为ZFS zpool添加固态硬盘缓存 ZIL写缓存|ARC写缓存无需新分区-安全小百科

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前言

ZFS使用也有一年多的时间了，每次新配置的时候都要去找一下各种教程，太麻烦了。这次整理一下写出来，做笔记用。

方案简述

我们新的芬兰计算集群配置了一台12核CPU+128G DDR4内存+1T数据中心级NVME+10*10TB企业级机械硬盘的机器作为存储节点。
用NVME盘做系统盘，10块10TB的机械盘组ZFS-RAIDZ，用96G内存作为ZFS缓存，ZFS的性能对比可以看这个：

[硬核长文]ZFS阵列全等级性能对比|Mirror RaidZ RaidZ2 RaidZ3 Striped

文章目录[隐藏] 前言 ZFS的特性不同等级Level的ZFS阵列前言 ZFS被称为是世界上最后一个存储系统（emm），还有人说”完全填充ZFS的128位存储池所需的能量，实际上比煮沸海洋需要的更多”。不论是从扩展性还是从性能上讲ZFS都有着独特的优势，在用了几年ZFS之后，现在已经离不开这个文件系统了。其实想整理这篇文章已经很久了，但是一直懒的动笔，今天终于下定决心来写一下了，整理了网上一些比较权威的实测数据，同时也从原理上来讲讲到底如何选择ZFS的阵列等级。 ZFS简介以下内容直接摘抄自维基百科 ZFS是一个拥有逻辑卷管理功能的文件系统，最早源自于Oracle为Solaris操作系统开发的文件系统。ZFS具有可扩展性，并且包括大量保护措施防止数据损坏，支持高存储容量、高效数据压缩、集成文件系统、卷管理、快照和写时复制、连续完整性检查与自动修复、RAID-Z、原生NFSv4 ACL等功能，并且能被精确配置。ZFS有两个主要实现，分别来自Oracle和OpenZFS，它们之间极度相似，这使得ZFS在类Unix系统中广泛可用。 ZFS的特性存储池 Pooled-storage 写入时复制 Copy-on-write 快照 Snapshots 数据完整性验证和自动修复 RAID-Z 最大单个文件大小为 16 EB（1 EB = 1024 PB）最大 256 千万亿（256*1015 ）的 ZB（1 ZB = 1024 EB）的存储不同等级Level的ZFS阵列在谈论RAID阵列的时候，最常被问到的问题是：“哪个等级的阵列是最好的？”实际上没有最好的选择，如何选择完全取决于想要实现的特性和愿意放弃的特性。实际上我们最应该问自己的问题是：“我们的数据有多重要？” 不管是ZFS阵列还是常规的RAID阵列，都有三个非常重要的指标：性能、容量以及数据完整性（Performance, capacity and data integrity），脱离了任何一个指标的阵列都是无意义的。但是对于不同盘位下的推荐ZFS等级，可以参考一下这个： ZFS与RAID阵列等级划分我们经常把ZFS阵列和RAID阵列的各个等级划等号，这里给尚不了解RAID阵列的同学补个课 ZFS不同磁盘数量 x 阵列等级下的性能对比这里我们会给出性能实测，并在测试结果前面列出磁盘数量，RAID类型，容量和性能指标，以便于比较。速度显示“ w”表示写入，“ rw”表示重写，“ r”表示读取，吞吐量以兆字节/秒为单位。下表是不同ZFS阵列等级在未压缩的条件下测速结果。 […]

但是在高读写负载下依旧出现了超过30%的IO delay，因此考虑使用闲置的NVME空间作为读（cache）+写（ZIL log）缓存。

数据安全提醒

其实这是一个性价比很高的方案，近百TB的大容量+最热文件内存机读取速度+较热文件nvme的读取速度+nvme的写入速度。
但是作为写入缓存的ZIL（log）坏了比较麻烦，不过也只影响坏之前没有来得及写回ZFS阵列的内容（在非连续高负载下问题不大），根据数据的重要程度选择要不要做成raid1的缓存：

zpool add tank log mirror /dev/zil-cache1 /dev/zil-cache2

而cache和内存的效果一样，只是作为L2ARC加速读取，内存还是一级ARC，作为最热的文件缓存，L2作为沉淀层。

新建loop虚拟盘

本地磁盘就是NVME的，如果可以重新分区那是最好，不过我这里嫌麻烦就直接用loop虚拟盘了，性能会差一点点但是不会太多（毕竟本地已经格式化为Ext4了）。

创建镜像文件

大家都喜欢用dd，不过fallocate我觉得更舒服。这里新建两个镜像文件，分别是读缓存和写缓存的：

root@HPC-HEL1-S101 /home # fallocate -l 300G zfs-log-cache.img
root@HPC-HEL1-S101 /home # fallocate -l 300G zfs-read-cache.img

