如何引导大缓存

秦 联

（廊坊市财政局，廊坊 065000）



如何引导大缓存

秦 联

（廊坊市财政局，廊坊 065000）

摘要：缓存是指在计算机存储系统的层次结构中，介于中央处理器和主存储器之间的高速小容量存储器。缓存和主存储器一起构成一级存储器，高速缓冲存储器和主存储器之间信息的调度和传送是由硬件自动进行。在计算机的发展历程中，依据摩尔定律，计算系统中的中央处理器性能发展迅速。而磁盘作为计算系统中的主存储器，由于机械机理的限制，其发展速度远远不及中央处理器的发展速度，形成了中央处理器数据处理快而磁盘读写数据缓慢的状况，从而降低整个计算机系统工作效率。因此，通过在两者之间增加一个缓冲层来协调两者之间数据调动效率问题，缓存由此应运而生。缓存的处理速率接近于中央处理器，可以通过扩大缓存容量，缓解两者之间处理效率差距，能够快速响应中央处理器和磁盘之间的读写请求，作为两者之间的缓冲池，缓存在一个适当范围内越大越好。由于缓存资源的珍贵，因此，缓存成为一个计算系统性能高低的重要标志。

关键词：缓存；存储；影响因素

1 引言

数据计算、数据传输及数据存储是IT系统中三大组织结构，存储设备担负着数据存储。随着计算资源的增加和业务快速响应的需求，由于存储设备自身的结构问题，导致存储成为整个计算系统的性能瓶颈。通过提高存储的处理能力，从而大幅度提高整个计算系统的数据处理能力，提高存储缓存可以快速有效地提升存储性能。存储缓存包括容量、性能、可靠性三个相辅相成的方面。缓存性能包括缓存的传输带宽、周边配套总线和外设的带宽、缓存的分配调度算法等方面；缓存可靠性包括缓存镜像保护、掉电保护的机制；缓存容量体现在最大容量、按需配置等方面。容量、性能、可靠性这三方面缺一不可，任何一部分的缺失，都会影响到存储缓存的实际效用。因此，增加缓存容量绝不仅仅是增加几根内存条那么简单，其架构设计复杂，这也是专业存储系统的设计核心。存储本身是由大量机械磁盘组成的磁盘阵列，除了努力提高单个磁盘的IO能力，通过增加存储的缓存容量、提升缓存性能、优化缓存算法同样可以迅速、经济的提高存储性能。

2 存储缓存的作用

相对于服务器的缓存，存储设备的作用和特点决定了存储缓存自身的作用：

（1）数据缓冲功能：磁盘驱动器不能快速响应服务器及其业务软件产生的频繁读写操作，需要通过存储缓存作为缓冲池来平衡两者读写性能差距。缓存分为读缓存和写缓存，分别用于服务器读取存储设备数据和写入数据，合理的缓存调度算法和大容量缓存，可以很好地提升存储读写性能。针对不同的应用环境，可以灵活地分配读写缓存分配比例及缓存块大小。

（2）数据管理功能：存储自身是一个独立的计算系统。存储有诸如快照、快照视图、复制、镜像、自动精简配置、RAID等功能，当存储开启功能套件时，软件运行在存储的缓存中，直到存储关闭功能套件才退出缓存。当存储启动越多功能套件，所占用存储缓存就越多。每个功能套件实现的原理不同，其复杂度也不同，所需要的缓存也不一样，这些功能越丰富、越复杂的功能套件对存储的缓存需求也更多。

（3）存储自身需求：存储底层平台是一个操作系统，存储启动时需要加载操作系统，其自身也占用一定的缓存，随着存储平台的不断完善和功能不断增加，存储操作系统所占用缓存从几百MB到几GB不等，且一直驻存在缓存中。

3 存储缓存的配置

由服务器的应用程序所产生的IO数据流处理、存储层RAID校验的计算、缓存读写策略等，都需要通过存储缓存来处理，存储缓存的容量、性能、缓存的算法直接影响着存储对数据处理的快慢，也是影响业务快慢的因素之一，存储设备数据处理越快，对服务器的响应也就越及时。通常对存储缓存配置大小有影响的是：

（1）服务器上的业务需求：一方面服务器将业务软件产生的数据写到存储，另一方面服务器从存储设备上读取业务软件所需数据，通常读数据的请求远高于写数据的请求。当存储设备接入大量服务器，特别是在业务高峰期时段，就需要高性能存储支撑业务，特别是对非顺序读写数据、大文件读写对存储缓存要求更高，服务器数量及业务量越多，读写数据就越多，面对业务密集型情况，更容易产生爆发式的数据请求，对存储设备的IOPS要求就越高，从而需要更大的缓存来处理。一般的，服务器的缓存越大，意味着其处理性能越强，对后端存储要求更高，需要存储配置相应的缓存，通常来讲，存储可用缓存大小为接入到存储的服务器缓存的1/3，则可以很好满足业务响应。表1中列出推荐服务器内存大小和存储缓存之间的配比。

