(jù)管理MaxIO元數(shù)據(jù)引擎將SSD中的高速緩存集映射到源塊設(shè)備扇區(qū)集合上，每個高速緩存集為2MB，支持2KB/4KB/8KB緩存塊大小，緩存塊默認大小為4KB，每個緩存集包含512塊。選擇默認值4KB，因為大多數(shù)存儲系統(tǒng)的通用I/O塊大小也是4KB。假設(shè)800GB SSD，包含400K個緩存集（1組=2MB（512*4KB））。MaxIO內(nèi)置了性能分析器可以為選擇緩存塊大小提供參考數(shù)據(jù)，性能分析器可以運行多次，每次使用不同的塊大小，以確定不同的塊大小對MaxIO性能的影響，從而根據(jù)實際應用場景選擇合適的塊大小以獲得最佳的性能加速效果。

高速緩存的元數(shù)據(jù)運行時存儲在系統(tǒng)內(nèi)存，以提供高速緩存頁最快的映射。為了確保這不會對應用程序的性能造成負擔，MaxIO已被設(shè)計為非常高效地使用內(nèi)存頁。高速緩存所需的內(nèi)存約為高速緩存大小的0.1％，比如800GB高速緩存僅需要占用800MB系統(tǒng)內(nèi)存。元數(shù)據(jù)的副本存儲在緩存SSD中以幫助熱啟動，當高速緩存被禁用時，內(nèi)存中的元數(shù)據(jù)被寫入SSD，使得當高速緩存被重新啟用時，其數(shù)據(jù)可立即使用。

緩存策略緩存策略就是SSD高速緩存的I/O操作方式，不同的緩存模式將決定系統(tǒng)的性能。緩存模式描述緩存如何處理從主機到HDD的讀取和寫入操作，處理器從HDD讀取數(shù)據(jù)塊時，該數(shù)據(jù)的副本被寫入SSD高速緩存。如果高速緩存中存在空塊，則將新塊寫入空塊中的一個；如果高速緩存已滿并且沒有用于該數(shù)據(jù)的空間，則按照設(shè)置的緩存替換策略從高速緩存中驅(qū)逐舊塊，新的塊被寫在被逐出的塊空間上。MaxIO支持三種緩存策略：只讀、透寫、回寫。

只讀(Read-only)

Read-only模式只對讀操作進行緩存，寫操作不緩存。對于寫請求，寫入數(shù)據(jù)未存在緩存中時，直接寫入HDD，高速緩存將忽略該數(shù)據(jù)；如果寫入數(shù)據(jù)在高速緩存中存在，為保證數(shù)據(jù)一致性該高速緩存塊被置為無效。對于讀操作，如果在SSD中命中則直接返回，未命中則將數(shù)據(jù)復制到SSD中。這種模式非常適合讀多寫少的場景。只讀模式讀寫流程如上圖所示：

寫流程：寫操作不緩存，則直接寫HDD普通硬盤。即為：寫1；

讀流程：讀流程是需要分為以下2種情況：

(1) 讀的數(shù)據(jù)緩存在SSD設(shè)備中，數(shù)據(jù)可能是之前讀或者寫的數(shù)據(jù)（緩存到SSD中的）,此時可以直接將SSD數(shù)據(jù)返回。流程為讀3；

(2) 讀的數(shù)據(jù)沒有緩存在SSD設(shè)備中，數(shù)據(jù)可能是第一次讀取，也可能是之前讀的數(shù)據(jù)但是已經(jīng)被覆蓋，此時，首先需要將數(shù)據(jù)從磁盤上讀取到SSD中，然后從SSD中將數(shù)據(jù)返回。流程為讀1->讀2->讀3。

透寫(Write-through)

Write-through模式下，對于讀數(shù)據(jù)，全部緩存到高速設(shè)備SSD設(shè)備上；對于寫操作，也緩存到高速設(shè)備SSD中，同時也寫入到HDD中。這種模式比較適合讀多寫少，并且寫的數(shù)據(jù)是最近訪問的熱點數(shù)據(jù)場景。這種模式因為寫也同時寫到HDD中，所以寫的性能得不到加速，但是數(shù)據(jù)最安全。透寫模式讀寫流程如上圖所示：

寫流程：SSD與HDD均需要寫入，所以寫1與寫2操作都是需要的。

讀流程：需要分為以下兩種情況處理

(1) 讀的數(shù)據(jù)緩存在SSD設(shè)備中，數(shù)據(jù)可能是之前讀或者寫的數(shù)據(jù),此時可以直接將SSD數(shù)據(jù)返回。流程為讀3；

(2) 讀的數(shù)據(jù)沒有緩存在SSD設(shè)備中，數(shù)據(jù)可能是第一次讀取，也可能是之前讀或者寫的數(shù)據(jù)但是已經(jīng)被覆蓋，此時，首先需要將數(shù)據(jù)從磁盤上讀取到SSD中，然后從SSD中將數(shù)據(jù)返回。流程為讀1->讀2->讀3。

回寫(Write-back)

