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Confidential
NVMe over Fabricに対応した分散ストレージ「Excelero」の紹介
2019/2/1
1
Gfarmワークショップ2019
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マクニカ・富士エレホールディングス グループ
2
GmbH
D H W
米国(カリフォルニア、イリノイ)
シンガポール香港台湾中国(深セン、上海、北京)
韓国タイマレーシア
中国・香港
ASEAN・インド
台湾
北米
ブラジル
欧州
マクニカ社内分社国内関連会社
(ネットワーク・セキュリティ)
マクニカ海外現地法人(主に日系顧客対応)
海外グループ会社(現地顧客対応)
GROUP
国内関連会社(コンポーネント・富士エレグループ)
半導体商社の
Global Leader
2017年度売上
5,041 億円
2500以上の従業員お客様に根ざしたサポートを
世界 70 拠点以上で展開
200 以上の最先端製品・技術を提供
Global Top5(ELECTRONICS DISTRIBUTORS 部門)
3132
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取扱い製品
3
Network
Compute Storage
• ストレージネットワークに最適な、低遅延、高機能バッファ搭載スイッチ• ハイパースケールネットワーク(Cumulus)• Smart NIC, 高機能アダプタカード(GPU-Direct, RDMA, OVS, VXLAN)• LincX ケーブル、モジュール製品
• インテントベースネットワーキングソフトウェアデザイン、構築、運用を完全自動化
• FPGAアクセラレータカードDeep LearningアクセラレーションDataBaseアクセラレーション
• マルチコア、高密度サーバ(Xeon, AMD)• GPU搭載サーバ• All NVMe Flashストレージ
• NVMe SSD• 大容量オブジェクトストレージシステム• JBOD/JBOF
• 次世代NVMeスケールアウトストレージソフトウェアソリューション
• 各種GPU製品• コンポーザブル・インフラストラクチャ
統合管理ソフトウェア
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本日のお話
4
「NVMe over Fabricに対応した分散ストレージExceleroの紹介」
NVMe over Fabricsの現在
Excelero NVMeshの紹介 & ベンチマークデータ
(いま)
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NVMe over Fabrics
5
NVMeをローカル利用する課題○ PCIスロット以上には拡張できない
○ ノード単位の容量制限以上をアプリケーション利用できない
NVMe over Fabricとは○ NVMeストレージを複数ノードで共有する仕組み
‐ マルチプロトコルサポート
‐ データプレーン、マネジメントプレーン機能提供
○ NVMe over Fabrics標準規格化‐ NVMe over Fabrics 1st Version 1.0 (2016/June)
‐ NVMe over Fabrics Latest Version 1.0a (2018/July)
NVMe over Fabricが目指すところ○ 低レイテンシー性能(over Fabric)
○ ファブリックスケール
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NVMe over Fabricsのいま
サービス環境で使用できる機能セットのサポートはこれから
○ SCM, QCLサポート
○ Multipath
○ Namespace Sharing
○ Discovery(Management)
○ Security
○ Etc
6
https://www.nvmedeveloperdays.com/English/Conference/Proceedings_Chrono.html
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NVMe over Fabricsのいま(性能面)
7
TCP/IP(iSCSI)○ 性能面でのアドバンテージなし
RDMA/RoCE○ 現状、最大限のパフォーマンスを求めるのであればRDMAが必須
○ Exceleroはさらにレイテンシーのチューニングがされている(+5usec)
TCP/IP
○ iSCSIに比べ1/2のレイテンシー性能
○ RDMAが勝る
https://www.nvmedeveloperdays.com/English/Collaterals/Proceedings/2018/20181205_Plenary_1_Brett.pdf
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ここまでのまとめ
NVMe over Fabricsはフラッシュストレージのファブリック技術のスタンダードとして発展していく
現状、サービス用途のユースケースでは課題は多い
○ そもそも、バージョン1.0x …
一方で、既にIOパフォーマンスが必要なEmergentな市場/アプリケーションはある
8
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9
Excelero紹介
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Exceleroの紹介
10
拠点:イスラエル(HQ)、北米概要:2014年設立、2017年3月NVMesh GAリリースその他:投資トータル$35M(RoundC) as of 2018 Oct
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Lowest OverheadLocal Flash Latency across the Network
100% Software-definedUse any Hardware
Block StorageUse any File System
Software-defined Block Storage
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Exceleroの紹介
コアテクノロジー 「NVMesh」○ RDDA(標準技術RDMA+NVMeofがベース)による、ゼロオーバーヘッドのアクセス性能
‐ リモート性能 = ローカル性能
‐ ゼロCPUアクセス
‐ 低レイテンシー
○ スケールアウトSAN
‐ PBクラスのスケーラブルなブロックストレージ提供
‐ アプリケーションからの透過性
‐ データ冗長(RAID10, Erasure Coding)
○ GUI、オープンAPIによる統合管理、監視
‐ プロビジョニング
‐ モニタリング
12
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NVMeshアーキテクチャ
13
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NVMeshアーキテクチャ(コンポーネント)
14
マネジメントノードマネジメント、ノード死活監視、モニタリング
クライアントノードストレージは単なるブロックデバイスとして見える
ストレージに対してRDMA通信
ターゲットノードRDMA Target offloadに対応
Client間CPUゼロコピーTarget-NVMe間ゼロコピー
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柔軟な構成が可能
15
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NVMeshサポート機能
NVMeshサポート機能(v1.2.x – 2019/1月)
16
TCP/IP, FC (NVMesh2 coming soon)
Erasure Coding 8+2 (NVMesh2 coming soon)
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17
ユースケース
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ユースケース
18
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HPCユースケース
採用ポイント○ 250GB/sec バーストバッファ
○ チェックポイント・リスタート
ハイライト○ 圧倒的パフォーマンス!
