浅析I/O处理过程与存储性能的关系

“性能”这个词可以说伴随着整个IT行业的发展，每次新的技术出现，从硬件到软件大多数情况下都围绕着性能提升而展开。“摩尔定理”指出CPU的处理速度每18个月会翻一番，但是进入21世纪的第二个十年来，似乎它的速度慢了下来。但是IT行业的各个行业领导者们，还是不断在计算机的性能寻求突破，继续挑战物理极限。细看存储行业，每款新的存储产品的推出，也围绕着如何更快、更好的服务前端服务器的I/O请求为中心。本文从I/O（Block）的流向介绍，试图解读整个I/O流与存储性能之间的些许联系。本文作为一篇存储基础的介绍文章，帮助读者了解看似简单的数据读写中的更多细节。

存储I/O流与存储性能:

存储I/O（后文简称I/O）的处理过程就是计算机在存储器上读取数据和写入数据的过程。这种存储器可以是非持久性存储（RAM），也可以是类似硬盘的持久性存储。一个完整的I/O可以理解为一个数据单元完成从发起端到接收端的双向的过程。在企业级的存储环境中，在这个过程会经过多个节点，而每个节点中都会使用不同的数据传输协议。一个完整的I/O在每个不同节点间的传输，可能会被拆分成多个I/O，然后从一个节点传输到另外一个节点，最后再经历相同的过程返回源端。

下图演示了一个文件在经过整个I/O路径中每个节点所进行的变化（以EMC Symmetrix存储阵列为例）：

整个I/O流经历一下几个节点：

File System – 文件系统会根据文件与Block的映射关系，通过File System Manager将文件划分为多个Block，请求发送给HBA。

HBA – HBA执行对这一系列的更小的工作单元进行操作，将这部分I/O转换为Fibre Channel协议，包装成不超过2KB的Frame传输到下一个连接节点FC Switch。

FC Switch – FC Switch会通过FC Fabric网络将这些Frame发送到存储系统的前端口（Front Adapter）。

Storage FA – 存储前端口会将这些FC 的Frame重新封装成和HBA初始发送I/O一致，然后FA会将数据传输到阵列缓存（Storage Array Cache）

Storage Array Cache – 阵列缓存处理I/O通常有两种情况：1.直接返回数据已经写入的讯号给HBA，这种叫作回写，也是大多数存储阵列处理的方式。2. 数据写入缓存然后再刷新到物理磁盘，叫做写透。I/O存放在缓存中以后，交由后端控制器（Disk Adapter）继续处理，完成后再返回数据已经写入的讯号给HBA。

Disk Adapter – 上述两种方式，最后都会将I/O最后写入到物理磁盘中。这个过程由后端Disk Adapter控制，根据后端物理磁盘的RAID级别的不同，一个I/O会变成两个或者多个实际的I/O。

根据上述的I/O流向的来看，一个完整的I/O传输，经过的会消耗时间的节点可以概括为以下几个：

CPU – RAM， 完成主机文件系统到HBA的操作。

HBA – FA，完成在光纤网络中的传输过程。

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