数据库危机
在企业和政府的数据库应用中，数据库本身容量非常大，动辄几百G乃至上T。随着各种业务的开展，数据库容量还会持续增大。随着数据库容量的增大，其对应的索引速度会相应变慢。在数据库应用中，用户要求延迟应该尽量小。查找索引的速度很大程度上决定了用户感受。此外，在数据库中经常访问的数据只占总容量的一小部分。
破解危机：SmartCache技术
随着SSD技术的发展，SSD在存储领域使用的范围越来越广。又由于对于SSD而言，单位GB的成本要比传统机械硬盘高很多，因此目前业界的存储阵列使用SSD主要有两种方式，作为分级存储介质和SSD Cache。
华为赛门铁克SSD Cache方案叫做SmartCache。把阵列中的一个或多个SSD硬盘组成SmartCache缓存池，通过将阵列中其他传统机械硬盘中的热点数据周期性的拷贝到SmartCache中，使主机在访问热点数据时，直接从SmartCache中读取，利用SSD硬盘的读性能优势，极大的提升阵列系统的整体读性能。
图1 SmartCache实现原理
智能SmartCache实现原理
——按照块的方式对SSD硬盘进行划分，为每一个块进行编号，块的大小默认为1MB。
——主机从机械硬盘中读取数据时，系统会实时对开启SmartCache功能LUN中的数据块访问频率进行统计。
——每隔半小时系统会对开启SmartCache功能的LUN中的数据块按照访问频率进行排序。
——系统根据该排序结果将访问频率最高的数据拷贝至SmartCache池中，若SmartCache池中没有空闲缓存块，则将SmartCache池中变冷的数据块淘汰以获取缓存块资源。
——主机读IO时，若全命中SmartCache池中的缓存块，则从SmartCache池中读取。
——读IO没有全命中SmartCache中的缓存块时，则从机械硬盘中读取。
——机械硬盘中的数据更新时，SmartCache池中对缓存块同步进行更新。
SmartCache五大技术优势
——高性能：针对Web Server应用随机读性能提升接近5倍，针对File Server应用随机读性能提升接近2倍。
——高可靠性：所有数据都保存在传统磁盘中，由RAID保证数据的安全可靠，SSD中的数据仅仅是一个副本。
——高可用性：多盘组成SmartCache池时，除非所有成员盘全部失效，否则不影响功能的实现。
——高可扩展性：支持SSD盘片在线添加。
——低功耗：SmartCache池利用SSD和传统磁盘组成混合阵列降低系统整体功耗。
数据库IO特性
根据SSD本身的性能特性，SmartCache适用于读多写少有热点的随机小IO场景。因此，在使用SmartCache之前，了解IO特性和负载情况非常重要。对关系数据库而言，索引数据是访问最为频繁的，因此当数据库很大时，索引速度的快慢决定了访问数据库的延迟。
为了更直观的体现数据库IO特性，在实验环境中，将数据库关系表存放在400G的LUN中，使用测试工具模拟数据库应用，以每G为单位统计主机访问数据库时的访问数据。如下图所示，经常访问的数据量只占到整个数据库空间的一小部分，大部分数据库空间的访问量很小或者几乎没有访问。在客户真实环境中，数据库中只有10%的数据被经常访问。相比在实验室模拟的数据库IO特性，客户真实环境中的数据具备更加明显的热点。
图2 Oracle访问400G LUN的IO分布
1SmartCache技术提升数据库应用性能
下面以具有OLTP特性的数据库为例进行测试，说明数据库应用SmartCache后获得了明显的性能提升。OLTP（On-Line Transaction Processing）联机事务处理系统，也称为面向交易的处理系统，其基本特征是顾客的原始数据可以立即传送到计算机中心进行处理，并在很短的时间内给出处理结果。这样做的最大优点是可以及时的处理输入的数据，及时地回答。也称为实时系统（Real time System）。典型的OLTP系统应用有电子商务系统，银行，证券等，如ebay的业务数据库。OLTP以小的事务及小的查询为主，评估其系统性能时的几个重要性能指标是实时响应时间（Response Time）、每分钟事物处理数（TPM，Transaction Per Minute）和每秒IO数（IOPS，I/O Per Second）。
Swingbench是Oracle UK Database Solutions group开发的一款免费的性能测试工具。Swingbench基于TPC-C标准对OTLP业务场景模式进行性能测试，能够方便的调整Swingbench配置文件中OLTP各项业务所在比例，使得模拟的业务场景中读写IO比例大概维持在所需要的比例8：2。
测试组网
测试组网如图3所示：
图3 测试组网图
本文中所使用的环境配置如下表：
表1 SmartCache对数据库性能提升实验环境配置
测试结果
在打开SmartCache功能稳定运行14小时后，测试结果如图4、图5、图6所示：以图4的IOPS测试结果为例：图中的虚线为SmartCache功能关闭与开启的分界线。在SmartCache功能未开启时，IOPS值稳定在2000左右；在测试时间的第三个小时开启SmartCache功能，系统经过一段时间的热点统计后，开始逐步将热点数据拷贝至SmartCache池中，此时IOPS值呈上升状态；当全部热点数据均缓存至SmartCache池后，上层应用下发的IO大部分命中SmartCache池中，此时IOPS稳定在8000以上。在开启SmartCache功能后数据库系统性能较原系统有了较明显的提升，IOPS为原系统的5.64倍，TPM为原系统的6.43倍，RT下降为原系统的27%。
图4测试结果–IOPS
图5 测试结果–TPM
图6 测试结果–Response Time
SmartCache技术，有效解决性能问题
华赛SmartCache技术利用系统中的高性能SSD，缓存应用中的热点数据，从而对热点数据的访问进行加速，特别是对于那些随机小IO业务，加速效果明显。通过对具有OLTP特性的数据库应用场景进行测试发现， SmartCache能很好的解决大型数据库目前碰到的性能问题。
u通过把热点数据缓存到SmartCache池中，大大提升了系统的整体读性能。数据库索引数据的访问频率高于普通数据，通过SmartCache的热点识别和热点拷贝，索引数据会逐步缓存到SSD中，后续用户对于索引数据的访问将直接从高性能的SSD中获取，降低了访问索引数据的时间，从而更好的符合了用户的感受。
u所有数据都保存在使用了冗余技术的传统磁盘中，SmartCache池的SSD中保存的仅仅是热点数据的副本，很好的保证了数据库中数据的安全性，同时由于数据库应用的大量随机小IO访问都在SmartCache池中命中，减少了传统磁盘磁头频繁摆动的次数，增长传统磁盘的寿命。
u通过利用少数的几块SSD就可以达到需要部署大规模传统磁盘阵列才能达到的性能，降低了系统整体的TCO，同时也降低了功耗，与当前业界倡导的绿色存储相符合。
