PowerEdge: prestazioni del dispositivo a blocchi più veloci con dm-cache basato su SSD PCIe NVMe su RHEL

Le unità SSD PCIe basate su NVMe possono fungere da dispositivo di memoria cache per dm-cache utilizzando il set di strumenti dello spazio utente Logical Volume Manager (LVM).

La memoria cache virtuale creata da dm-cache è costituita da tre dispositivi fisici. Fare riferimento alla Figura 1. Il dispositivo Origin è il dispositivo di storage di destinazione (HDD) più lento. Il dispositivo Cache viene utilizzato per archiviare i dati dell'utente e la meta cache archivia i metadati come il posizionamento dei blocchi, i flag di modifica e altri dati interni.
In questo caso, utilizziamo lo stesso dispositivo [dispositivo Cache] sia per i blocchi di dati che per i metadati.

 
Figura 1. Passaggi per impostare e configurare dm-cache utilizzando gli strumenti LVM.

Configurazione hardware:

Dispositivo Origin [HDD]: /dev/sda1
Dispositivo Cache [unità SSD PCIe basata su NVMe] (blocchi/meta): /dev/nvme0n1p1 

Configurazione software:

Sistema operativo: RHEL 7
Strumenti: strumenti dello spazio utente LVM2 per la configurazione di dm-cache

Procedura di configurazione:

Di seguito sono riportati i passaggi per configurare dm-cache del dispositivo virtuale mediante LVM.

L'output di ogni passaggio viene mappato al blocco con la numerazione menzionata nella Figura 1.

1. Creare una partizione da 100 GB sul disco rigido [dispositivo Origin]

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

   Nota: in questo modo si crea /dev/sda1
2. Creare una partizione da 10 GB sul disco SSD PCIe NVMe [dispositivo Cache]

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

3. Creare un gruppo di volumi (cache) con i dispositivi Origin e Cache

   vgcreate cache /dev/sda1  /dev/nvme0n1p1 

   1. Verificare la presenza del gruppo di volumi "cache" utilizzando 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. Creare il volume logico del dispositivo Origin (origin_device)

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

5. Creare un volume logico di metadati cache (cache_meta)

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

6. Creare un volume logico di dati dei blocchi cache (cache_block)

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

7. Creare un volume logico del pool di cache combinando volumi logici di blocchi di cache e metadati di cache (combinando i passaggi 5 e 6)

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

   Nota: il pool di cache creato ha lo stesso nome di "cache_block", ovvero il nome del volume logico di dati dei blocchi cache creato nel passaggio 6.

   1. Si tratta del normale comportamento dello strumento. Verificare la presenza del gruppo di volumi "cache" utilizzando 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. Creare un volume logico di cache collegando il volume logico del pool di cache (passaggio 7) e il volume logico di origin_device (passaggio 4)

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

   1. In questo modo viene creato il dispositivo cache virtuale (dm-cache) orign_device , come mostrato di seguito con la denominazione 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. Formattare il dispositivo cache virtuale con un file system e utilizzarlo.

   mkfs.ext4 /dev/cache/origin_device 

Dati sulle prestazioni:

I test delle prestazioni eseguiti utilizzando lo strumento FIO mostrano un notevole miglioramento delle operazioni combinate di lettura, scrittura e lettura-scrittura.

La Tabella 1 mostra l'output dello strumento FIO della differenza di prestazioni e del miglioramento in percentuale con dmcache rispetto all'unità normale (unità rotazionale) e la Figura 2 mostra il grafico corrispondente.

Il test viene eseguito con blocchi di dimensioni 1M per lettura casuale, scrittura casuale e combinazione lettura-scrittura casuale (50%) sul disco rigido originale (sda) e sull'unità con dmcache configurato.
 

Tabella 1. Miglioramento delle prestazioni con dm-cache

 
Figura 2. Miglioramento delle prestazioni con dm-cache.

Conclusione: dm-cache basato su SSD PCIe NVMe migliora in misura maggiore le prestazioni dei dischi rigidi legacy basati su spindle.