EMC XtreamIO：不完美，但已立標桿

2013年存儲市場中閃存無疑是最大的市場亮點，閃存在資本層面、市場層面以及技術層面都具有十足的活力，這其中又以全閃存陣列市場最受關注。一大批初創廠商以及傳統存儲巨頭們紛紛對全閃存陣列進行投入與關注，使得整個市場的活躍程度無比高漲。以ViolinMemory、PureStorage為代表的全閃存初創廠商也被寄托為打破傳統存儲市場格局的新希望，但是傳統存儲巨頭們并不會坐以待斃。近日，EMC公司正式向外界推出了其全閃存陣列產品XtreamIO。早在大約一年前，EMC公司通過收購以色列全閃存初創公司XtreamIO獲得了其全閃存陣列相關技術，在這一年期間，外界經常有關于XtreamIO的相關報道，但始終處于“不識廬山真面目”的狀態，經過一年的整合與規劃，EMC公司終于正式揭開了其全閃存陣列XtreamIO的神秘面紗。

當前閃存市場特別全閃存陣列市場僅僅是剛剛起步，無論是市場規模還是產品技術都處于發展初期，比如市場中就仍然充斥著較多采用傳統存儲陣列架構、僅僅通過將SSD取代機械磁盤的全閃存陣列。就連EMC XtreamIO的全閃存陣列也不是完美至極，為每個節點專門配置UPS電源、尚不是整個數據中心分層的組成部分等問題同樣被競爭對手所詬病。但是，從長遠來看，基于標準化硬件將會是大勢所趨，軟件功能與架構將會是決定全閃存陣列未來競爭力的關鍵，而在這方面EMC XtreamIO一經推出無疑在市場中樹立了新的標桿。

圖一：Gartner關于2012年基于閃存的存儲陣列營收統計，從圖中可以看出基于閃存的存儲陣列的總市場營收約為3.7億美金。全閃存陣列仍然處于一個發展初期，整個市場規模不大。

EMC認為閃存不僅僅需要解決性能問題，專注在硬件和物理的性能將會讓閃存置于小眾市場，EMC作為全球最大存儲廠商致力于如何用閃存技術加上軟件主導的架構，讓用戶能夠使用得起，更加簡單、敏捷、快速的為下一代虛擬數據中心服務。EMC XtreamIO技術總監任宇翔更是直言：XtreamIO的大部分知識產權專利都集中在軟件領域，XtreamIO基于4K數據塊內容的數據安置、雙階元數據引擎、XtreamIO數據保護（XDP）、共享內存中的元數據的四大特性使得能夠徹底擺脫傳統陣列的思維方式和架構。

在正式推出XtreamIO之后，EMC也發動了針對當前全閃存領域熱門廠商ViolinMemory、Purestorage、Solidfire等的攻勢，大膽拋出了產品功能對比圖并對競爭對手提出諸多技術問題，這也引起了整個全閃存陣列市場的快速響應。EMC這種敢于曬干貨的風格遠比動不動就號稱要砸10億美金的廠商來的有效。

XtreamIO全閃存陣列概況

EMC XtreamIO為一款具備橫向擴展能力的全閃存陣列，每個陣列單元稱之為X-Brick。每個X-Brick單元配置了25個容量為400Gb的eMLC SSD，因此一個X-Brick的原始容量為10TB。EMC宣稱由于采用了全新的架構，每個X-Brick的可用容量可達7.5TB，這還是不包含去重優化的結果。

圖二：EMC XtreamIO全閃存陣列X-Brick模塊外觀圖。每個X-Brick高度為5U，分別由Storage Controller、DAE、UPS電源組成，每個控制器為1U雙插槽服務器，每個X-Brick配置了4個8Gb光纖通道端口、4個10GbiSCSI端口、4個40Gb Infiniband端口以及2個1Gb的管理端口。

圖三：XtreamIO每個X-Brick架構示意圖，包括兩個存儲控制器以及24個eMLC SSD組成。

圖四：EMC XtreamIO具備橫向擴展能力，可擴展為四集群化（每個X-Brick具有兩個節點，四集群化X-Brick意味著有八個節點。），IOPS可達到百萬級，X-Brick之間采用Infiniband交換機互聯。

EMC XtreamIO 技術總監任宇翔表示，XtreamIO已經在實驗室環境中實現了八個X-Brick（16個節點）甚至更大的陣列擴展，EMC也會很快提供8個X-Brick配置的陣列。“從理論上看，16個X-Brick和32個X-Brick并沒有區別，但是涉及到很多測試和實際應用場景，即客戶當前是否需要這么大的容量和性能。”任宇翔補充道。