Write-back回寫模式下，讀寫操作都在SSD首先執(zhí)行。寫請求數(shù)據(jù)會被寫入SSD緩存中，不會立即寫入HDD，當SSD中的臟數(shù)據(jù)(與HDD中不一致的數(shù)據(jù))達到預先設(shè)定的閾值，會將臟數(shù)據(jù)同步到HDD中；讀請求和只讀或透寫模式處理類似。這是三種模式中讀寫性能最高的，因為寫操作直接寫入SSD而不是HDD，對剛剛寫入的塊的讀取操作將由SSD提供而不是HDD。透寫模式讀寫流程如上圖所示：

寫流程：寫流程分為以下2種情況：

(1) 寫的數(shù)據(jù)滿足緩存要求，此時只需要將SSD中的數(shù)據(jù)改寫為最新的數(shù)據(jù)即可。流程為寫2；

(2) 寫的數(shù)據(jù)不滿足一些特定的要求（如不對齊等情況），此時則直接將數(shù)據(jù)寫入到HDD普通硬盤中；流程為寫1；

讀流程：讀流程是分為以下2種情況：

(1) 讀的數(shù)據(jù)緩存在SSD設(shè)備中，數(shù)據(jù)可能是之前讀的數(shù)據(jù)（緩存到SSD中的）,此時可以直接將SSD數(shù)據(jù)返回。流程為讀3；

(2) 讀的數(shù)據(jù)沒有緩存在SSD設(shè)備中，數(shù)據(jù)可能是第一次讀取，也可能是之前讀的數(shù)據(jù)但是已經(jīng)被覆蓋，或者是之前寫的數(shù)據(jù)但是被同步到HDD普通硬盤上，此時，首先需要將數(shù)據(jù)從普通磁盤上讀取到SSD中，然后從SSD中將數(shù)據(jù)返回。流程為讀1->讀2->讀3。

在write-back模式中，不得不提及到數(shù)據(jù)回寫的過程。數(shù)據(jù)回寫指的是將SSD中的臟數(shù)據(jù)同步到HDD硬盤中，這個只有在write-back模式中才有。一般數(shù)據(jù)回寫會有一些系統(tǒng)參數(shù)，如閾值（即臟數(shù)據(jù)達到一定的比率才會開始執(zhí)行數(shù)據(jù)回寫）；時效時間（數(shù)據(jù)超過一定時間無操作，則可以執(zhí)行數(shù)據(jù)回寫）；數(shù)據(jù)回寫的速率（因為從SSD中獎數(shù)據(jù)寫入到HDD中，速度較慢，需要考慮回寫的速率限制）等參數(shù)?；貙憯?shù)據(jù)的時機與速率會很大程度上影響寫的性能，如果閾值設(shè)置的非常高，則當?shù)竭_閾值后，數(shù)據(jù)回寫的速度會遠遠低于數(shù)據(jù)寫入到SSD中的速度，這就會造成SSD中并沒有充足的空間給新寫入的數(shù)據(jù)，導致寫會直接寫入到HDD硬盤中，無法實現(xiàn)寫加速。因此在設(shè)置數(shù)據(jù)回寫相關(guān)的參數(shù)時，需要根據(jù)實際的情況適當?shù)恼{(diào)整參數(shù)。

緩存模式對比Write-back模式簡化讀取和寫入，具有最短的寫延遲，擁有最佳讀寫吞吐性能,是唯一對寫操作有加速作用的模式，適用于數(shù)據(jù)更改頻繁的應用；Write-through模式在寫密集型應用程序中可以大幅度提升讀取最近寫入數(shù)據(jù)的性能；Read-only模式和Write-through策略在讀取密集型應用中具有相同的讀取性能。

各廠商生產(chǎn)的SSD具有不同寫入性能，但是在不同寫入策略下速度的差異卻是不太明顯的，Write-through和Write-back策略比Read-only策略通常提供更好的性能，但有時寫IOPS規(guī)格比較低的SSD在Read-only策略下可能比其他兩種策略性能發(fā)揮的更好。

從數(shù)據(jù)安全性角度來看，Read-only和Write-through模式中，SSD不會保存臟數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的所有更新都是實時寫入到硬盤的，任何時候SSD發(fā)生損壞，業(yè)務都無需中斷，應用數(shù)據(jù)也不會損壞。Write-back模式提供最佳的性能體驗，但是會保存一定比例的臟數(shù)據(jù)，為了防止電源或SSD故障時導致數(shù)據(jù)不完整或丟失，需要配置相關(guān)的預防措施，比如利用多塊SSD組成RAID1或者RAID5保障數(shù)據(jù)安全。

