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Tcl/Tk的創(chuàng)始人、美國工程院院士、ACM Fellow John Ousterhout目前在斯坦福大學任教，他近年來的主要研究項目是RAMCloud——內(nèi)存云。顧名思義，RAMCloud就是這樣一種新型數(shù)據(jù)中心存儲系統(tǒng)，它是由成千上萬臺普通服務(wù)器的主存所組成的大規(guī)模系統(tǒng)，任何時候，所有信息都存儲在這些快速的DRAM（動態(tài)隨機訪問存儲器，即俗稱的內(nèi)存）中，內(nèi)存取代了傳統(tǒng)系統(tǒng)中的硬盤，硬盤只作為備份使用。

內(nèi)存云由此能同時實現(xiàn)大規(guī)模 (100～1000 TB) 和低延遲（同一數(shù)據(jù)中心應(yīng)用程序訪問少量內(nèi)存云數(shù)據(jù)只需5～10ms，比目前系統(tǒng)快100～1000倍）。內(nèi)存云不僅會簡化大型Web應(yīng)用的開發(fā)，而且，將催生新的數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用。

最新出版的《ACM通信》（Communications of ACM）2011年8月刊發(fā)表了Ousterhout與他的團隊合作撰寫的論文“The Case for RAMCloud”

在過去四十年，磁盤已經(jīng)成為計算機系統(tǒng)網(wǎng)上信息的主要存儲位置。

在此期間，磁盤技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了顯著改善，由更高級別的存儲系統(tǒng)（如文件系統(tǒng)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫）利用。但是磁盤性能卻并沒有像磁盤容量那樣有所改變。一個不容忽視的現(xiàn)實擺在了面前——技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)基于磁盤的系統(tǒng)越來越難以形成規(guī)模以滿足大型Web應(yīng)用程序的需要。

許多計算機科學家們提出了新的基于磁盤存儲的解決方案，以及其他建議更換磁碟與快閃記憶體裝置。相比之下，我們說的解決方案是基本想法就是將在線數(shù)據(jù)從磁盤遷移到DRAM上，從而在磁盤之上創(chuàng)建一種新式存儲。

這時，一個被稱為“RAMCloud”新的存儲方式將為未來許多應(yīng)用提供新的存儲架構(gòu)。

什么是RAMCloud？

RAMCloud架構(gòu)的原理在于將存儲所有商業(yè)服務(wù)器的信息在主存儲器上，并使用數(shù)百上千的服務(wù)器創(chuàng)建大型存儲系統(tǒng)。據(jù)稱，存儲在RAMCloud上的數(shù)據(jù)的延遲要比存儲在基于硬盤的系統(tǒng)上低100-1000倍，而吞吐量則會高100-1000倍。

雖然個體存儲容易改變，但RAMCloud可以利用復(fù)制和備份技術(shù)以保障數(shù)據(jù)的耐久性和可用性，就像傳統(tǒng)基于磁盤的系統(tǒng)那樣。

RAMCloud可提供低延遲和大規(guī)模，并將從以下三點改變存儲行業(yè)的現(xiàn)狀。首先，RAMCloud會消除開發(fā)大規(guī)模Web應(yīng)用所面臨的可擴展性問題。其次將啟用新的應(yīng)用類，比當今深入100-1000倍操作數(shù)據(jù)將成為可能；RAMCloud集群可以支持單個的代謝那個程序或許多較小的應(yīng)用程序，并可在小型應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮蛻?yīng)用的開發(fā)時保證沒有額外的復(fù)雜性。

RAMCloud的架構(gòu)原理

1、在RAMCloud架構(gòu)中，大量服務(wù)器組成的數(shù)據(jù)中心可分為兩類：應(yīng)用服務(wù)器，實現(xiàn)應(yīng)用程序的邏輯（如生成Web網(wǎng)頁和執(zhí)行業(yè)務(wù)規(guī)則）和存儲服務(wù)器，提供較長的共享應(yīng)用服務(wù)器存儲。

2、RAMCloud代表系統(tǒng)存儲組織服務(wù)器的一種新方式，有兩個關(guān)鍵的區(qū)別區(qū)分RAMCloud和傳統(tǒng)存儲系統(tǒng)。首先，所有信息在任何時候都保存在RAMCloud；其次，RAMCloud必須建立在一定規(guī)模（數(shù)以千計）存儲服務(wù)器上。對于應(yīng)用程序，獨立于存儲服務(wù)器的單一存儲系統(tǒng)的實際數(shù)量是可見的。

