PowerEdge: Schnellere Blockgeräteleistung mit NVMe PCIe SSD-basiertem DM-Cache auf RHEL

NVMe-basierte PCIe-SSDs können mithilfe der LVM-Tools (User Space Toolset Logical Volume Manager) als Cache-Gerät für DM-Cache fungieren.

Der von DM-Cache erstellte virtuelle Cache besteht aus drei physischen Geräten. (Abb. 1 beachten). Das Ursprungsgerät ist das langsamere Zielspeichergerät (HDD). Das Cache-Gerät wird verwendet, um die Nutzerdaten zu speichern, und der Metacache speichert die Metadaten wie Blockplatzierung, Dirty Flags und andere interne Daten.
In diesem Fall verwenden wir dasselbe Gerät [Cache-Gerät] sowohl für Datenblöcke als auch für Metadaten.

 
Abbildung 1: Schritte zum Einrichten und Konfigurieren von DM-Cache mithilfe von LVM-Tools.

Hardware-Setup:

Ursprungsgerät [HDD]: /dev/sda1
Cache-Gerät [NVMe-basierte PCIe-SSD] (Block/Meta): /dev/nvme0n1p1 

Software-Setup:

Betriebssystem: RHEL 7
Tools: LVM2-Userspace-Tools für die DM-Cache-Konfiguration

Konfigurationsschritte:

Im Folgenden werden die Schritte zum Konfigurieren des DM-Cache des virtuellen Geräts mithilfe von LVM beschrieben.

Jede Schrittausgabe wird dem Block mit der in Abb. 1 erwähnten Nummerierung zugeordnet.

1. 100-GB-Partition auf der Festplatte erstellen [Ursprungsgerät]

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

   Hinweis: Dadurch wird /dev/sda1 erstellt
2. 10-GB-Partition auf der NVMe-PCIe-SSD-Festplatte erstellen [Cachegerät]

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

3. Volume-Gruppe (Cache) mit dem Ursprungs- und Cache-Gerät erstellen

   vgcreate cache /dev/sda1  /dev/nvme0n1p1 

   1. Nach der Volume-Gruppe „cache“ suchen, mithilfe von 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. Logisches Volume des Ursprungsgeräts erstellen (origin_device)

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

5. Logisches Volume für Cachemetadaten erstellen (cache_meta)

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

6. Logisches Volume für Cacheblockdaten erstellen (cache_block)

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

7. Logisches Volume für Cachepool durch die Kombination von logischen Cacheblock- und Cachemetadaten-Volumes erstellen (Schritt 5 und 6 kombinieren)

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

   Hinweis: Der erstellte Cachepool hat denselben Namen wie „cache_block“, dem Namen des logischen Cacheblockdaten-Volumes, das in Schritt 6 erstellt wurde.

   1. Dies ist ein normales Verhalten des Tools. Nach der Volume-Gruppe „cache“ suchen, mithilfe von 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. Logisches Cache-Volume erstellen, durch Verbindung des logischen Volumes des Cache-Pools (Schritt 7) mit origin_device dem logischen Volume (Schritt 4)

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

   1. Dadurch wird das virtuelle Cache-Gerät (DM-Cache) erstellt, orign_device wie unten dargestellt unter 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. Formatieren Sie das virtuelle Cache-Gerät mit einem Dateisystem und verwenden Sie es.

   mkfs.ext4 /dev/cache/origin_device 

Leistungsdaten:

Leistungstests, die mit dem FIO-Tool durchgeführt wurden, zeigen eine deutliche Verbesserung der Lese-, Schreib- und Lese-/Schreib-Mix-Vorgänge.

Tabelle 1 zeigt die FIO-Toolausgabe der Leistungsdifferenz und die prozentuale Verbesserung mit dem dmcache im Vergleich zum normalen Laufwerk (Rotationslaufwerk) und Abb. 2 zeigt das entsprechende Diagramm.

Der Test wird mit einer Blockgröße von 1 Mio. zufälligen Lese-, Schreib- und einer Mischung aus zufälligen Lese-/Schreibvorgängen (50 %) auf der ursprünglichen Festplatte (SDA) und dem Laufwerk mit dmcache konfiguriert.
 

Tabelle 1: Leistungsverbesserung mit dm-cache

 
Abbildung 2: Leistungsverbesserung mit dm-cache.

Fazit: NVMe PCIe SSD-basierter DM-Cache verbessert die Leistung von spindel-basierten Legacy-Festplatten in größerem Maße.