替換策略高速緩存設(shè)計的另一個關(guān)鍵方面是替換策略。當緩存需要保存一個新數(shù)據(jù)塊，這時可能需要將一個塊從高速緩存中移除，緩存如何選擇移除哪個塊？理想情況下，高速緩存選擇一個在將來最不可能訪問的那個塊，并且將該塊替換為對當前任務需要立即訪問的數(shù)據(jù)塊。然而，除非進行大量的分析預測，基于過去的I/O模式準確地判斷未來的應用讀寫行為，是非常困難的。高速緩存需要一種可以處理這種情形的合理的替代策略，典型的替換策略包括RANDOM、FIFO和LRU。在實際中需要根據(jù)具體的應用場景選擇合適的替換策略，保證最大的可能性使熱點數(shù)據(jù)最大程度的保留在SSD中，讓SSD的性能優(yōu)勢發(fā)揮到最大。

RANDOM：隨機替換策略。該策略的實質(zhì)就是，當需要替換SSD中的block時，用軟硬件的隨機數(shù)產(chǎn)生SSD要替換Block的序號。Random替換策略并不考慮被替換塊當前是否為熱點，這種策略很少使用。

FIFO(First In First Out)：先進先出策略，這是一種最簡單的替換策略。這種策略的實質(zhì)就是總是選擇在SSD中停留時間最長的block置換，即新進入SSD的block,先替換。理由是：最早被寫入SSD中的block，其不再被讀/寫的可能性最大。這種策略只是在按線性順序訪問地址空間時才是理想的，否則效率不高。

LRU(Least Recently Used)：最近最久未使用策略。該策略的實質(zhì)是，當需要置換SSD中的block時，選擇在最近一段時間里最久沒有使用過的Block予以置換，這些塊在將來也最不可能被訪問。LRU策略是與每個Block最后使用的時間有關(guān)的，由于該策略實現(xiàn)復雜，有一種LRU近似的策略NUR(Not Recently Used)最近未使用算法。LRU替換策略在絕大多數(shù)情形下都比隨機或FIFO策略執(zhí)行得更好，通常作為缺省替換策略被普通采用。

MaxIO特性

透明緩存MaxIO不使用DM設(shè)備映射器，而是采用IO攔截的實現(xiàn)方式，從而實現(xiàn)了透明緩存加速。這個特性帶來的好處是，SSD緩存可以根據(jù)需要動態(tài)配置，而應用無需做任何配置更改，因此對企業(yè)應用場景不產(chǎn)生任何干擾。HDD硬盤使用時可以創(chuàng)建SSD緩存對其加速，也可以在不需要的時候隨時刪除高速緩存。另外，創(chuàng)建緩存時，不管是HDD還是SSD，都可以使用整個設(shè)備或分區(qū)。

大I/O支持MaxIO對I/O處理方式進行了修改，不會將大的I/O請求分割為以緩存塊大小為單位的多個請求。比如64KB的讀寫請求，MaxIO不會像諸如flashcache緩存系統(tǒng)把它拆分成16個4KB的小I/O請求。這個優(yōu)化使得大I/O性能得到顯著改進。

小內(nèi)存占用MaxIO中每個SSD緩存塊元數(shù)據(jù)僅占用4個字節(jié)，這使得系統(tǒng)內(nèi)存消耗只有SSD容量的0.1％（1/1000）。對于1TB SSD，MaxIO只需占用約1GB的元數(shù)據(jù)內(nèi)存開銷。這也使得創(chuàng)建大容量的SSD緩存成才可能。

數(shù)據(jù)塊對齊 MaxIO將所有元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)塊4K對齊地寫入SSD，實現(xiàn)最小化寫放大和對閃存磨損，同時還可以提高性能。

高數(shù)據(jù)安全MaxIO在以Read-only或Write-through模式使用時，可以在不停止系統(tǒng)操作的情況下移除SSD，或者在SSD完全故障情況下繼續(xù)工作。如果刪除緩存SSD，系統(tǒng)只是簡單地回到添加緩存之前的性能級別。出現(xiàn)故障時，對HDD的I/O請求可以繼續(xù)正常處理。性能可能下降，但應用程序不會收到任何IO錯誤。SSD設(shè)備在Write-back模式下，出現(xiàn)故障可能導致丟失緩存中的臟數(shù)據(jù)塊。為了防止這種數(shù)據(jù)丟失，可以將SSD設(shè)備通過RAID 1鏡像實現(xiàn)高可用。

MaxIO局限性

(1) Linux平臺為主。MaxIO目前主要以Linux平臺為主，尤其是Redhat/CentOS 6.x/7.x系統(tǒng)，其他Linux/Unix平臺需要定制或移植，不支持Windows平臺。

(2) 讀緩存預熱。緩存創(chuàng)建后，通常需要一段時間預熱緩存，尤其是讀緩存。只有熱點數(shù)據(jù)進入SSD，才能獲得較高的緩存命中率。

(3) 緩存過量寫入。MaxIO在只讀模式下，在特定場景下引起過量的數(shù)據(jù)寫入緩存，比如數(shù)據(jù)備份、碎片整理、文件搜索等。這會導致緩存命中率極低，使得緩存失效。

(4) 順序I/O無效。MaxIO重點是對隨機讀寫I/O的緩存和加速，而對大塊順序讀寫基本是無效的。一旦檢測到順序I/O讀寫邏輯，MaxIO就會跳過SSD，直接對HDD進行操作。