“万古乾坤心上辟，于令日月掌中悬。”飞天盘古分布式存储系统是飞天云操作系统的核心组件，是阿里云数据存储底座。块存储EBS、对象存储OSS、文件存储NAS、表格存储Tablestore等核心存储产品，都生长在飞天盘古之上。飞天盘古作为业界少有的统一存储平台，具有稳定、规模、普适、性能、安全的特点。
- 在稳定性方面，飞天盘古提供了多AZ的技术支持，保证服务的高可用。在数据可靠性方面，飞天盘古提供了多副本以及纠删码技术，保证数据全链路的数据可靠性。
- 在规模方面，飞天盘古从4节点起步，运行的单集群规模支持十万台。
- 在普适性方面，飞天盘古作为一个通用的平台，它既可以支持低延迟的访问，也可以支持高吞吐的应用，适用于全场景的业务场景。在硬件平台上，支持闪存、非易失性内存、磁盘等各种硬件平台。
- 在性能方面，提供微秒级I/O的访问延迟，基于飞天盘古的云盘提供100万IOPS能力。
- 在数据安全方面，飞天盘古提供了包括数据默认加密等技术能力。
经过十几年的技术演进，阿里巴巴已经实现了统一存储的目标——即以“飞天盘古”系统作为统一底座，通过标准化、服务化和开放化的方式建立了完整的存储产品和服务体系，服务广大内部和外部客户。
一、从大规模到高性能再到高效能，飞天盘古的演进史
艰难困苦，玉汝于成。飞天盘古不是一蹴而就的，而是历经了软硬件之间的不断融合与迭代发展而来的。Pangu1.0诞生于2009年，当时只有千兆万兆的网卡，它的存储介质主要是HDD。之后数年，阿里云构建了大规模的分布式存储系统，2015年时单集群规模数达到了十万台。
到2016年，随着25Gbps RDMA、NVMe SSD时代的开启，阿里云拥抱RDMA和NVMe高性能硬件，构筑了高性能的Pangu2.0分布式存储系统。随着云计算技术的不断发展，硬件的设计需要和云进行匹配，因此出现了云定义的硬件产品，而软硬件深度协同设计的Pangu New-Gen也即将面世，进一步提升存储系统效能。
总而言之，历经 15 载，如今的飞天盘古系统已迭代至第三代，数千万行代码和 1,000 余项专利，从大规模、到高性能、到高效能的分布式存储系统的演进，更高效地让数据中心成为一台计算机。
二、飞天盘古设计中遇到的各种存储开销
在整个技术演进的过程中，飞天盘古也遇到了多种技术挑战，具体可概括为：
- 面对存算分离场景，如何去除网络的开销。
- 在云原生访问存储的场景下，如何让计算更高效地访问存储，去除中间链路的开销。
- 在高性能的闪存条件下，如何发挥闪存的效能，去除软硬件的开销。
- 面对HDD这样的磁盘存储介质，如何去除软硬件的开销，发挥出磁盘的吞吐能力。
以上提到的各项“开销”，是飞天盘古演进过程中的拦路虎，而如果纵览I/O的一生，这些开销都可以看作是跨国贸易中的重重“关税”：安全隔离税、TCP网络税、内核税、接口税、传统文件系统税、垂直记录税等等。
要想有效提升飞天盘古的性能。一个行之有效的解决思路就是通过软硬协同设计，逐步去掉这些存储开销。
三、软硬协同设计，去除存储开销
1、通过VSC去除安全隔离开销，降低存储访问延迟
在存算分离的场景下，云原生容器已经成为计算任务运行的主要场景。由于云原生容器主要在VPC计算域里运行，在访问存储时，中间的物理网络是隔离的。尽管从隔离的网络里可以访问存储，但是延迟很高。
为了降低存储访问延迟，飞天盘古利用了计算端CIPU/DPU的能力，提供了基于Virtio的RPC接口，构建了通用的VSC（Virtual Storage Channel）数据访问通路，在保证安全的同时，提升了I/O访问性能。目前，VSC已在线上规模部署，支持阿里集团业务上云。
值得一提的是，采用飞天盘古VSC技术架构解决云原生场景下计算端资源占用，隔离网络高性能访问等问题的相关论文已在FAST’23会议上发表。
2、基于RDMA增强技术去除传统TCP网络开销
存储系统对网络的要求很高，高性能网络是分布式存储的基石。近年来，无论是以太网还是PCIe，其物理链路的性能都得到了飞速发展和提升。可以预见，PCIe等高速互连技术的发展，将进一步推进存算分离。
随着以太网性能的提升，传统的TCP实现成为重要的性能瓶颈点。同时，基于以太网的RoCE RDMA协议不统一，存在性能跌零等稳定性风险。为了解决这些问题，需要发展高性能网络协议，去除传统协议和实现带来的开销。
针对存储业务特征，阿里云对RDMA技术进行了增强，形成了高速存储网络，实现了高速RDMA通路与传统IO通路的混合调度、PFC风暴的实时监测与控制、规模化链接的共享与复用以及RDMA端口实时监测与流量调度。
早在2018年，阿里云就构建了当时全球最大规模RDMA存储集群。飞天盘古存储网络相关成果已在NSDI和OSDI会议上发表。
3、全用户态存储引擎解决内核开销
NAND闪存经历了SLC、MLC、TLC、QLC四代演进。闪存技术的发展，为业务提供高性能IO奠定了基础。总的来说，闪存的存储密度在持续增高，单GB性能在下降，介质的寿命在降低，为了更好地利用闪存容量和性能，需要用新的技术架构来发挥硬件的能力，去除不必要的开销，提升云存储效能。
