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镜像加速奇偶校验

存储空间可以使用两种基本技术为数据提供容错：镜像和奇偶校验。 在存储空间直通中，ReFS 引入了镜像加速奇偶校验，允许创建同时使用镜像和奇偶校验弹性的卷。 镜像加速奇偶校验在不牺牲性能的情况下提供了低廉、高空间效率的存储。

展示了镜像加速奇偶校验卷的示意图。

背景

镜像和奇偶校验复原方案具有完全不同的存储和性能特征：

  • 镜像复原使用户可以获得快速写入性能，但是复制每个副本的数据并不能节省空间。
  • 另一方面，奇偶校验必须为每次写入重新计算奇偶校验，这会影响随机写入性能。 然而，奇偶校验确实允许用户以更高的空间效率存储数据。 有关详细信息，请参阅存储空间容错。

因此，镜像倾向于提供性能敏感的存储，而奇偶校验则提供改进的存储容量利用率。 在镜像加速奇偶校验中，ReFS 利用每种复原类型的优势，通过在单个卷中组合两种复原方案，提供容量高效和性能敏感的存储。

镜像加速奇偶校验的数据旋转

ReFS 在镜像和奇偶校验之间实时主动旋转数据。 这允许将传入的写入快速写入镜像，然后旋转到奇偶校验，以便高效存储。 这样一来，传入 IO 可以在镜像中快速得到服务，而原始数据则可以高效地存储在奇偶校验中，从而在同一卷中提供最佳性能和成本损失存储。

为了在镜像和奇偶校验之间旋转数据，ReFS 以逻辑方式将卷划分为 64MiB 的区域，它们是旋转的单位。 下图描绘了已划分为多个区域的镜像加速奇偶校验卷。

展示了具有存储容器的镜像加速奇偶校验卷的示意图。

镜像层达到指定的容量级别，ReFS 就开始将整个区域从镜像旋转到奇偶校验。 ReFS 不是立即将数据从镜像移动到奇偶校验，而是等待并尽可能长时间地将数据保留在镜像中，从而使 ReFS 能够持续为数据提供最佳性能（请参阅下面的“IO 性能”）。

当数据从镜像移动到奇偶校验时，会读取数据、计算奇偶校验编码，然后将该数据写入奇偶校验。 下面的动画使用三向镜像区域对此进行了说明，该区域在旋转过程中转换为擦除编码区域：

显示了镜像加速奇偶校验旋转的动画。

镜像加速奇偶校验的 IO

IO 行为

写入：ReFS 以三种不同的方式为传入写入提供服务：

  1. 写入镜像：

    • 1a. 如果传入写入修改了镜像中的现有数据，ReFS 将就地修改数据。
    • 1b. 如果传入写入是新的写入，并且 ReFS 能够成功地在镜像中找到足够的可用空间来为此写入提供服务，则 ReFS 将写入镜像。 屏幕截图显示了 ReFS 服务如何向镜像进行写入。

  2. 写入镜像，从奇偶校验重新分配：

    如果传入写入修改奇偶校验中的数据，并且 ReFS 可以在镜像中成功找到足够多的可用空间，以供传入写入使用，则 ReFS 将首先使奇偶校验中的以前数据失效，然后再写入镜像。 此无效是快速而低廉的元数据操作，有助于显著提高奇偶校验的写入性能。 屏幕截图显示了 ReFS 服务如何向通过奇偶校验重新分配的镜像进行写入。

  3. 写入奇偶校验：

    如果 ReFS 无法在镜像中成功找到足够的可用空间，ReFS 将向奇偶校验写入新数据或直接修改奇偶校验中的现有数据。 下面的“性能优化”部分提供了指南，有助于最小化奇偶校验的写入。 屏幕截图显示了 ReFS 服务如何向奇偶校验卷进行写入。

读取：ReFS 将直接从包含相关数据的层中读取。 如果奇偶校验是用 HDD 构建的，存储空间直通中的缓存将缓存此数据，以加速未来读取。

备注

读取永远不会导致 ReFS 将数据旋转回镜像层。

IO 性能

写入：上方描述的每种类型的写入都有自己的性能特征。 大体来说，写入镜像层比重新分配的写入快得多，而重新分配的写入比直接写入奇偶校验层也要快得多。 下面的不等式说明了这种关系：

  • 镜像层 > 重新分配的写入 >> 奇偶校验层

读取：从奇偶校验读取时不会对性能产生实际负面影响：

  • 如果镜像和奇偶校验是用相同媒体类型构建的，则读取性能将相当。
  • 如果镜像和奇偶校验是用不同媒体类型构建的—镜像 SSD、奇偶校验 HDD—存储空间直通中的缓存将有助于缓存热数据，以加快从奇偶校验读取的速度。

ReFS 压缩

Windows Server 2019 及更高版本中提供了适用于 ReFS 的压缩功能，这大大提高了超过 90% 空间已满的镜像加速奇偶校验卷的性能。

背景：以前，当镜像加速奇偶校验卷已满时，这些卷的性能可能会降低。 由于整个卷中的热数据和原始数据会随着时间的推移而混合，因此性能会下降。 这表示可以存储在镜像中的热数据会减少，因为原始数据占用了镜像中可由被热数据使用的空间。 将热数据存储在镜像中对于保持高性能至关重要，因为直接写入镜像比重新分配的写入快得多，且比直接写入奇偶校验快几个数量级。 因此，镜像中有原始数据对性能不利，因为它降低了 ReFS 直接写入镜像的可能性。

