PowerEdge: Rychlejší výkon blokového zařízení díky modulu dm-cache na bázi disku NVMe PCIe SSD v systému RHEL

Disky PCIe SSD založené na technologii NVMe mohou fungovat jako zařízení cache pro modul dm-cache pomocí sady nástrojů LVM (Logical Volume Manager).

Virtuální cache vytvořená modul dm-cache se skládá ze tří fyzických zařízení. (Viz obr. 1) Zařízení Origin je pomalejší cílové úložné zařízení (pevný disk). Zařízení cache se používá k ukládání uživatelských dat a meta cache ukládá metadata, jako je umístění bloků, označení zatím nezapsaných dat a další interní data.
V tomto případě používáme stejné zařízení [zařízení cache] jak pro datové bloky, tak pro metadata.

 
Obrázek 1: Postup nastavení a konfigurace modulu dm-cache pomocí nástrojů LVM.

Nastavení hardwaru:

Původní zařízení [pevný disk]: /dev/sda1
Zařízení cache [disk SSD PCIe na bázi NVMe] (blok/metadata): /dev/nvme0n1p1 

Nastavení softwaru:

Operační systém: RHEL 7
Nástroje: Nástroje uživatelského prostoru LVM2 pro konfiguraci modulu dm-cache

Postup konfigurace:

Níže jsou uvedeny kroky konfigurace modulu dm-cache virtuálního zařízení pomocí LVM.

Výstup každého kroku se mapuje na blok s číslováním uvedeným na obr. 1.

1. Vytvořte 100GB oddíl na pevném disku [zařízení Origin]

   parted -a optimal /dev/sda mkpart primary 1 100G 

   Poznámka: Takto se vytvoří soubor /dev/sda1
2. Vytvořte 10GB oddíl na disku NVMe PCIe SSD [zařízení cache]

   parted -a optimal /dev/nvme0n1 mkpart primary 1 10G 

3. Vytvořte skupinu svazků (cache) se zařízením Origin a Cache

   vgcreate cache /dev/sda1  /dev/nvme0n1p1 

   1. Vyhledejte skupinu svazků „cache“ pomocí vgdisplay

      [root@localhost ~]# vgdisplay
      
      --- Volume group ---
      VG Name               cache
      System ID
      Format                lvm2
      Metadata Areas        2
      Metadata Sequence No  7
      VG Access             read/write
      VG Status             resizable
      MAX LV                0
      Cur LV                2
      Open LV               0
      Max PV                0
      Cur PV                2
      Act PV                2
      VG Size               103.36 GiB
      PE Size               4.00 MiB
      Total PE              26461
      Alloc PE / Size       25399 / 99.21 GiB
      Free  PE / Size       1062 / 4.15 GiB
      VG UUID               Zd8dNe-6Kdt-7qgY-dmSN-8WHe-4wqQ-euM3Ql 

4. Vytvořte logický svazek původního zařízení (origin_device)

   lvcreate -l 90%FREE -n origin_device cache /dev/sda1 

5. Vytvořte logický svazek metadat cache (cache_meta)

   lvcreate -l 5%FREE -n cache_meta cache /dev/nvme0n1p1 

6. Vytvořte logický svazek dat bloku cache (cache_block)

   lvcreate -l 80%FREE -n cache_block cache /dev/nvme0n1p1 

7. Vytvořte logický svazek fondu cache kombinací logických svazků bloku cache a metadat cache (kombinace kroků 5 a 6)

   lvconvert --type cache-pool --poolmetadata cache/cache_meta cache/cache_block 

   Poznámka: Vytvořený fond cache má název „cache_block“, což je stejný název logického svazku dat bloku cache vytvořeného v kroku 6.

   1. Jedná se o běžné chování nástroje. Vyhledejte skupinu svazků „cache“ pomocí lvdisplay

      root@localhost ~]# lvdisplay
      --- Logical volume ---
      LV Path                /dev/cache/cache_block
      LV Name                cache_block
      VG Name                cache
      LV UUID                kWYQxP-Jdlr-JdxE-aleB-JJpj-3rmw-Q0cojx
      LV Write Access        read/write
      LV Creation host, time localhost.localdomain, 2014-06-28 09:05:32 -0400
      LV Status              available
      # open                 0
      LV Size                5.07 GiB
      Current LE             1297
      Segments               1
      Allocation             inherit
      Read ahead sectors     auto
      - currently set to     256
      Block device           253:2 

8. Vytvořte logický svazek cache propojením logického svazku fondu cache (krok 7) a origin_device logického svazku (krok 4)

   lvconvert --type cache --cachepool cache/cache_block cache/origin_device 

   1. Tím se vytvoří virtuální zařízení cache (dm-cache), orign_device jak je uvedeno níže dm4.

      [root@localhost ~]# ls -l /dev/cache/origin_device
      lrwxrwxrwx. 1 root root 7 Jun 28 09:13 /dev/cache/origin_device -> ../dm-4 

9. Naformátujte virtuální zařízení cache pomocí systému souborů a použijte ho.

   mkfs.ext4 /dev/cache/origin_device 

Údaje o výkonu:

Testy výkonu prováděné pomocí nástroje FIO ukazují velké zlepšení operací čtení, zápisu a kombinace čtení a zápisu.

Tabulka 1 ukazuje výstup z nástroje FIO týkající se rozdílu ve výkonnosti a zlepšení v procentech s dmcache ve srovnání s normálním diskem (rotační disk) a obr. 2 ukazuje odpovídající graf.

Test se provádí s blokem o velikosti 1 MB pro náhodné čtení, náhodný zápis a kombinaci náhodného čtení a zápisu (50 %) na původním pevném disku (sda) a disku s konfigurací dmcache .
 

Tabulka 1: Zlepšení výkonu s dm-cache

 
Obrázek 2: Zlepšení výkonu s dm-cache.

Závěr: Modul dm-cache na bázi disku NVMe PCIe SSD ve větší míře zvyšuje výkon starších pevných disků s plotnami.