3、RAMCloud存儲的信息必須為持久的，就像存儲在磁盤上那樣。一個單一的存儲服務(wù)器出現(xiàn)故障后絕不會造成數(shù)據(jù)丟失或哪怕幾秒的數(shù)據(jù)不可用的狀況。實現(xiàn)耐用久性和可用性的技術(shù)的將會在本文后邊討論。

4、保存在DRAM上的所有數(shù)據(jù)都允許保存在RAMCloud，并且比當今給予高性能磁盤存儲系統(tǒng)的實際性能要高100到1000倍。

5、在同一個數(shù)據(jù)中心中通過在應(yīng)用服務(wù)器上運行的一個進程通過網(wǎng)絡(luò)讀取幾百字節(jié)的數(shù)據(jù)的訪問延遲有可能降低到5μs–10μs。相比之下，今天的系統(tǒng)通常需要0.5ms到10ms，這取決于數(shù)據(jù)是否存在于服務(wù)器內(nèi)存的緩存上，或必須從磁盤中讀取。

6、一臺多核的存儲服務(wù)器應(yīng)該至少能在每秒相應(yīng)100萬的網(wǎng)絡(luò)請求。根據(jù)配置和緩存的內(nèi)容，一個基于磁盤的系統(tǒng)的類似機器（運行多個磁盤和一個存儲緩存的主內(nèi)存）每秒可相應(yīng)1000至10000的網(wǎng)絡(luò)請求。

案例分享

目前一個可行的RAMCloud配置，每臺服務(wù)器配置24GB的DRAM，這是高性價比的配置。擴展內(nèi)存會導(dǎo)致成本的急劇增加。2000服務(wù)器會配備48TB的存儲空間，平均每GB成本65美元。據(jù)預(yù)測，到2020年，隨著DRAM技術(shù)的不斷完善，激勵1PB-10PB配置的RAMCloud時每 GB成本僅需6美元。

RAMCloud已經(jīng)在實際中有所應(yīng)用。例如一個大型的網(wǎng)絡(luò)零售商或航空公司使用RAMCloud的花費在幾十萬美元。截止2009年8月Facebook所有非圖像數(shù)據(jù)大約有260TB。這可能接近了當今RAMCloud實用的上限。

像電視頻、照片、歌曲等數(shù)據(jù)還沒有大規(guī)模應(yīng)用RAMCloud，然而RAMCloud實際已經(jīng)可以用在所有在線的數(shù)據(jù)。隨著DRAM技術(shù)的不斷改進，RAMCloud在未來會更具吸引力。

RAMCloud的存在價值

首先，RAMCloud可以是一個數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的新架構(gòu)，傳統(tǒng)的架構(gòu)是應(yīng)用程序連同代碼和數(shù)據(jù)被加載到一臺服務(wù)器的主存儲中，瓶頸也是顯而易見的，各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)操作，應(yīng)用程序的大小，機器的處理能力都是瓶頸。

而在過去的10年中，一種服務(wù)于數(shù)百萬用戶的大型WEB應(yīng)用架構(gòu)出現(xiàn)了。其主要將應(yīng)用程序代碼和數(shù)據(jù)存放于同一個數(shù)據(jù)中心中的不同服務(wù)器中。應(yīng)用服務(wù)器只存儲當前請求和處理瀏覽器的需求，而這種架構(gòu)允許應(yīng)用程序擴展到成千上萬的應(yīng)用服務(wù)器和存儲。

但是不幸的是，在大型架構(gòu)圖中，當服務(wù)器增加了4-5個數(shù)量級后，應(yīng)用程序的復(fù)雜性，數(shù)據(jù)的訪問延遲都成了問題。比如當Facebook收到一個 HTTP請求訪問網(wǎng)頁時，應(yīng)用服務(wù)器必須發(fā)出130個以上的數(shù)據(jù)以生成HTML頁面，這當中有指令請求的順序，而這些請求指令的累積是造成給用戶整體響應(yīng)時間延遲的因素之一，所以需要相當大的開發(fā)量，以盡量減少對服務(wù)器請求的代碼大小和數(shù)量。

Mapreduce是最近幾年興起的一個新的技術(shù)，目的在于提高數(shù)據(jù)接入速度，消除了延遲問題，現(xiàn)在它解決了大規(guī)模的問題，但是如果是連續(xù)的數(shù)據(jù)訪問，將使得Mapreduce僅僅限于在隨機訪問數(shù)據(jù)的應(yīng)用中使用。

RAMCloud則充分結(jié)合了兩者的優(yōu)勢——規(guī)模化和低延遲：保留了Web應(yīng)用程序的可擴展性，同時降低了數(shù)據(jù)訪問延遲以接近傳統(tǒng)的應(yīng)用程序。