最近几年，阿里云在闪存方面做了很多的创新工作，主要包括五个方面：用户态存储引擎、存储引擎与SSD协同设计、用异构介质的方式使能QLC介质、和行业协同推进ZNS技术标准化、在ZNS介质基础之上构建存储引擎。
针对内核开销（包括系统的上下文切换、内存拷贝、中断导致CPU效率下降、锁开销），全自研飞天盘古全用户态存储引擎选择了逐个击破：采用Bypass Kernel技术绕过Linux内核（TCP/IP协议栈）、利用零拷贝技术提升文件传输的性能、通过polling避免大量中断、无锁设计，垂直单元化设计提升效率。此外，飞天盘古还将管控与数据通路进行分离，构建了针对高性能场景的USSOS（User Space Storage Operating System）平台，实现用户态存储资源管理。通过多重技术加持，支持NVMe SSD和HDD的飞天盘古，将CPU效率提升了一倍以上。当前已在阿里云规模化使用，相关成果发表在了FAST’23会议论文《More Than Capacity: Performance-oriented Evolution of Pangu in Alibaba》中。
4、通过ZNS解决SSD接口开销，提升效能
尽管NVMe SSD已经规模应用，但依然不够完美，这体现在：稳态IOPS性能远低于空盘，SSD内部GC耗费了用户带宽；受到内部GC影响，长尾延迟大；在随机写IOPS和使用寿命方面，QLC SSD和规模使用的TLC SSD有很大的差距。
为了更好地使用NAND Flash，使其服务于数据中心存储，可以引入ZNS（Zoned NameSpace）SSD技术，将Data Placement功能上移至存储软件栈，并和存储软件栈融合，重塑软硬件的分工，从而更灵活地布局数据、提升效能。所以，ZNS对Flash而言是更友好的接口，有利于进一步挖掘NAND Flash的能力。2021年5月，ZNS协议被收入NVMe规范2.0版本中，并得到了SPDK、Linux以及各设备商的支持。
提供分布式Append-Only和随机读能力的飞天盘古，正是通过创新的存储引擎来使用ZNS。针对大规模数据中心应用，飞天盘古去除FTL映射层，让NAND Flash特性与分布式存储软件完美匹配。看似是接口变化，但本质在于Data Placement（数据布局）/ GC（垃圾回收）上移到了存储软件层。未来，阿里云将继续与业界共同推动ZNS技术标准的发展。
5、去除通用文件系统开销，100%发挥磁盘吞吐
如果以存储设备接口为标准来划分存储介质，那么存储介质可以分为两类。一类是可以进行随机读写的块设备接口的介质，包括HDD和SSD。另一类是支持Append-Only且没有块设备接口的Zoned Storage介质。Zoned Storage介质类型在数据中心有着良好的应用前景，因为它在相同的硬件基础上可以增加容量，且能够更好地控制NAND写放大系数，实现性能的优化。
当下，随着数据量的指数级增长，HDD依然是具有高性价比的存储介质，而针对HDD，飞天盘古采用了通用的用户态存储引擎，去除了Ext4元数据操作带来的开销以及通用文件系统的复杂操作。去除Ext4后，用户态存储引擎直接和上层的存储软件融合在一起，可以平衡业务对容量与吞吐的不同需求，优化数据布局， 百分之百地发挥磁盘的吞吐带宽。
6、去除垂直记录开销，获取磁盘存储密度红利
针对冷数据长期存储场景，阿里云采用了成本更低的SMR HDD 磁盘，SMR HDD 磁盘采用叠瓦式的记录方式，而常用的PMR HDD磁盘采用的是垂直记录的方式。叠瓦式的记录方式利用了磁道在读写方向上的不对称性，从而可以更好的控制磁道的间距，让存储密度达到最优。
不可否认，垂直记录和叠瓦式记录两种方式各有优劣。采用垂直记录的方式会浪费一些存储空间，产生存储垂直记录开销，但是可以对外提供随机读写的能力。采用叠瓦式的记录方式，可以提升存储密度、存储容量，却无法进行随机读写，会导致传统的存储引擎不能正常工作。
所以，飞天盘古采用了名为“SMRStore”的存储引擎使能SMR HDD，通过数据冷热分离、端到端协同设计、流量打散等技术有效地控制GC（垃圾回收），让整个盘的IOPS利用率达到最高。
经过长时间的性能对比测试，阿里云发现SMRStore + SMR吞吐带宽稳定，整体性能优于Ext4 + CMR HDD。通过SMRStore，可以将SMR扩展至热数据存储领域。相关技术成果发表在了FAST'23 会议论文《SMRstore: A Storage Engine for Cloud Object Storage on HM-SMR Drives》中。
全栈自研的飞天盘古，通过软硬协同设计，去除了I/O全栈存在的各种存储开销，提升了存储系统的效能。基于飞天盘古构建的块存储、对象存储、表格存储、文件存储、灾备、相册与网盘、云定义存储等多种存储产品，为全球客户提供了普惠、智能的存储服务。随着飞天盘古技术的不断演进，阿里云将继续引领云存储技术的发展，通过技术普惠，为客户提供稳定、安全、高性能的存储服务。
