PowerEdge：在 RHEL 上使用 NVMe PCIe SSD 型 dm-cache 加快區塊裝置效能

NVMe 型 PCIe SSD 可使用使用者空間工具集邏輯磁碟區管理員 (LVM) 工具，作為 dm-cache 的快取裝置。

由 dm-cache 建立的虛擬快取由三個實體裝置組成。(參考圖 1)來源裝置是速度較慢的目的地儲存裝置 (HDD)。快取裝置用於儲存使用者資料，而中繼快取則儲存區塊位置、髒標記及其他內部資料等中繼資料。
在本例中，資料區塊與中繼資料都使用同一個裝置 [快取裝置]。


圖 1：使用 LVM 工具設定和配置 dm-cache 的步驟。

硬體設定：

來源裝置 [HDD]： /dev/sda1
快取裝置 [NVMe 型 PCIe SSD] (區塊/中繼)： /dev/nvme0n1p1 

軟體設定：

作業系統：RHEL 7
工具：用於 dm-cache 組態的 LVM2 使用者空間工具

組態步驟：

以下是使用 LVM 設定虛擬裝置 dm-cache 的步驟。

每個步驟的輸出對應到區塊，其編號如圖 1 所示。

1. 在硬碟 [來源裝置] 上建立 100 GB 分割區

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

   注意：這會建立 /dev/sda1
2. 在 NVMe PCIe SSD 磁碟 [快取裝置] 建立 10 GB 分割區

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

3. 使用來源與快取裝置建立磁碟區群組 (快取)

   vgcreate cache /dev/sda1  /dev/nvme0n1p1 

   1. 使用下列方法檢查「快取」磁碟區群組： 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. 建立來源裝置邏輯磁碟區 (origin_device)

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

5. 建立快取中繼資料邏輯磁碟區 (cache_meta)

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

6. 建立快取區塊資料邏輯磁碟區 (cache_block)

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

7. 透過結合快取區塊和快取中繼資料邏輯磁碟區 (結合步驟 5 和 6)，來建立快取集區邏輯磁碟區

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

   注意：建立的快取集區名稱與「cache_block」相同，即在步驟 6 中建立的快取區塊資料邏輯磁碟區的名稱。

   1. 這是工具的行為。使用下列方法檢查「快取」磁碟區群組： 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. 若要建立快取邏輯磁碟區，請連結快取集區 (步驟 7) 邏輯磁碟區和 origin_device 邏輯磁碟區 (步驟 4)

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

   1. 這會建立虛擬快取裝置 (dm-cache) orign_device 如下所示 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. 使用檔案系統格式化虛擬快取裝置並使用它。

   mkfs.ext4 /dev/cache/origin_device 

效能資料：

使用 FIO 工具完成的效能測試，顯示讀取、寫入和讀寫混合操作已大幅提升。

表 1 顯示 FIO 工具輸出的效能差異，以及增益百分比：搭配 dmcache 使用時 (相較於正常磁碟機 (旋轉磁碟機))，圖 2 則顯示相應的圖形。

以 1M 區塊大小進行隨機讀取、隨機寫入和隨機讀寫混合 (50%) 測試，於原始硬碟 (sda) 和磁碟機搭配 dmcache 設定。
 

表 1：效能增益搭配 dm-cache

 
圖 2：效能增益搭配 dm-cache。

結論：NVMe PCIe SSD 型 dm-cache 可更大程度地提升傳統主軸式硬碟的效能。