根據EMC介紹，X-Brick具有非破壞性XIOS軟件及硬件升級、擁有高可靠性的熱插拔升級，且不存在著單點故障。集群化的XtremIO陣列中各個X-Brick可以擁有不同存儲容量；集成了VMware VAAI、vmware多通道I／O支持，數據分卷能夠夸整個系統；所有元數據存儲、配置、管理均在內存中進行，無需涉及到SSD；擁有豐富的數據保護功能，且已經與EMC其他產品開始集成。

EMC XtreamIO一經推出，其每個X-Brick都需要配置UPS電源就讓人感到奇怪，并且如果單獨購買一個X-Brick則需要配置兩個UPS。對此，EMC XtreamIO解釋道：“目前每個X-Brick都需要一個UPS來解決電源問題。為什么一個X-Brick需要兩個UPS，是因為在單個X-Brick情況下，電源也需要配置兩個UPS備份，防止單個X-Brick情況下UPS失效。如果用戶購買兩個X-Brick以上，則每個X-Brick配置一個UPS即可。至于為什么X-Brick需要UPS，那是因為XreamIO將所有的元數據都存儲在內存之中，而且元數據的操作都在內存中進行。因此，一旦有任何硬件和軟件問題，內存信息將會全部丟失，比如數據中心掉電的情況，UPS可以保證有足夠的電量將內存中的數據改變寫入到SSD中。我們也不喜歡UPS這個解決方案，因為電池非常笨重、占用空間。我們今后會采用其他辦法，在下一代硬件平臺上將會有新技術來取代UPS。”

“基于內容的數據安置”打破傳統模式

“基于內容的數據安置”是指EMC XtreawmIO全閃存陣列將數據分為4KB的散列塊，這些4KB的散列塊完全打散，不按照邏輯地址進行排列存儲，而是根據物理位置進行安置。EMC XtreamIO技術總監任宇翔強調基于4K數據塊內容安置是整個全閃存陣列其他所有軟件功能的基礎。

圖五：EMC XtreamIO的基于內容的數據安置，完全打破了過去基于傳統磁盤的數據存儲模式。

其實XreamIO這種基于數據打散的陣列技術以前也有先例，之前類似的3PAR、XIV等陣列都是基于這種策略。不過傳統磁盤陣列的數據存儲都是基于邏輯地址，時間久了之后不可避免的就會產生磁盤碎片化，從而對性能產生影響。EMC XtreamIO全閃存陣列的策略則是個將數據徹底的打亂，完全碎片化，基于4KB的數據塊通過指紋來識別、存儲、管理等。EMC認為這種技術帶來的直接好處就是線內去重化變得非常容易。

圖六：EMC XtreamIO基于4KB數據塊的數據安置，采用了雙階元數據引擎，通過兩步的元數據映射使得全閃存陣列的線內重復數據刪除能夠輕松實現。

圖七：數據通過核心引擎重刪之后，通過40Gb的高速Infiniband內部交換網絡均勻分布到各個X-Brick之中。

EMC XtreamIO技術總監任宇翔表示：“傳統磁盤陣列是按照邏輯地址的次序來存儲在磁盤上，順序操作性能是最佳的，如果傳統磁盤陣列去做線內的重復數據閃存操作將會打破某些操作次序，造成磁盤碎片化，從而使得陣列的性能受損，這是傳統磁盤陣列很難去做線內去重的原因。EMC XtreamIO則完全不管邏輯地址這種模式，通過基于4K數據塊內容的數據指紋技術，按照指紋來決定4K數據放在什么地方，這種徹底碎片化的方式使得線內去重實現非常容易。如果相同的4K數據塊則只用寫入一個地址即可，當去重化成為一個內在功能而不是疊加功能之時，去重化比例越高、寫操作性能就會越好，因為只需要在遠數據設置好指針就可以。”

據悉，EMC XtreamIO基于4K數據塊的指紋技術是采用的哈希算法。EMC表示通過利用好哈希算法將會保證數據一定完全均衡分布在所有結構的節點中。

“XtreamIO采用的雙階元數據引擎，第一步元數據映射是邏輯地址到指紋映射；第二部是指紋映射到內部的物理地址。一旦做完兩步的雙階元數據之后，就增加了系統內部的靈活性，XtreamIO可以根據指紋來映射到內部具體哪個物理地址。傳統的RAID有很大的寫放大，即后端的寫擦做和前端寫操作的比例，RAID5和RAID6都會寫操作都會放大很多，對傳統陣列而言將會是性能損耗，對全閃存陣列而言將會是閃存壽命的損耗，XtreamIO這種方式則將傳統的RAID的寫放大給大幅降低了。”任宇翔補充道。