‐ 80 pooled NVMe devices
‐ 148 GB/s of write burst (device limited)
‐ 250GB/s read throughput (network limited)
‐ Well over 20M random 4k IOPS
○ ファブリック化により大容量化、階層化などを実現化
‐ ブロックストレージ :NVMesh
‐ ファイルシステム :IBM Spectrum Scale
19
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NVMeを活用した並列ファイルシステムの高速化ソリューション
20
Compute Cluster
PFS
並列ファイルストレージ
NVMe based distributed Hot-Tier
特徴○ 高速read/writeバーストバッファ
○ PFSへのIOアクセス高速化
○ スケールアウト‐ 性能 = NVMeローカルパフォーマンス
‐ 容量 = ~PB
機能概要○ Excelero NVMesh
‐ NVMe over Fabric(RDMA[Eth/IB])による超高速IO
‐ スケールアウトブロックストレージ
‐ データ冗長(RAID10, Erasure-Coding)
○ IBM Spectrum Scale
‐ 並列ファイルシステムの実現
‐ 高速バッファ/大容量ストレージのキャッシング/階層化
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IBM Spectrum Scale (GPFS) 概要
21
ユーザー端末
ユーザー/
アプリケーション
コンピュートファームアプリケーション
▪Powered by
シングル・ネーム・スペース
SMB NFS POSIX
Transparent HDFS
ディスク テープフラッシュ非共有ディスククラスター
クラウド(オブジェクト・スト
レージ)
オブジェクト
Swift S3
共有ディスククラスター
特長①高い拡張性とパフォーマンス
特長②様々なプロトコルに対応
特長⑤拠点間連携機能
特長④データ階層化機能
特長③HDFS対応
Spectrum Scale
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NVMesh x Spectrum Scale 構成例例 : Local NVMeを活用したHyper Converged構成
22
PFS
Compute
Ethernet or InfiniBand
NVMesh(Client)
GPFSClient
RDMA NIC
NSD
NVMesh(Client)
GPFSClient
RDMA NIC
NSD
NVMesh(Client)
GPFSClient
RDMA NIC
NSD
Shared Storage(GPFS)
構成概要 ハード
○ コモディティサーバ & 汎用NVMe
○ インターコネクト Eth or IBサポート
○ RDMA対応NIC(Mellaanox)
ソフト○ Excelero NVMesh Client/Target
○ IBM Spectrum Scale
IO○ プロトコル :RDMA/RoCEv2
○ データ冗長 :RAID10/Erasure Coding(NVMesh)
○ キャッシング/階層化:Spectrum Scale
✓ ローカルNVMeをストレージHCI化
✓ リモートノード間のファイル共有をLocaliz
(ローカル=リモート性能)
✓ GPFSによる高速ローカルNVMe領域と大容
量ストレージ間のキャッシング、階層管理
※レイテンシー +5u
RDMA/RoCEv2
(read/write)
Shared Storage(GPFS)
キャッシング階層化
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23
ベンチマーク
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ローカル vs リモート
24
NVMeのローカル性能とほぼ同等のパフォーマンス
IOPS Throughput
0
100000
200000
300000
400000
500000
1 2 4 8 16 32 64 128 256
Sustained 4KB Random mixed 30% Write Tests
by Number Threads
NVMesh local
IOPS
Threads
0
500
1000
1500
2000
1 2 4 8 16 32 64 128 256
Sustained 4KB Random mixed 30% Write Tests
by Number Threads
NVMesh local
MB/s
Threads
LocalLocal
※1クライアント vs 1ターゲット(x1NVMe)の性能※HGST SN150 PCIe SSD使用
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iSCSI vs NVMesh
25
0
100000
200000
300000
400000
500000
1 2 4 8 16 32 64 128 256
Sustained 4KB Random mixed 30% Write Tests
by Number Threads
NVMesh iSCSI
IOPS
Threads
x6.4
iSCSI0
500
1000
1500
2000
1 2 4 8 16 32 64 128 256
Sustained 4KB Random mixed 30% Write Tests
by Number Threads
NVMesh iSCSI
MB/s
Threads
x6.4
iSCSI
iSCSIに比べ6.4倍の性能差
IOPS Throughput
※1クライアント vs 1ターゲット(x1NVMe)の性能※HGST SN150 PCIe SSD使用
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レイテンシー
