英特爾® 傲騰? 持久內(nèi)存是Intel在2019年發(fā)布的一款革命性的產(chǎn)品，英特爾® 傲騰? 持久內(nèi)存是一種全新的內(nèi)存類型，其架構(gòu)設計旨在從數(shù)據(jù)中心中汲取更多價值，重構(gòu)數(shù)據(jù)中心內(nèi)存/存儲層次結(jié)構(gòu)。不同于傳統(tǒng)的DRAM，英特爾® 傲騰? 持久內(nèi)存集大容量、經(jīng)濟性和持久性于一身，能夠支持數(shù)據(jù)中心多個應用場景。浪潮基于英特爾® 傲騰? 持久內(nèi)存做了大量的應用場景解決方案，覆蓋大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)庫、云與虛擬化、分布式存儲等應用場景。為了幫助用戶通過更加靈活的架構(gòu)來實現(xiàn)創(chuàng)新型的應用，助力企業(yè)實現(xiàn)性能突破，浪潮發(fā)布了基于英特爾® 傲騰? 持久內(nèi)存技術的Cassandra應用方案。

　　Apache Cassandra是一套開源分布式NoSQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。它最初由Facebook開發(fā)，用于儲存收件箱等簡單格式數(shù)據(jù)，集Google BigTable的數(shù)據(jù)模型與Amazon Dynamo的完全分布式架構(gòu)于一身。Facebook于2008將Cassandra開源，此后，由于Cassandra良好的可擴展性和性能，廣泛應用于消息、訂單查詢、網(wǎng)站等互聯(lián)網(wǎng)在線應用場景中，成為了一種流行的分布式結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲方案。經(jīng)過在社區(qū)使用過程中的不斷優(yōu)化，Cassandra正在變得越來越好，在數(shù)據(jù)庫排行榜“DB-Engines Ranking”中，Cassandra已經(jīng)在NoSql數(shù)據(jù)庫領域中已經(jīng)排名第一位。

　　Cassandra本身具有非常高的寫入性能，而且支持并發(fā)查詢的能力也很好，目前已經(jīng)有越來越多的用戶使用Cassandra構(gòu)建他們的實時計算系統(tǒng)，但是用戶在構(gòu)建實時計算系統(tǒng)的過程中發(fā)現(xiàn)，在部分業(yè)務場景中Cassandra仍然無法滿足高并發(fā)寫入、毫秒級響應的需求，比如在車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，數(shù)十億的數(shù)據(jù)量下分頁查詢、車輛歷史軌跡查詢要達到毫秒級響應。浪潮為了幫助企業(yè)用戶化解對于Cassandra數(shù)據(jù)庫高并發(fā)寫入及低延時響應的苛刻需求，浪潮進行了基于英特爾® 傲騰? 持久內(nèi)存技術的 Cassandra性能優(yōu)化實踐，通過將英特爾® 傲騰? 持久內(nèi)存作為Cassandra數(shù)據(jù)庫的持久性存儲，相比于傳統(tǒng)方案，不僅大幅的提升了數(shù)據(jù)庫在高并發(fā)下的寫入和查詢能力，而且大幅的降低了延遲。

　　利用英特爾® 傲騰?持久內(nèi)存技術化解用戶的苛刻需求

　　圖1是開源Apache Cassandra數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)讀寫流程，Cassandra數(shù)據(jù)庫的內(nèi)存結(jié)構(gòu)及讀寫流程非常的復雜。Cassandra的內(nèi)存結(jié)構(gòu)主要由Memtable、KeyCache、RowCache等構(gòu)成。當客戶端發(fā)起寫操作時，Cassandra首先會將數(shù)據(jù)寫入Commit Log中，然后再寫入內(nèi)存Memtable，當Memtable寫滿之后，會將數(shù)據(jù)flush到硬盤的SSTable數(shù)據(jù)文件中，Commit Log通常會放在SSD上，受限于SSD的性能會嚴重影響Cassandra的寫入性能。當客戶端發(fā)起讀請求時，流程更加的復雜，為了找到數(shù)據(jù)存儲在何處，需要在好幾個階段處理數(shù)據(jù)，從Memtable開始，到SSTables結(jié)束，而且Cassandra數(shù)據(jù)庫的Compaction策略會嚴重的影響讀的性能。

　　

　　圖1

　　為了解決此問題， 英特爾工程師團隊對Cassandra數(shù)據(jù)庫的內(nèi)存結(jié)構(gòu)進行了簡化，利用英特爾® 傲騰? 持久內(nèi)存在App Direct 模式下高性能低延遲的特性，應用程序直接訪問持久內(nèi)存，大幅提升Cassandra數(shù)據(jù)庫在高并發(fā)下的性能表現(xiàn)。

　　

