面向存儲網絡的融合I/O模擬器設計與實現①

魏 征 黎斐南 邢 晶 霍志剛 孫凝暉

(*中國科學院大學 北京 100089)(**計算機體系結構國家重點實驗室 北京 100089)(***中國科學院計算技術研究所 北京 100089)

0 引 言

存儲設備在過去很長一段時間都被視為高延遲的慢速設備，隨著新材料和設備的研制，存儲設備的性能有了很大改善，I/O延遲大大下降。然而目前的大部分軟硬件的設計還是建立在慢速設備的假設上，這種設計無法充分發揮新式存儲設備的性能，因而仍存在讀寫延遲高的問題。

機械硬盤(hard disk drive， HDD)[1]作為主要的廉價存儲設備，從最初的3.75 MB到現在的14 TB，HDD的容量增加了373萬倍。但是，HDD的訪問延遲從600 ms下降到了2 ms，只減少到了原來的1/300。HDD數據存儲在盤片上，受機械結構的限制，碟片的旋轉速度不能無限提高。HDD的平均延遲基本都是毫秒級的。固態硬盤(solid state drive， SSD)使用集成電路作為存儲介質，受益于半導體工藝的發展，延遲可以達到微秒的量級[2]?，F在的NVMe SSD可以達到幾十微秒的延遲。基于3D XPoint材料的存儲設備擁有更低的延遲，填補了SSD和內存之間的差距，其延遲達到微秒級[2]。

傳統的跨節點數據通路中，數據傳輸都要經過內存。數據一開始在遠程主機的內存中，中央處理器(central processing unit， CPU)設置網絡接口控制器(network interface controller， NIC)的直接存儲器訪問(direct memory access, DMA)，由DMA把數據發送到網絡上。本地的NIC從網絡收到數據，數據經過DMA的搬運，保存到內存中。然后CPU再控制存儲設備的DMA，把數據寫入本地的存儲設備。隨著存儲技術的發展，存儲設備的延遲已經從原來的毫秒級變為了現在的微秒級，數據在數據通路上延遲在整個傳輸延遲中的占比會大大增加，原來的傳輸路徑可能會導致額外的傳輸開銷?！?br>