群晖NAS非官方入门手册 篇十三：今夜来谈群晖—缓存、NAS和SSD那些事
2020-11-20 19:31:49
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创作立场声明：本文前后花了一周时间，如有疏漏或谬误，敬请在讨论区中指正。
上文我曾说过准备写一篇群晖NAS缓存方面的教程。在讨论群晖NAS的缓存特性之前，先来看一些说法，大家能识别出其中的常见谬误吗？SSD就是缓存。
增加了缓存，NAS的速度立马就会提高。
只有带M.2插槽的NAS型号才支持缓存。
不带万兆网卡的型号，加了缓存都是浪费。
群晖的缓存是为存储空间加速的，而不是对硬盘加速。
缓存是NAS独有的技术。
缓存能够降低群晖NAS读写硬盘的噪音。
缓存(Cache)浅谈
缓存的英文名为Cache，所以也有音译为快取，不能不说，这个翻译更加完美，把音和意都传达出来了。缓存是一种经典(古老)而有效的技术，它的基本思想是以空间换时间。
简单地说，就是分析系统中的瓶颈，然后把最常用的数据(此处称为较热的数据)放在速度最高的存储介质中，不常用的数据则留在速度较慢的存储介质中。当下次要访问较热的数据时，则直接从高速存储介质中存取，这样就达到了牺牲部分高速存储空间，来换取提高速度的目的。
应用广泛的缓存
在计算机、NAS系统中，机械硬盘相对于内存、处理器等属于慢速存储设备，所以每当读写硬盘时，内存和CPU实际上处于等待硬盘完成任务的停工待料状态。此时硬盘就是系统的瓶颈。
改善的办法就是为硬盘增加缓存，比如用速度远比硬盘快的内存来作为缓存，把一些经常用到的数据或应用程序放在缓存中，下次需要访问或打开时，直接从缓存中调用，避免了去访问较低速的硬盘，自然就提高了系统的整体性能。
所以操作系统都是有缓存机制的，使用的就是速度极快的内存。当内存容量宽裕，且缓存机制有效的话，能直接观察到硬盘灯闪烁次数大大降低(表示对硬盘访问减少)。可惜，由于现在的某些操作系统越来越臃肿，一般用户可能因标配内存不大等原因，不一定能明显感受到缓存的作用。
从上面的例子中，可以看出，凡是存在较大速度差异的设备之间，都有可能使用缓存来解决瓶颈。所以，硬盘不一定总是充当被缓存的低速角色，它也能够作为其他设备的缓存。例如，打印机的速度是更慢的，那么就可以用硬盘为打印机做缓存，把打印任务队列存放在硬盘上，然后处理器就可以去继续其他的运算任务。不然的话，处理器就必须等待打印机返回一个打印完成的参数后，才能继续下一步任务，整个系统的效率都会被打印机拖累。
既然缓存能提升整体效率，那是不是缓存越大越好呢？不计成本的话，当然可以这样说。可惜，凡是速度高的设备，价格也会水涨船高，比如以单位容量计算，价格从高到低：内存>SSD>机械硬盘。所以，我们总是以适当容量的缓存(成本)来得到最大的效益(性能提升)。
硬盘的工作原理
简单分析一下，由于机械硬盘是盘片高速旋转，然后磁头沿径向移动，从而达到磁头能够访问到整个盘片的所有磁道、每条磁道的所有扇区中的数据。
例如，当我们要打开一个影视文件时，系统要通过文件名在硬盘的文件分配表中找到该文件的目录项，在目录项中查到该文件数据保存在硬盘的起始簇号(根据文件的大小，可能会分布在硬盘上多个不同簇中)，然后将磁头移动到该簇的第一个扇区，来连续读取其中的数据；若文件大小超过了该簇的容量(即，一个文件必须有多个簇才能存得下)，则会从文件分配表中找到下一个簇，然后重复以上的过程。
簇是操作系统为文件分配存储空间的最小单位，一个簇由多个扇区构成【1】。
对每一个存取文件的任务，操作系统都要经历：在文件分配表中，查找该文件的目录记录；
根据目录，依次找到该文件的每一个簇；