　　圖2

　　英特爾® 傲騰? 持久內(nèi)存是一種全新的內(nèi)存類型，不同于傳統(tǒng)的DRAM，其集大容量、經(jīng)濟性和持久性于一身，讀寫帶寬比NVME設備高數(shù)倍，并大幅降低延時問題。由于寫入方式不同，英特爾® 傲騰? 持久內(nèi)存也比Flash NAND更耐用，并通過高達512GB的單模塊容量，實現(xiàn)了遠超傳統(tǒng) DRAM 的系統(tǒng)內(nèi)存容量。其從根本上改變了數(shù)據(jù)中心的彈性，將內(nèi)存數(shù)據(jù)庫重啟時間從以前的幾天、幾小時縮短到現(xiàn)在的幾分鐘甚至幾秒鐘，并提供經(jīng)濟實惠的內(nèi)存空間，將系統(tǒng)內(nèi)存容量擴展到前所未有的水平。

　　英特爾® 傲騰? 持久內(nèi)存擁有兩種特殊的運行模式——App Direct 模式和內(nèi)存模式。具體來看，采用App Direct 模式，經(jīng)過專門調(diào)試的應用程序可以從產(chǎn)品固有的持久性中充分獲取價值，同時獲得更大的容量；在內(nèi)存模式下，在受支持的操作系統(tǒng)或虛擬環(huán)境中運行的應用程序可將該產(chǎn)品用于易失性存儲，在無需重寫軟件的情況下，有效利用高達512GB的內(nèi)存模塊帶來的附加系統(tǒng)容量，在大型內(nèi)存池中獲得新的洞察。

　　

　　在實際的方案部署中，浪潮使用了英特爾® 至強® 第二代可擴展處理器與英特爾® 傲騰? 持久內(nèi)存組成強強組合，簡化Cassandra數(shù)據(jù)庫內(nèi)存結(jié)構(gòu)，充分利用英特爾® 傲騰? 持久內(nèi)存性能優(yōu)勢，以滿足用戶苛刻的性能需求。

　　方案驗證：英特爾® 傲騰? 內(nèi)存性能優(yōu)勢顯著

　　為了測試英特爾® 傲騰? 持久內(nèi)存作為Cassandra數(shù)據(jù)庫的存儲性能，浪潮決定在存儲容量近似的情況下，分別測試基于英特爾® 傲騰? 持久內(nèi)存/英特爾®SSD P4510兩種配置下的性能對比。

　　在實際測試中，浪潮將英特爾® 傲騰? 持久內(nèi)存設置為 App Direct運行模式，測試使用2臺服務器，其中，一臺服務器用于Cassandra數(shù)據(jù)庫節(jié)點，另外一臺服務器作為客戶端節(jié)點。在本次測試中，浪潮使用了 100%Read、80%Read20%Insert、 50%Read50%Insert三個模型分別來評測Cassandra在英特爾® 傲騰? 持久內(nèi)存和英特爾®SSD P4510下的讀寫性能。

　　浪潮分別測試了兩種配置在不同線程下的P99延時以及吞吐量（測試結(jié)果如表2-表5）。

　　英特爾® 傲騰? 持久內(nèi)存吞吐量

　　

　　英特爾® NAND SSD吞吐量

　　

　　英特爾® 傲騰? 持久內(nèi)存P99延時

　　

　　英特爾® NAND SSD P99延時

　　

　　表2-表5

　　從測試結(jié)果我們看到，在三種測試模型下，英特爾® 傲騰? 持久內(nèi)存配置的P99延時和吞吐量在高并發(fā)下有了大幅的提升。

　　

　　表7

　　通過表7的對比結(jié)果我們看到，100%讀取工作負載的吞吐量提升了14.4倍，支持的工作負載（客戶端線程數(shù)）提升了13.3倍；Mix(80/20)工作負載的吞吐量提升了6.8倍，支持的工作負載（客戶端線程數(shù)）提升了10倍；Mix(50/50)工作負載的吞吐量提升了4倍，支持的工作負載（客戶端線程數(shù)）提升了10倍。

　　效果：大幅提升Cassandra在高并發(fā)下的讀寫性能

　　從測試結(jié)果可以看出，我們使用優(yōu)化過的Cassandra分支版本(PMEM-Cassandra)，利用英特爾® 傲騰? 持久內(nèi)存在App Direct 模式下高性能低延遲的特性，應用程序直接訪問持久內(nèi)存，可以大幅提升Cassandra數(shù)據(jù)庫在高并發(fā)下的性能表現(xiàn)。浪潮可以幫助企業(yè)用戶化解對于Cassandra數(shù)據(jù)庫在特定場景中高并發(fā)寫入及低延時響應的苛刻需求，相比于傳統(tǒng)方案，不僅大幅的提升了數(shù)據(jù)庫在高并發(fā)下的寫入和查詢能力，而且大幅的降低了延遲。