26
94.63101.77
167.07
33.6441.09
87.48
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
local NVMesh iSCSI
Latency4K Read 4K write
fioツールのアウトプット値
ローカル≒リモート(+7usec)の低レイテンシー性能
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CPU Utilization
27
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1
24
5
489
733
977
1221
1465
1709
1953
219
7
24
41
2685
2929
317
3
34
17
3661
3905
414
9
4393
4637
4881
512
5
5369
5613
5857
610
1
CPU Utils
total cpu usage usr total cpu usage sys
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
400000
1
255
509
763
1017
1271
1525
1779
2033
2287
2541
2795
3049
3303
3557
3811
4065
4319
4573
4827
5081
5335
5589
5843
6097
割り込み、コンテキストスイッチ
iSCSIの負荷基準
CPU使用率ほぼゼロ%、割り込み負荷極少
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28
スケーラビリティテスト
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検証機器
29
ネットワーク
✓ 25/100GE対応 低レイテンシー/ノンブロッキングスイッチ✓ 6.4Tbpsのフルワイヤーレート✓ スマートバッファ搭載(動的バッファリング)✓ RDMA(RoCE)対応アダプタ
NVMeストレージ
✓ HGST社製 Ultrastar Serv24✓ 2U / x24 NVMe SSD搭載✓ 最大容量 184TB
NVMeofソフトウェア
✓ NVMe over Fabric対応スケールアウトブロックストレージソフトウェア✓ 高可用性、データ冗長対応✓ RDDA機能による超低遅延性
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検証環境
30
100GbE
25GbE
NVMesh
Target
NVMesh
Client
NVMesh
Client
NVMesh
Client
NVMesh
Client
NVMesh
Management
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オーバヘッドなしでリニアに性能UP
31
0
200,000
400,000
600,000
800,000
1,000,000
1,200,000
1,400,000
1 2 3 4 5
RAID0 #Stripe
0
50,000
100,000
150,000
200,000
250,000
300,000
1 2 3 4 5
RAID0 #Stripe
0
50,000
100,000
150,000
200,000
250,000
300,000
350,000
400,000
1 2 3 4 5
RAID0 #Stripe
0
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
7,000
1 2 3 4 5
RAID0 #Stripe
IOPS
4k Rand ReadIOPS
4k Rand Write
IOPS
4k mix (30%write)
Throughput(MB/s)
256k Seq Read
Sandisk Skyhawk NVMe
Seq Read(128KB) : 1500MB/s
Seq Write(128KB) : 1170MB/s
Rand Read(4KB) : 250k IOPS
Rand Write(4KB) : 47k IOPS
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最大パフォーマンス性能※今回の構成における、RAID0 24ストライプ時
32
0
200,000
400,000
600,000
800,000
1,000,000
1,200,000
1,400,000
1 2 3 4 5
RAID0 #Stripe
0
50,000
100,000
150,000
200,000
250,000
300,000
1 2 3 4 5
RAID0 #Stripe
0
50,000
100,000
150,000
200,000
250,000
300,000
350,000
400,000
1 2 3 4 5
RAID0 #Stripe
0
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
7,000
1 2 3 4 5
RAID0 #Stripe
IOPS
4k Rand ReadIOPS
4k Rand Write
IOPS
4k mix (30%write)
Throughput(MB/s)
256k Seq Read
1.6M IOPSRAID0 #24stripe
1.1M IOPSRAID0 #24stripe
1.5M IOPSRAID0 #24stripe
11GB/s = 88GbpsRAID0 #24stripe
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まとめ
33
性能・スケーラビリティ・可用性を兼ね揃えたNVMeファブリックストレージソフトウェアは既にReady!!
HPCアプリケーションを高速化
✓ スケールアウト高速NVMeファブリックを実現✓ 高速な並列ファイルシステム