表1 服务器内存与存储缓存配置比例

（2）磁盘及LUN的影响：磁盘自身机械性质决定了磁盘转速，低转速限制了磁盘的读写性能，一块机械盘IOPS一般在150到250之间，而处理器的运算能力达到上百亿级别，两者之间的性能存在上万倍差距。另外，业务数据量的增加，不可避免的需要更多磁盘来储存数据。存储设备通过大量磁盘形成存储池，将存储空间通过LUN映射的方式分配到服务器，服务器的读写都是在LUN上进行，数据读写操作都发生在磁盘上，磁盘与处理器的差距必须依靠缓存作为缓冲池来弥补。磁盘数越多，IO分布就越广，就需要相应更大的存储缓存；LUN上数据的读写都需要通过缓存处理，实际验证表明，LUN越多，需要开销的缓存越多，单个LUN配置缓存越大则读写性能越好。通常单个正常读写LUN配置1GB缓存，读写操作比较频繁的LUN配置5GB至20GB缓存。如图1所示，实际测试环境下，将LUN配置缓存从1GB增加到20GB，性能可提升20倍至40倍，同一块LUN配置缓存越大则性能越好。

图1 同样大小LUN配置不同大小缓存

表2 开启功能软件推荐配置缓存大小

（3）存储功能软件的影响：存储设备集成了越来越多的功能，诸如快照、快照视图、复制、镜像、缓存热点、热点数据自动分层等，这些功能通常部署在存储层，运行在存储的缓存中。当触发功能软件运行的阀值时，功能软件就加载在存储设备的缓存中，直到关闭功能软件才释放相应的缓存空间。启动的功能越多，则相应的需要更多缓存进行处理这些功能需求。以快照为例，单个应用的快照越多则需要更大的缓存来支撑，缓存越大，存储设备创建快照越快，系统对快照的操作越快。如表2所示，如果产生1TB数据的快照，则需要配置3GB数据缓存，当开启快照视图时，需要更多的数据缓存；如果开启缓存热点功能，每1TB数据则需要配置3GB数据缓存；如果开启复制功能，由于每一个复制需要创建一个快照，所以复制1TB数据，则需要创建1TB的快照，从而需要3GB数据缓存，当复制数据量变大时，需要创建更大的快照，从而需要更大的数据缓存，复制数量越大则所需数据缓存越大。

海上搜救志愿者深夜出动成功救助14名遇险渔民

2016年3月10日23时30分许，一艘载有14名渔民的养蚝船在广东珠海高栏岛附近海域因风浪大主机故障失去动力遇险，情况危急，请求救助。广东珠海金湾区海上救助协会接到广东省海上搜救中心的搜救指令后，立即派出6名海上搜救志愿者驾驶2艘快艇前往事发海域进行救助。搜救队员冒着6～7级、阵风8级东北风在事发附近海域成功找到遇险养蚝船，并将14名遇险渔民全部安全转移至高栏岛赤鱼头码头，险情解除。

据了解，广东珠海金湾区海上救助协会，成立于2007年3月，原名三灶镇渔民海上救助队，最初由三灶镇中心村5名渔民自行发起，后来逐步发展到现在83名渔民和26艘船艇，中国海上搜救中心也对救助装备建设给予了一定指导和支持。2014年，三灶渔民海上救助队改名为金湾区海上救助协会，并在珠海市金湾区民政局注册。救助协会以“自助、自救、互助、互救”为宗旨，积极响应政府号召参与应急救助行动，开展渔民自救和互救活动，是海上专业救助力量的有力补充，自2010年以来，平均每年参与10多起海上险情应急救援行动。

How to Guide the Big Cache

Qin Lian
(Langfang City Finance Bureau, Langfang, 065000)

Abstract:Cache, it is to point to in the hierarchical structure of the computer storage system, between the CPU and main memory of the small capacity storage at a high speed. Cache and main memory together form the primary memory, cache memory and scheduling information between main memory and is transmitted by the hardware automatically. In the development of computer, according to Moore's law, calculate the CPU performance of the system is developing rapidly. And disk as the main storage in computing system, as a result of the limitation of mechanical mechanism, its development speed is far less than the development speed of the CPU, formed the CPU data processing fast and slow disk read and write data, thereby reducing the entire computer system work efficiency. Therefore, by adding a buffer layer between the two coordinate data transfer between efficiency, cache which arises at the historic moment. Processing rates are close to the central processor cache, by expanding the cache capacity, alleviate processing efficiency gap between, can rapid response between the CPU and disk read and write requests, as between the buffer pool, cached in a proper range is bigger, the better. Due to cache the precious resources and, therefore, the cache become important symbol of a computing system performance.

Keywords:cache; storage; the influence factors

中图分类号：TP3

文献标识码：B 文章编码：1672-7274（2016）04-0037-03

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.04.011