存取该簇中每个扇区的数据；
重复第2步。直到遇到文件结束的标志。
对照上图想象一下，在这个过程中，盘片一直在高速旋转，磁头由悬臂带动也在不同的磁道之间来回穿梭(寻道)。
NAS中的瓶颈
先看几个常见的NAS应用情景吧：团队利用群晖NAS进行协同办公，同一项目组的多位用户，在同一时间段，访问相对集中的一些文档、表格和数据库。
大量的家庭照片存放在群晖NAS中，家人用各自的手机或平板电脑来分享和欣赏。
你的NAS上存放了海量的影视、音乐等媒体内容，亲朋好友各自观看自己喜爱的节目，同时还有几个下载任务正在运行。
当同时访问NAS的用户、任务增加时，随着系统负载的上升，部分用户感觉到打开/保存文件的速度下降，甚至播放影片出现卡顿。
当NAS的用户较少、任务较轻时，硬盘能够快速地读取或者写入数据，给用户带来优良的体验。
而一旦对硬盘的读写请求任务超过了硬盘的最大传输速率，那么势必会有一部分任务必须排队等待了。对了，硬盘自己不也是有缓存吗？不过，区区64MB、256MB的缓存，面对当今以数TB计的大容量硬盘，显得有点捉襟见肘了。解决的办法就是在NAS中扩充SSD缓存了。
缓存的适用
由前述机械硬盘的工作原理可知，能让硬盘发挥最大读写速度的理想状况是：磁头不动，在盘片高速旋转下，对同一磁道上的连续簇(扇区)进行读写。
日常使用中，大文件(比如电影、电视剧等内容)的存取就属于这种情况，我们称之为顺序读写。
反之，对硬盘读写速度最不利的状况是：要存取的文件很多，而且多是不太大的文件(比如工作文档、照片、mp3音乐文件等)。这种情况我们称之为随机读写。
想象一下磁头跑到文件分配表去检索目录，然后再跑到相应的磁道去读写某一簇(及其中的扇区)；而且对每一个小文件，都要重复上述过程。
虽然盘片旋转速度不变，但磁头要辛辛苦苦地频繁在各个磁道之间切换。毕竟磁头的机械运动，速度远远比不上内存/SSD的电子运动。
磁盘的碎片化也会降低硬盘的性能。一个刚格式化的新硬盘，最初写入文件时，都是连续存放的，这时的访问速度最理想。但随着使用时间的增长，会有各种拷贝、删除、修改操作，一个文件可能就会分散到不连续的簇中存放。
通常，缓存对随机读写的优化最有效，但对顺序读写则不那么明显。所以在群晖NAS中，有跳过顺序I/O的选项，遇到顺序读写时，直接访问硬盘，而不经过缓存。
对这一点，我的个人看法是：如果你安装的都是SMR叠瓦盘，由于它在大量写入时可能会降低性能，所以即使是顺序读写，我认为最好还是经过缓存吧。
缓存的机制
缓存处在机械硬盘和处理器/内存之间，在什么情况下，缓存能带来效率的明显提升呢？
一、读缓存
若将经常被使用的文件或程序放在缓存中，下次再访问时，直接从缓存调用，传输至处理器或内存，必然带来速度上的飞跃。
且慢，这里有几个关键字：下次再访问：也就是说，缓存中的数据只有被多次读取时，才能实现一次缓存、多次使用的效益。若缓存中的数据不再被读取，则没有带来任何好处。例如缓存中有一张图片，被团队中多个成员打开查看，则从第二次访问开始，都不再从机械硬盘读取，而是直接从缓存来提供；若该图片只被打开一次，一定时间内再也没人访问了，则没有任何性能提升。
经常被使用：访问频率高的数据被我们称为热数据，那么孰冷孰热呢？这就涉及到了缓存的算法。因为缓存容量有限(通常比机械硬盘容量小得多)，所以根据缓存的算法，必然要将冷数据淘汰，热数据保留。这是一个动态的过程，具体算法有很多，比如先进先出，或最久未用等等。
二、写缓存
遇到写入数据的操作时，系统先将数据写入到缓存中，然后处理器就可以进行其他运算任务。剩下的事情就是在系统调度下，缓存与硬盘之间的事情了，硬盘可以从容不迫地将数据写入到簇中，而不必拖累处理器苦苦等待。当有很多磁盘操作任务排队时，缓存的效果就更加明显。