ReFS 压缩通过为热数据释放镜像空间来解决这些性能问题。 压缩首先将镜像和奇偶校验中的所有数据合并为奇偶校验。 这减少了卷内的碎片，并增加了镜像中的可寻址空间量。 更重要的是，此过程使 ReFS 能够将热数据合并回镜像：

  • 当新写入传入时，将在镜像中提供这些写入。 因此，新写入的热数据驻留在镜像中。
  • 当对奇偶校验中的数据进行修改写入时，ReFS 进行重新分配的写入，因此还将在镜像中提供此写入。 因此，在压缩过程中移动到奇偶校验的热数据将重新分配回镜像。

性能优化

重要

建议将写入密集型 VHD 放置在不同的子目录中。 这是因为 ReFS 在目录及其文件级别写入元数据更改。 因此，如果你将写入密集型文件分布到各个目录中，元数据操作会更小，并且会并行运行，从而降低了应用的延迟。

性能计数器

ReFS 维护性能计数器，以帮助评估镜像加速奇偶校验的性能。

  • 如上面的“写入奇偶校验”部分所述，ReFS 将在镜像中找不到可用空间时直接写入奇偶校验。 通常，当镜像层的填充速度快于 ReFS 将数据旋转为奇偶校验时，就会发生这种情况。 换句话说，ReFS 的旋转无法跟上引入速率。 以下性能计数器标识 ReFS 直接写入奇偶校验的时间：

    # Windows Server 2016
ReFS\Data allocations slow tier/sec
ReFS\Metadata allocations slow tier/sec

# Windows Server 2019
ReFS\Allocation of Data Clusters on Slow Tier/sec
ReFS\Allocation of Metadata Clusters on Slow Tier/sec

  • 如果这些计数器为非零，则表示 ReFS 将数据旋转出镜像的速度不够快。 为了帮助缓解这种情况，可以改变旋转主动性或增加镜像层的大小。

旋转主动性

镜像达到指定容量阈值后，ReFS 就开始旋转数据。

  • 此旋转阈值的值越高，ReFS 在镜像层中保留数据的时间就越长。 将热数据留在镜像层对性能来说是最佳的，但 ReFS 将无法有效地提供大量传入 IO。
  • 较低的值使 ReFS 能够主动取消暂存数据并更好地引入 IO。 这适用于引入繁重的工作负载，例如存档存储。 但是，较低的值可能会降低常规用途工作负载的性能。 在不必要的情况下，将数据旋出镜像层会对性能产生负面影响。

ReFS 引入了可调参数以调整此阈值，其可使用注册表项进行配置。 必须在存储空间直通部署中的每个节点上配置此注册表项，并且需要重新启动才能使任何更改生效。

  • 注册表项： HKEY_LOCAL_MACHINE\System\CurrentControlSet\Policies
  • ValueName (DWORD): DataDestageSsdFillRatioThreshold
  • ValueType: 百分比

如果未设置此注册表项，ReFS 将使用默认值 85%。 对于大多数部署，建议使用此默认值，且不建议使用低于 50% 的值。 下面的 PowerShell 命令演示如何使用值 75% 设置此注册表项：

PowerShell 
Set-ItemProperty -Path HKLM:\SYSTEM\CurrentControlSet\Policies -Name DataDestageSsdFillRatioThreshold -Value 75

要在存储空间直通部署中的每个节点上配置此注册表项，可以使用以下 PowerShell 命令：

PowerShell 
$Nodes = 'S2D-01', 'S2D-02', 'S2D-03', 'S2D-04'
Invoke-Command $Nodes {Set-ItemProperty -Path HKLM:\SYSTEM\CurrentControlSet\Policies -Name DataDestageSsdFillRatioThreshold -Value 75}

增加镜像层的大小

增加镜像层的大小可使 ReFS 在镜像中保留工作集的较大部分。 这提高了 ReFS 可以直接写入镜像的可能性，这将有助于实现更好的性能。 以下 PowerShell cmdlet 演示如何增加镜像层的大小：

PowerShell 
Resize-StorageTier -FriendlyName "Performance" -Size 20GB
Resize-StorageTier -InputObject (Get-StorageTier -FriendlyName "Performance") -Size 20GB

提示

请确保在重设 StorageTier 的大小后重设分区和卷的大小。 有关详细信息和示例，请参阅 扩展基本卷。

创建镜像加速奇偶校验卷

下面的 PowerShell cmdlet 可创建镜像：奇偶校验比为 20:80 的镜像加速奇偶校验卷，这是推荐用于大多数工作负载的配置。 有关更多信息和示例，请参阅在存储空间直通中创建卷。

PowerShell 
New-Volume -FriendlyName "TestVolume" -FileSystem CSVFS_ReFS -StoragePoolFriendlyName "StoragePoolName" -StorageTierFriendlyNames Performance, Capacity -StorageTierSizes 200GB, 800GB

其他参考