高性能计算技术、方案和行业全面解析(第2版)
读者朋友们好，今天给大家带来<高性能计算(HPC)技术、方案和行业全面解析（第二版）>电子书更新，从2017年发布第一版以来，一直收到读者朋友的好评，也有人拿着这本电子书用转换工具盗版，并在百度文库上高价兜售，有个叫“托起智慧城市的摇篮的店”用户在百度上卖出了98元的价格，还真有人买。
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第二版更新的内容还比较多（大约80多页，本次调小了文章字体），包括HPC场景梳理和应用软件总结，并行环境数量（数学库、编译器和MPI等），并行编程知识和MPI-IO对并行文件优化；DDN方案更新，增加曙光超算方案和Dell EMC解决方案（NFS，BeeGFS，PixStor/ GPGS，Lustre和Isilon等），以及TOP500相关内容。
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今天跟大家分享一下，Dell EMC的BeeGFS高性能解决方案知识。
BeeGFS高性能方案面向高I/O，scratch存储解决方案场景。该解决方案的核心亮点是使用高速NVMe SSD，降低块层调度和排队带来的性能瓶颈，提供高的带宽和低延迟。BeeGFS同时支持高聚合I/O吞吐量。
管理服务器通过以太网连接到元数据和存储服务器。每个元数据和存储服务器都有两个InfiniBand链接，并通过以太网连接到内部专用网络。客户端具有一个InfiniBand链接，并通过以太网连接到内部专用接口。
BeeGFS体系结构包含四个主要服务： 管理服务：1台PowerEdgeR640 存储服务：5台PowerEdge R740xd 客户端服务：采用PowerEdgeC6420 元数据服务：1台PowerEdge R740xd，根据多路CPU内存访问方式，分NUMA 0区和NUMA 1区，避免多CPU带来的NUMA问题。
在BeeGFS中，除了客户端服务做为内核模块之外，管理，元数据和存储服务都是用户空间进程。BeeGFS存储解决方案的参考体系结构，映射到BeeGFS文件系统的常规体系结构。
每个BeeGFS文件系统或名称空间只有一个管理服务。管理服务是第一个需要设置的服务，系统配置的所有其他服务都需要在管理服务中注册。
PowerEdge R640用作管理服务器。运行管理服务（beegfs-mgmtd.service）和监视服务（beegfs-mon.service），监视服务使用时间序列数据库InfluxDB收集系统统计数据提供给用户，通过预定义的Grafana实现可视化数据，管理服务器配置6个300GB HDD（RAID 10）供为操作系统和InfluxDB存储数据。
BeeGFS客户端模块需要加载到需要访问BeeGFS文件系统的所有客户端服务器上。
当beegfs客户端被加载时，它将挂载在/etc/beegfs/beegfs-mounts.conf中定义的文件系统，并非基于/etc/ fstab配置。
像其他任何Linux服务一样，可通过服务启动脚本启动beegfs-client。系统更新将自动重新编译BeeGFS客户端模块。当客户端模块重新加载后，定义在beegfs-mounts.conf中的文件系统将被重新安装。
元数据服务是横向扩展服务，每个元数据服务都有一个确切的元数据目标（ST）来存储元数据。在元数据目标（MDT）上，BeeGFS为每个用户创建的文件创建一个元数据文件。BeeGFS元数据是按目录分布的。元数据服务向客户端提供数据条带化信息（Coordinate），并不参与文件打开/关闭数据访问。
PowerEdge R740xd用于元数据存储，24个Intel P4600 1.6TB NVMe驱动器。由于BeeGFS元数据对存储容量的需求非常小的，所以不使用专用元数据服务器，而只在NUMA0区域的12个驱动器用来承载MetaData Targets（MDTs），而NUMA区主机上的剩余的12个驱动器用来承载（STs）。
元数据服务：NUMA0区的驱动器配置将用于元数据，12个驱动器配置为6* RAID 1磁盘组，每组包括2个驱动器，每个驱动器均用作MDT。运行6个元数据服务，每个元数据服务处理一个MDT。
