Apache Cassandra™ 是一个 NoSQL 数据库，用于在全球范围内存储大量数据。1我的团队最近用美光 6500 ION 测试了 Cassandra，将其性能与竞争对手的 QLC（四层单元）驱动器进行比较，您可以在我们最近发布的技术简报中找到这些结果。
在测试 Cassandra 时，我们使用基于 eBPF2 的 Linux NVMe 跟踪工具，深入了解工作负载到达磁盘时的输入/输出（IO）模式。我们发现了一些有趣的洞察信息。
平均绩效
使用基准测试工具测试应用程序时，结果通常会在测试期间作为平均关键绩效指标（KPI）共享。虽然这在提供系统扩展和性能的广泛视图方面很有价值，但这并不能完全说明问题。以下是我们结果的一个示例：该结果展示了在一系列测试中，随着 YCSB 线程数的增加，性能有了显著提升，服务质量（QoS）延迟3显著降低。数据点表示在 8、16、32、64 和 128 个 YCSB 线程下进行的四次 20 分钟测试运行的平均性能。
然而，当我们使用 iostat 等标准 Linux 工具来查看平均磁盘吞吐量时，性能似乎很低。
在 32 个 YCSB 线程下，美光 6500 ION 的测试平均读取速度为 357 MB/秒，写入速度为 136 MB/秒。NVMe 固态硬盘肯定要比这快吗？ 到底发生了什么？
到底发生了什么？ 在 32 个线程下，YCSB 执行 50% 读取/50% 更新的工作负载。
从工作负载跟踪中，我们捕获了存储设备活动的摘要，这提供了 20 分钟运行时间内存储密集型工作负载的情况：
Cassandra，YCSB 执行 50% 读取/50% 更新 |
6500 ION |
100% 4 KB |
|
读取的 GB 总数 |
680 GB |
写入块大小 |
74% 508 KB-512 KB |
写入的 GB 总数 |
255 GB |
丢弃块大小 |
80% > 2 GB |
丢弃的 GB 总数 |
69 GB |
按 IO 计数计算的读取百分比 |
99.6% |
按体积计算的读取百分比 |
68% |
按 IO 计数计算的写入百分比 |
0.4 |
按体积计算的写入百分比 |
25% |
按 IO 计数计算的丢弃百分比 |
0% |
按体积计算的丢弃百分比 |
7% |
块大小
工作负载的 IO 大小（块大小）将对其性能产生巨大影响。在这里，我们看到 100% 的 4 KB 读取操作，以及大部分 508 KB 和 512 KB 写入操作，其中穿插着许多较小的写入操作。
吞吐量
从时间序列数据来看，我们看到读取速度最大为 518 MB/秒，平均值为 357 MB/秒，这表明读取速度稳定。平均吞吐量为 91,000 次每秒读写操作次数（IOP），这对于 NVMe 驱动器来说很容易吸收。
写入速度很有趣，因为我们看到峰值高达 5.6GB/秒，接近 6500 ION 的最大顺序性能。Cassandra 的写入工作负载是突发式的。主要原因是 memtable flush 命令将内存中的更新卸载到磁盘，并将尽快写入。结果是，2 GB/秒至 5.6 GB/秒的突发写入与 136 MB/秒的平均吞吐量之间存在巨大差异。
延迟
在查看延迟时，我们看到读取的延迟峰值约为 40 毫秒，写入的延迟峰值约为 90 毫秒。写入结果是有意义的，因为会周期性出现大量大型 IO（512 KB）写入。读取操作都是 4 KB 大小，因此发生了一些阻塞现象，导致读取延迟激增。
从固态硬盘的角度来看，这些延迟可能令人担忧，因此我们分析了固件中的 OCP 延迟监控日志，以确定这些延迟是系统级别的。在执行 memtable flush 命令期间，队列会快速填充，并且系统会不断堆积。但是，在此工作负载期间，固态硬盘未报告延迟异常值（> 5 毫秒）。
队列深度
最后，系统观察到的队列深度有一个有趣的节奏，从 20 跳到 200，甚至有时候一些大的峰值会达到 800 队列深度。
这种行为与我们从大量大块写入中看到的延迟效应一致。memtable flush 命令向磁盘写入大量数据，导致队列深度增加。这种较高的队列深度可能会延迟部分 4 KB 读取 IO，从而导致发生系统级延迟峰值。完成 memtable flush 操作后，Cassandra 会发出丢弃命令来清除已删除的数据。
那我们学到了什么？
平均应用程序吞吐量、延迟和磁盘 IO 提供了一个很好的视图，可以比较一个固态硬盘的性能与另一个固态硬盘的性能，或者衡量主要硬件或软件变化对性能的影响。
在分析平均磁盘 IO 时，Cassandra 等一些应用程序可能看起来对存储性能不敏感，在 iostat 等工具中会看到较低的平均吞吐量。这就忽略了这样一个事实，即固态硬盘以高队列深度尽快写入大块数据的能力对 Cassandra 的性能至关重要。为了真正了解磁盘级别的工作负载，我们必须深入研究平均值。
- 有关 Apache Cassandra 的更多信息，请访问 https://cassandra.apache.org/_/index.html
- 有关 eBPF 的更多信息，请参阅 https://ebpf.io/what-is-ebpf/
- 服务质量（QoS）是描述延迟一致性的常用指标。请参阅 SNIA 词典：https://www.snia.org/education/online-dictionary/term/qos
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