要注意的是，读缓存损坏后数据不会丢失，写缓存损坏的话会导致数据丢失，慎用！

挂载为loop

这个没啥好说的，用losetup即可：

root@HPC-HEL1-S101 /home # losetup -fP zfs-log-cache.img
root@HPC-HEL1-S101 /home # losetup -fP zfs-read-cache.img

检查挂载情况

root@HPC-HEL1-S101 /home # losetup -a
/dev/loop1: [66306]:37691140 (/home/zfs-log-cache.img)
/dev/loop2: [66306]:37691139 (/home/zfs-read-cache.img)
/dev/loop0: [66306]:52272397 (/var/lib/vz/images/100/vm-100-disk-0.raw)
root@HPC-HEL1-S101 /home # lsblk
NAME        MAJ:MIN RM   SIZE RO TYPE MOUNTPOINT
loop0         7:0    0    64G  0 loop 
loop1         7:1    0   300G  0 loop 
loop2         7:2    0   300G  0 loop

添加到zpool

查看zpool

首先检查一下zpool的情况：

root@HPC-HEL1-S101 /home # zpool status
  pool: Hel1-S101
 state: ONLINE
  scan: none requested
config:

        NAME        STATE     READ WRITE CKSUM
        Hel1-S101   ONLINE       0     0     0
          raidz1-0  ONLINE       0     0     0
            sda     ONLINE       0     0     0
            sdb     ONLINE       0     0     0
            sdc     ONLINE       0     0     0
            sdd     ONLINE       0     0     0
            sde     ONLINE       0     0     0
            sdf     ONLINE       0     0     0
            sdg     ONLINE       0     0     0
            sdh     ONLINE       0     0     0
            sdi     ONLINE       0     0     0
            sdj     ONLINE       0     0     0

errors: No known data errors

添加缓存

分别添加读缓存和写缓存：

root@HPC-HEL1-S101 /home # zpool add Hel1-S101 log /dev/loop1
root@HPC-HEL1-S101 /home # zpool add Hel1-S101 cache /dev/loop2

检查缓存情况

root@HPC-HEL1-S101 /home # zpool status
  pool: Hel1-S101
 state: ONLINE
  scan: none requested
config:

        NAME        STATE     READ WRITE CKSUM
        Hel1-S101   ONLINE       0     0     0
          raidz1-0  ONLINE       0     0     0
            sda     ONLINE       0     0     0
            sdb     ONLINE       0     0     0
            sdc     ONLINE       0     0     0
            sdd     ONLINE       0     0     0
            sde     ONLINE       0     0     0
            sdf     ONLINE       0     0     0
            sdg     ONLINE       0     0     0
            sdh     ONLINE       0     0     0
            sdi     ONLINE       0     0     0
            sdj     ONLINE       0     0     0
        logs
          loop1     ONLINE       0     0     0
        cache
          loop2     ONLINE       0     0     0

errors: No known data errors

缓存效果

用zpool iostat -v可以明显看到SSD的读写缓存已经生效了，后续热文件将直接从cache中读取，降低机械盘的负载。

root@HPC-HEL1-S101 ~ # zpool iostat -v
              capacity     operations     bandwidth 
pool        alloc   free   read  write   read  write
----------  -----  -----  -----  -----  -----  -----
Hel1-S101    132G  90.8T      0     89  3.30K  1.91M
  raidz1     132G  90.8T      0     81  3.30K   991K
    sda         -      -      0      8    333  99.5K
    sdb         -      -      0      7    315  98.6K
    sdc         -      -      0      8    349  99.6K
    sdd         -      -      0      7    334  98.7K
    sde         -      -      0      8    362  99.7K
    sdf         -      -      0      8    326  98.7K
    sdg         -      -      0      8    354  99.6K
    sdh         -      -      0      8    328  98.6K
    sdi         -      -      0      8    349  99.6K
    sdj         -      -      0      8    322  98.5K
logs            -      -      -      -      -      -
  loop1     11.8M   298G      0     10      8  1.21M
cache           -      -      -      -      -      -
  loop2      224M   300G      0      0     49  81.3K
----------  -----  -----  -----  -----  -----  -----

fio测试-16k小文件随机

测试代码：fio -filename=/Hel1-S101/fiotest.bin -direct=1 -iodepth 1 -thread -rw=randwrite -ioengine=psync -bs=16k -size=10G -numjobs=30 -runtime=10 -group_reporting -name=zfs-cache-test