三、命中率
缓存的效益可以用命中率来量化。命中：可以直接通过缓存获取到需要的数据。
不命中：无法直接通过缓存获取到想要的数据，需要到硬盘上去访问。原因可能是由于缓存中根本不存在，或者缓存已经过期。
命中率=命中数/(命中数+不命中数)
简单地说，命中率=被加速的随机读写次数/所有随机读写数*100%。通常来讲，缓存的命中率越高则表示使用缓存的收益越高，应用的性能越好(响应时间越短、吞吐量越高)，抗并发的能力越强。
为你的群晖添加缓存
群晖NAS型号众多，实现缓存的方法在硬件上是有一定差别的。所以事先要查看自己NAS的具体型号来选购SSD。
有些如DS918+、DS920+等型号，带两个M.2插槽，支持使用NVMe SSD固态盘来作为高速缓存，且不占用宝贵的盘位；而其他一些型号则没有这两个插槽，在多盘位情况下(比如6盘位)，我们也可以利用SATA接口的SSD来建立缓存，代价就是被缓存占用的盘位(参见上图)；更高端一些的型号，则是有PCIe 扩充插槽，我们可以选购群晖的扩展卡。
例如这款Synology E10M20-T1，就同时提供了一个万兆网口，和两个NVMe的SSD插槽，我们可以用来扩充缓存。
而这款M2D20则只有两个NVMe的SSD插槽，我们可以用来扩充缓存。以上两个扩展卡，均不含SSD(需另购)。
Synology SNV3000 系列专为系统缓存而构建，可在要求苛刻的全天候环境中提高随机 I/O 性能并减少延迟。可提供耐用缓存，具有 205,000/40,000 次以上的 4K 随机读/写 IOPS 和 500 TBW 耐用性评级，适用于多媒体后期制作和数据库应用程序。
群晖原厂的SSD价格不菲，大家也可以根据自己的预算和偏好，选择WD等大厂固态盘来扩充缓存。
两种接口都推荐一下吧。
关于在群晖中添加缓存的教程，参见上面卡片。
扩充缓存之后，随机读写、多用户访问、高并发任务等情况下，群晖NAS的响应和表现会更好更稳定。如今大容量SSD的价格逐渐下降，赶快为你的群晖NAS插上翅膀吧。
更进一步的，若对缓存的效果还不满意，能不能彻底抛弃机械硬盘，打造全固态的NAS呢？
参考资料
【注1】限于篇幅，文中的一些硬盘操作的概念和过程都做了简化处理，以方便读者理解。关于文件分配表、簇和扇区等概念，摘录一段更严谨的资料供参考：
扇区分簇管理
操作系统或应用程序在将数据写入一个磁盘文件时，必须在磁盘上找到可以使用的未用扇区。反过来要将数据从磁盘文件中读出时，也要在磁盘上找到已经储存了相应数据的有关扇区。要查找扇区必须知道扇区的地址，文件分配表FAT就是记录扇区地址的。
因为硬盘的扇区非常多，如果将每个扇区的地址都记录在文件分配表里，势必造成文件分配表体积庞大，查找时效率将会很低。为解决这个问题，采用了将扇区分组管理的方法。分组的过程称作扇区分簇，是由高级格式化程序在格式化磁盘时完成的。
扇区分簇以后，将每个簇的地址记录到文件分配表FAT里去。由于一个簇能包含很多扇区，所以文件分配表的体积减小了，查找的速度就提高了。
关于《群晖NAS非官方入门手册》达人专栏
《群晖NAS非官方入门手册》是作者Lifeisgood在张大妈首发的写作计划，以知识卡片的形式，在每篇教程分享群晖的关键技能。2018年至今，已坚持三年。Life君是本站黑群晖配置最高、白群晖闲置最多的NAS小白。从今年八月起，作者Life君在张大妈创建专属达人专栏—-群晖NAS非官方入门手册。
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