存储服务：NUMA1区剩余的12个存储驱动器，配置3* RAID 0磁盘组，每组4个驱动器。在NUMA 1区域上运行3个存储服务，对应3个ST。
因此，元数据服务器同时运行6个元数据目标和3个存储目标服务，具有6个MDT和3个ST。每个MDT是基于RAID 1配置的ext4文件系统，ST基于RAID 0中配置的XFS文件系统。
采用5台PowerEdge R740xd服务器。每个存储服务器被配置为用6*RAID 0组，每组4个驱动器，每台服务器6个STs（每个NUMA区3个）。
元数据服务一样，存储服务也是横向扩展服务。BeeGFS文件系统中可能有许多存储服务实例。但是，与元数据服务不同，每个存储服务可以有多个存储目标。存储服务存储条带化用户文件的内容，也称为数据块文件。
BeeGFS方案包含6个MDTs和33（3+30）个STs，5*存储服务器可提供211TB的原始容量和190TiB的可用容量。
TiB估算的可用容量=驱动器数*每个驱动器的容量TB x 0.99（文件系统开销）*（10^ 12/2 ^ 40）。
鉴于以下因素，选择RAID 0配置，而不是RAID 10作为存储目标。
使用dd命令创建一个块为1MiB的10GiB文件，测试IO写入性能，对于RAID 0设备，每个设备的平均速度约为5.1GB/s，而对于RAID10设备，平均的速度为3.4GB/s。
StorageBench基准测试显示，RAID 0配置的最大吞吐量为5.5 GB / s，而RAID 10配置的最大吞吐量为3.4 GB / s。类似于使用dd命令获得的结果。
RAID 10可将磁盘容量利用率降低50％，写入性能也可降低50％。使用RAID10是获得存储冗余方案成本昂贵。
NVMe驱动器价格昂贵，并且RAID 0配置性能最好。
英特尔P4600固态硬盘具备DWPD=3的可靠性，这意味着单盘每天可写4.8 TB的数据，支持未来5年数据量写入。
方案元数据和存储服务器都采用PowerEdgeR740xd，每个服务器配24*Intel P4600 1.6TB NVMe，2*Mellanox EDR适配器。
服务器内2个x16 NVMe桥接卡做为底板上的PCIe交换板，分别连接12*NVMe磁盘（驱动器为x4）和一个CPU， 在Non-Uniform MemoryAccess (NUMA)，CPU访问本地内存效率更高， 24个磁盘中，为了优化性能和时延，将配置为使用特定的NUMA区域，每个NUMA区域可处理12个驱动器，关闭自动NUMA平衡。
同时，每个CPU连接到一个InfiniBand适配器，2张IB卡分别处理不同NUMA区域12块NVMe SSD，确保处理器在处理往返于NVMe驱动器的I /O请求处于负载均衡，以提供最佳性能。
测试工具Iozone，基准测试评估了顺序读取/写入吞吐量，随机读取/写入IOPS性能。
线程数从1个线程开始，以2的幂递增，直到1024个线程。BeeGFS的条带大小选择为2MB，条带数选择为3（默认4），测试最大程度地减少来自服务器以及BeeGFS客户端的缓存影响
顺序读写N:N（每个线程对一个文件或N个客户端对N个文件）：1024个线程的峰值读取性能为132 GB/s，256个线程的峰值写入性能为121 GB/s。
顺序写和读：iozone -i 0 -i 1 -c -e -w -r 1m -I -s $ Size -t $Thread-+ n-+ m / path / to / threadlist
测试从4个线程到最多1024个线程的线程数进行，有操作都绕过缓冲区缓存并直接进入磁盘。BeeGFS的条带计数为3，块大小为2MB。IOzone使用4KiB请求大小。
随机读写N:N：512个线程处随机写入性能约360万IOPS，而随机读取在256个线程处达到约350万IOPS，IO请求增加时，读取性能上升（NVMe支持64K IO队列，每个队列支持64K命令，庞大的NVMe队列池提供更高IO并行性。
随机读取和写入：iozone -i 2 -w -c -O -I -r 4K -s $ Size -t $ Thread-+ n-+ m / path /to / threadlist
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