Jobs: 30 (f=30): [w(30)][100.0%][w=153MiB/s][w=9782 IOPS][eta 00m:00s]
zfs-cache-test: (groupid=0, jobs=30): err= 0: pid=21034: Thu Jun  4 18:49:56 2020
  write: IOPS=11.1k, BW=173MiB/s (182MB/s)(1734MiB/10002msec); 0 zone resets
    clat (usec): min=5, max=88218, avg=2700.66, stdev=2176.33
     lat (usec): min=6, max=88218, avg=2700.98, stdev=2176.36
    clat percentiles (usec):
     |  1.00th=[   10],  5.00th=[   45], 10.00th=[   52], 20.00th=[  816],
     | 30.00th=[ 1696], 40.00th=[ 2311], 50.00th=[ 2737], 60.00th=[ 3130],
     | 70.00th=[ 3556], 80.00th=[ 3982], 90.00th=[ 4883], 95.00th=[ 6063],
     | 99.00th=[ 7373], 99.50th=[ 8291], 99.90th=[18220], 99.95th=[26346],
     | 99.99th=[53740]
   bw (  KiB/s): min= 3552, max=40271, per=3.33%, avg=5913.96, stdev=4550.90, samples=592
   iops        : min=  222, max= 2516, avg=369.60, stdev=284.39, samples=592
  lat (usec)   : 10=1.10%, 20=0.79%, 50=7.09%, 100=5.98%, 250=2.23%
  lat (usec)   : 500=0.92%, 750=1.26%, 1000=3.18%
  lat (msec)   : 2=11.54%, 4=46.17%, 10=19.38%, 20=0.29%, 50=0.07%
  lat (msec)   : 100=0.01%
  cpu          : usr=0.16%, sys=2.21%, ctx=205649, majf=0, minf=0
  IO depths    : 1=100.0%, 2=0.0%, 4=0.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, >=64=0.0%
     submit    : 0=0.0%, 4=100.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, 64=0.0%, >=64=0.0%
     complete  : 0=0.0%, 4=100.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, 64=0.0%, >=64=0.0%
     issued rwts: total=0,110988,0,0 short=0,0,0,0 dropped=0,0,0,0
     latency   : target=0, window=0, percentile=100.00%, depth=1

Run status group 0 (all jobs):
  WRITE: bw=173MiB/s (182MB/s), 173MiB/s-173MiB/s (182MB/s-182MB/s), io=1734MiB (1818MB), run=10002-10002msec

fio测试-大文件1G连续

测试代码：fio -filename=/Hel1-S101/fiotest.bin -direct=1 -iodepth 1 -thread -rw=randwrite -ioengine=psync -bs=1G -size=20G -numjobs=30 -runtime=10 -group_reporting -name=zfs-cache-test

zfs-cache-test: (groupid=0, jobs=30): err= 0: pid=6117: Thu Jun  4 18:52:20 2020
  write: IOPS=0, BW=785MiB/s (823MB/s)(30.0GiB/39131msec); 0 zone resets
    clat (msec): min=14642, max=38803, avg=24851.81, stdev=8958.50
     lat (msec): min=14770, max=39124, avg=25138.77, stdev=8987.50
    clat percentiles (msec):
     |  1.00th=[14697],  5.00th=[14697], 10.00th=[14832], 20.00th=[15771],
     | 30.00th=[16174], 40.00th=[16845], 50.00th=[17113], 60.00th=[17113],
     | 70.00th=[17113], 80.00th=[17113], 90.00th=[17113], 95.00th=[17113],
     | 99.00th=[17113], 99.50th=[17113], 99.90th=[17113], 99.95th=[17113],
     | 99.99th=[17113]
  cpu          : usr=0.54%, sys=1.83%, ctx=264186, majf=0, minf=0
  IO depths    : 1=100.0%, 2=0.0%, 4=0.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, >=64=0.0%
     submit    : 0=0.0%, 4=100.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, 64=0.0%, >=64=0.0%
     complete  : 0=0.0%, 4=100.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, 64=0.0%, >=64=0.0%
     issued rwts: total=0,30,0,0 short=0,0,0,0 dropped=0,0,0,0
     latency   : target=0, window=0, percentile=100.00%, depth=1

Run status group 0 (all jobs):
  WRITE: bw=785MiB/s (823MB/s), 785MiB/s-785MiB/s (823MB/s-823MB/s), io=30.0GiB (32.2GB), run=39131-39131msec

文章来源于互联网:为ZFS zpool添加固态硬盘缓存 ZIL写缓存|ARC写缓存无需新分区

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THE END