前言
作為 IaaS 最重要的核心元件之一，阿裡雲 ESSD 為雲伺服器 ECS 提供低延遲時間、持久性和高可靠的塊存儲服務，成為雲廠商全閃塊存儲的業界标杆。随着越來越多的企業上雲和核心應用上雲，以及容器和 Serverless 架構的蓬勃發展，對塊存儲 IO 性能的彈性能力提出了新的挑戰和需求。阿裡雲存儲團隊在這種背景下推出了 ESSD Auto PL 新的雲盤規格，把性能與容量解耦，提供 IO 性能按需供給兩大關鍵特性。本文結合塊存儲典型業務場景，介紹 Auto PL 新産品特性、揭秘背後的技術原理。
雲存儲的IO彈性需求和業務痛點
随着雲原生技術的發展，越來越多的企業基于雲計算的虛拟化、彈性擴充及蓬勃發展的雲原生技術的分布式架構，容器技術、編排系統、持續傳遞及快速疊代，建構起大規模、彈性擴充強、豐富的雲上分布式業務場景；新的計算形态逐漸往短周期、輕量化等方向發展，對塊存儲 IO 性能彈性提出了更多需求（性能通常用 IOPS ：Input/Output Operations per Second 和吞吐 BPS ：Bytes per Second 來描述），以下是比較常見的業務痛點：
- VM/容器批量啟動：計算執行個體啟動時，系統盤短時間内消耗大量 IOPS 和吞吐 BPS
- 業務高峰：客戶業務面臨不可預期的突發場景，需要雲盤以及 VM 具備短時的突發性能需求的彈性擴充能力
- 周期性任務處理：OLAP/批處理在可預見的時間内周期性的送出海量任務，需要雲盤具備突發的彈性擴充能力
傳統的塊存儲産品采用性能/容量耦合的産品設計，使用者通過購買雲盤容量擷取相應的 IOPS/BPS 性能上限，通過雲盤擴容同時獲得磁盤容量和 IO 性能。ESSD 支援 PL0/1/2/3 多種性能的檔位（PL：performance level），不同 PL 等級有不同 IO 性能上限，客戶可通過雲盤變配功能提升 PL 等級，進而得到更高的 IOPS/BPS 性能上限。雲原生業務充分利用雲的彈性能力，業務需求上量有個較長的時間周期，通常會預留部分存儲性能餘量。此外，相當部分雲上業務流量存在明顯的波峰波谷行為，大部分時間處于業務低負載期，且業務高峰期和峰值難以準确預估。典型的 IO 流量突發型業務可能在一定時間内出現一個或多個突發 IO 流量，突發時間短、突發性能峰值高，常見于網際網路秒殺等突發業務場景，對性能規劃提出了新的挑戰：如果性能配置預留過高，會造成日常資源的大量閑置浪費；而如果性能預留不足，業務突發洪峰會造成業務受損。總而言之，通過雲盤擴容/變配進行較為精準的性能規劃變得非常困難。
ESSD Auto PL
針對以上業務痛點，阿裡雲推出了 ESSD Auto PL 産品規格，支援性能按需配置和按需突發兩個模式，支援 1000 IOPS/GB 的超高機關容量性能上限。性能按需配置主要面向可預期的周期性 IO 流量場景，使用者在建立 ESSD Auto PL 時除了選擇存儲容量，還可單獨配置額外的 IO 性能上限，實作了 IO 性能與容量解耦。針對可預期的 IO 洪峰，使用者可根據業務需求靈活調整 IO 性能，提供可預期的應對能力。
對于難以預期的突發業務洪峰，Auto PL 支援性能按需突發模式，提供最大單盤 100W IOPS，4GB/s 的極限 IO 性能，雲盤根據實際性能需求自動調整，無需進行 IO 性能預測和規劃，充分利用了 ESSD 分布式存儲的彈性能力，徹底解決了突發流量下的性能規劃問題。該功能采用後付費模式，使用者隻需按實際發生超出預先配置性能的讀寫次數付費， 保障業務穩定運作的同時，最大化節省使用者的資源配置開銷。以某大型網際網路電商某突發流量場景為例，該業務原來使用 ESSD PL1，性能上限為 50000 IOPS，350MB/s，在業務突發流量場景，有 2.3% 的雲盤打滿 PL1 性能上限影響業務，且業務峰值時間較短，流量峰值無法準确預估。傳統的需要采用 ESSD PL2 來滿足業務突發流量，采用 ESSD Auto PL 并開啟按需突發模式，業務存儲 TCO 下降 49%。