對現(xiàn)有應(yīng)用程序的擴展存儲

對于新的應(yīng)用，RAMCloud將使其更容易建立。因為缺乏一個可擴展的存儲系統(tǒng)，現(xiàn)在開發(fā)大型的Web應(yīng)用程序是困難的。

過去所有的Web應(yīng)用程序都使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲，但隨著數(shù)據(jù)規(guī)模的擴大，一個單一的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫已經(jīng)不能滿足他們的I/O需求。因此大家開始做系統(tǒng)升級，引進新的技術(shù)來擴展自己的存儲系統(tǒng)（比如多個數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)分區(qū)）。

比如，盡管Facebook在2009年的時候就有4000個MySQL服務(wù)器，但由于大量交互式數(shù)據(jù)的調(diào)用，現(xiàn)有的存儲系統(tǒng)依舊不能滿足它的 I/O需求，所以Facebook用了2000個Memcached用作分布式內(nèi)存對象緩存服務(wù)器——將一些鍵值存儲于主內(nèi)存中，但其瓶頸在于，需要處理 Memcached和MySQL服務(wù)器之間的一致性，需要對應(yīng)用軟件進行管理（比如刷新緩存值以更新數(shù)據(jù)庫），這無疑增加了應(yīng)用的復(fù)雜性。

因此，NoSQL開始出現(xiàn)，用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫以鍵值對存儲，它的結(jié)構(gòu)不固定，每一個元組可以有不一樣的字段，每個元組可以根據(jù)需要增加一些自己的鍵值對，這樣就不會局限于固定的結(jié)構(gòu)，可以減少一些時間和空間的開銷，但是他們瓶頸依然是磁盤速度。

RAMCloud的原理之一是提供一個通用的存儲系統(tǒng)，其規(guī)模遠遠超出現(xiàn)有的系統(tǒng)，應(yīng)用程序開發(fā)人員不需要采取特殊的方式（如NoSQL系統(tǒng)）。理想的狀態(tài)是，RAMCloud提供一個簡單的模型，易用、并且有擴展性，并對應(yīng)用程序的城戰(zhàn)不需要做架構(gòu)上的改變。

技術(shù)的發(fā)展趨勢 

RAMCloud的發(fā)展動力是來自磁盤技術(shù)的演進。 磁盤容量從80年代以來增長了超過10000倍，未來還將繼續(xù)增加（表3），不幸的是，磁盤上的信息訪問速度卻停止不前，顯著的提高方式是通過減少尋道時間和旋轉(zhuǎn)延遲，但僅僅提高了50倍，和容量的增加實在無法成正比。

硬盤技術(shù)不平衡發(fā)展的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)必須保存在內(nèi)存中不停訪問。如果按照容量/帶寬的比例來計算，如果磁盤是用作填補特定大小的塊，那么每塊多久可以訪問？隨機訪問又如何呢？一個可行的辦法是降低磁盤的利用率，如果只有一半的磁盤能夠使用，那么訪問速度理論上可以提高一倍。有數(shù)據(jù)顯示，到2009 年末時，F(xiàn)acebook真正可以利用的磁盤容量只有10％，顯然，這個成本有點太高，從經(jīng)濟性和節(jié)能性來說，絕對不是一個好的架構(gòu)。

緩存

對軟件工程師而言，如果大多數(shù)訪問只是磁盤一個小塊，可以實現(xiàn)高性能保持在DRAM訪問最頻繁的塊之上，在理想的狀態(tài)下，使用緩存系統(tǒng)能夠提供類似 DRAM的性能+磁盤的成本。但是DRAM和磁盤之間的訪問時間存在著1000倍的差距，這也意味著高速緩存必須要有非常低的損失率，以避免性能上的損失。

SSD

目前來看，可選擇的SSD有兩種：基于DRAM的設(shè)備和基于閃存的設(shè)備。

基于DRAM存儲設(shè)備比基于閃存的存儲設(shè)備速度更快，但成本也要高得多。

比如，2TB大小基于閃存的存儲設(shè)備成本大約為18萬美元；相比之下，存儲容量相同但基于DRAM的存儲設(shè)備成本高達約100萬美元。基于DRAM 的驅(qū)動器讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)的時間只要0.015毫秒，工作狀態(tài)下隨機速度達到了每秒可以處理40萬次I/O。這種驅(qū)動器最適合以寫操作為主的軟件以及使用高性能數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的公司。

基于閃存的存儲驅(qū)動器讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)的時間為0.2毫秒，工作狀態(tài)下最高讀取速度為每秒10萬次I/O，最高寫入速度為每秒2.5萬次I/O。這項技術(shù)也更適合以讀操作為主的應(yīng)用。

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