圖八：XtreamIO的數據保護機制XDP，通過雙階數據引擎避免了RAID5、RAID6的寫放大外，達到了RAID6的保護效果。

圖九：EMC XtreamIO XDP原理。

EMC XtreamIO技術總監任宇翔表示：“XDP首先是雙備份，和RAID6一樣讓XtreamIO陣列同事有兩塊閃存盤，如果出錯可以糾錯，不會造成數據丟失。同事，還避免了傳統RAID的寫放大發生。”

共享內存元數據—XtreamIO高速運行的秘密

就如前文所述，EMC XtreamIO將元數據的存儲、管理與操作全部轉移到內存層進行操作。通過這種將元數據存儲在內存之中的方式，共享式元數據將不再寫入到SSD之中；從而降低了閃存的各種寫操作，延長使用壽命。共享內存元數據的方式也使得很多軟件功能在內存層即可完成。

EMC XtreamIO 技術總監任宇翔表示：“共享內存元數據使得很多功能通過操作元數據即可完成。比如拷貝功能，虛擬機模板拷貝到成百上千個虛擬機中，傳統磁盤方式只能依靠讀寫所有的數據塊，非常耗時間、耗IO的操作。而XtreamIO的拷貝操作完全在內存中，以元數據操作的方式去解決，速度就會非常之快。”

圖十：EMC XtreamIO SnapShot快照通過元數據可以讓處理速度更快。

通過在內存層面的元數據操作，像虛擬機克隆、拷貝；數據庫克隆；快照處理等功能都將大幅提升處理速度。當然，這種處理方式也充滿爭議。Greenbyte前CEO Steve O’Donnell就表示：“EMC將垃圾碎片回收機制從SSD中徹底取消，這樣將無法對被鎖定的NAND進行控制，無法在系統控制器層面加以適當管理。”同時，Steve O’Donnell也指出采用X86服務器充當控制器可能存在隱患，他表示：“雖然將元數據放入內存之中能夠讓陣列擁有極高的運行速度，但是控制器的主板是出了名的不可靠。”這也許能夠解釋為什么X-Brick需要配置UPS電源的原因。

XtreamIO：這一年在整合

EMC收購XtreamIO之后，并沒有著急正式推出新產品，而是在各方面進行了整合與集成。根據任宇翔介紹，Xtream利用了EMC提供最好的硬件平臺和全球供應鏈，從而保證了XtreamIO陣列的數量和質量。此外，XtreamIO在產品與技術層面也進行了深度的整合，包括與VMware、VCE集成系統、VPlex、PowerPath、EMC遠程安全支持等。

EMC XtreamIO 技術總監任宇翔表示：“目前XtreamIO已經有超過100多個用戶，分布在北美、歐洲以及中東等地區，大部分公司都是財富五百強的公司，包括全球知名的保險公司、汽車制造商、軟件商、制藥公司等。”

隨著閃存特別是全閃存在數據中心逐漸開始流行，基于整個數據中心的分層策略無疑將會成為用戶考慮的要素。任宇翔表示：“目前XtreamIO第一代產品還不是EMC分層存儲的一部分，未來XtreamIO將會成為EMC分層存儲戰略的一部分。XtreamIO是全閃存陣列，某個角度是為解決一系列特殊問題而設計的，在這些問題有個共同點就是客戶分不清哪些數據是熱的，哪些數據是冷的。分層存儲一個很重要的前提就是客戶需要了解數據的冷熱，如果90%的數據是熱的那就是徹底的完全隨機讀寫環境和場景，在這種情況下傳統分層存儲很難解決性能問題。很多客戶告訴我們，他們的應用場景分不清楚冷熱數據，但是會覺得這些應用場景往往是對IO要求最高的應用，今后的趨勢是這種應用場景的比例會越來越多。短則三五年，長則十到半年，所有數據中心的存儲都會變成閃存，即全閃存數據中心。”

同時，任宇翔還駁斥了閃存內部需要進行分層的做法。他表示：“選擇SLC和MLC之間進行分層是因為在架構上存在問題，一些寫操作不能放到MLC上，如果把這些寫操作放到MLC上，將會很快使MLC消耗殆盡。如果架構上領先，則可以全部采用MLC，因為MLC價格低、密度大，沒理由不用。”

圖十一：EMC已經推出了集成XtreamIO全閃存陣列版本的VCE產品。

總結：EMC XtreamIO一經推出，即獲得了大量關注與爭議，雖然第一代產品并不完美，但是XtreamIO在軟件和架構層面上的創新，使得XreamIO在全閃存陣列領域樹立了新的標桿。毫無疑問，隨著EMC正式加入到全閃存陣列市場的戰團，未來全閃存陣列市場的競爭無疑會愈演愈烈！