Auto PL 仍然相容了 ESSD PL1 的基準性能，标準的 Auto PL 雲盤性能表現與 ESSD PL1 完全一緻，實作存量客戶 & 業務場景無縫切換。另外 ESSD Auto PL 在業界首次同時支援性能按需配置和性能按需突發兩種功能，并且可疊加使用，使用者可根據實際 IO 流量模型靈活配置。
Auto PL技術解析
作為第一個支援性能容量解耦同時支援性能按負載彈性伸縮的雲盤， ESSD Auto PL 需要解決很多技術上的挑戰：比如如何快速感覺業務的負載變化，如何動态按需申請釋放資源支援性能伸縮，如何快速平衡負載排程等等。經過反複打磨，ESSD Auto PL 雲盤設計了細粒度的雲盤切分機制，能夠讓它均衡使用整個後端存儲叢集的資源并快速動态調整；通過叢集容量/性能水位實時監測和排程、多級 QoS 隔離等保障 IO 性能突發引入的流量沖擊和多租戶 IO 幹擾等問題。
雲盤細粒度切分
ESSD Auto PL 支援最大 1000 IOPS/GB，遠超 Nand SSD 機關容量的 IOPS 性能。每一塊 ESSD 雲盤的 LBA 位址空間會被劃分為多個條帶組，條帶組的 IO 被分布式算法打散，分别被不同的存儲節點處理，以充分利用 RDMA 網絡和高性能存儲能力。ESSD Auto PL 設計了細粒度的位址空間管理機制，讓小容量雲盤也可以充分打散到多個存儲節點，實作更大範圍的 IO 排程能力，同時大範圍的 IO 排程能力也可以降低存儲叢集單機熱點和部分 IO 長尾延遲。
多租戶隔離和IO優先級管理
EBS 作為典型的多租戶服務，突發高吞吐/高 IOPS 流量潛在會影響低負載租戶的 IO 延遲，100W IOPS IO Burst 極緻性能對隔離能力提出了更高的要求。ESSD 支援執行個體和雲盤兩層 QoS，執行個體 QoS 提供多虛拟機之間的 IO 隔離能力，上限與使用者購買執行個體的 vCPU 核數強相關，部分小規格執行個體支援存儲 credit burst 能力，可累積閑時 IO quota 提供最大 30 分鐘的性能突發能力；雲盤 QoS 提供執行個體内各雲盤的性能上限，與雲盤規格相關。從 VM 發出的 IO 從鍊路上依次通過雲盤、執行個體兩級 QoS，并進行 Burst IO 流量打标，確定在流量擁塞場景下全鍊路能準确識别 Burst 流量，保證非 Burst 流量得到優先處理。針對 Burst IO 流量引起的系統局部熱點和 IO 阻塞，實作了IO 流量 10 毫秒級别的業務負載感覺和預測，再秒級别完成動态隊列排程和并發度調整，結合硬體解除安裝的隊列動态分發機制、避免在多租戶場景下因為彈性提升帶來多租戶間的性能幹擾。
多叢集性能水位負載均衡
極緻的 IO 性能彈性對性能 SLA 引入了新的挑戰，特别是 IO 突發性能極限 100W IOPS 引入了更大的流量擁塞風險，為此 ESSD 設計了新的多叢集性能水位負載均衡機制。新的智能均衡排程機制由叢集/存儲節點/IO 線程多級排程組成，根據雲盤性能配置，實時監控元件 IO 負載，實作叢集内秒級 IO 負載均衡、分鐘級别叢集間流量排程，當叢集/存儲節點間流量出現顯著性能水位差異時，實時觸發雲盤熱遷移，解決使用者大批量雲盤負載同時升高的性能争搶問題。
總結
ESSD AutoPL 作為未來 ESSD 的主售産品，覆寫面積為目前所有彈性計算面對的行業和客戶。AutoPL 具備的靈活性和彈性能力降低了 IT 規模規劃難度和因規劃不當帶來的風險，将會受運維人員或IT資源采購人員青睐。無論是阿裡雲新增客戶，還是存量客戶，ESSD AutoPL 都可以作為 ESSD PL1 的替代産品進行購買。AutoPL 為客戶的業務突發增長提供了既經濟實惠、又簡單便利的使用體驗，期待大家廣泛使用 AutoPL 産品，并且給我們提寶貴的回報，幫助我們做得更好。我們将繼續通過技術創新來提高 ESSD 的性能和服務品質保障能力，提高使用者使用體驗，為客戶提供永不停機的計算服務。
原創作品：阿裡雲存儲 郗鑒