ZStack Cloud Vhost主存储架构揭秘，实现单盘百万IOPS与百微秒级延迟的完美融合

ZStack Cloud 5.0.0 版本支持新一代高性能全闪分布式存储。本文主要从技术实现角度，带你探索ZStack Cloud Vhost主存储对接架构。

引言

随着人工智能浪潮的来临，企业对于数据存储系统的需求已不再局限于基本的容量与稳定性，而是聚焦于极致性能、高并发处理能力和灵活扩展性。特别在金融、医疗、制造等行业，当前正面临着前所未有的数据存储压力。

金融行业一直以稳健为主，但其应用系统对性能的要求也同样极致，比如交易、风控、资管等典型业务在面对当下互联网业务的大规模并发、实时数据分析等场景时，对存储性能无论在带宽还是延迟方面都提出了新的挑战。

医疗行业中，据统计医疗存储数据中有超过80%源自高速增长的医学影像数据，年增速约30%~40%。同时，医疗机构还必须长期保存住院电子病历至少30年，门急诊电子病历至少15年，且不同临床科室对数据存储还有各自的时效要求，这就对现有数据存储架构提出了更高标准。

工业4.0对现代制造业的影响是巨大的，尤其MES（制造执行系统）这类实时业务场景，整个产线非常依赖其存储性能表现，任何容忍范围外的延迟或可能导致生产事故，直接影响企业发展。

传统的存储解决方案，如SAN，在处理这类繁杂且高频访问的数据时，常会遭遇性能瓶颈、延迟过高、以及扩展困难等问题，导致用户业务发展受阻。为打破这一困境，一种基于vhost-user协议构建的高性能全闪分布式存储系统应运而生，该系统以其创新的设计理念与先进的技术特性，为金融、医疗、制造等行业及各类企业提供了一种高性能、高可扩展、且极具成本效益的高性能解决方案。

技术原理

当前主流的virtio方案作为专为虚拟化环境量身定制的一套设备模型，为虚拟I/O设备提供了一套标准接口和实现。virtio驱动在设计和实现时，就尽可能减少触发host后端操作（vmexit）的指令，以提升I/O效率。尽管virtio相较于原始的全虚拟化方案已显著优化，但I/O在QEMU IO thread中的处理依然低效。以backend为file的virtio-blk为例，其I/O路径为：

 

该路径涉及两次host用户态与内核态的切换，增加了延迟。

图 1 virtio方案

而vhost技术将virtio设备后端数据设备后端数据处理功能转移至QEMU进程之外，避免了QEMU内部的状态切换和系统调用，通过直接调用host上的设备驱动（如块设备读写或网络收发）完成实际I/O操作，大大提升了后端性能。

vhost-user协议作为vhost高性能存储的核心技术之一，在用户空间实现了用户态应用程序与虚拟机间的直接数据传输，大幅减少了内核态与用户态之间的切换，有效降低了CPU中断处理开销，提升整体性能。相较于传统的virtio方案，vhost-user技术将I/O路径简化为：

图 2 vhost-user方案

vhost-user作为vhost的用户态实现，通过Unix socket与QEMU进程通信，获取virtqueue的配置信息和内存布局，再通过mmap实现QMU/Guest间的共享内存通信。这种机制使得host上的用户态应用（如存储网关）能够直接访问virtio设备的virtqueue，无需经过其他队列中转，从而显著提升I/O性能。

技术特色

然而，仅靠vhost-user协议尚不足以实现单盘百万级IOPS和单队列百微秒延迟的。为此，ZStack Cloud还实现了多项关键技术：

全无锁架构

通过ID Sharding将I/O任务分发至不同的处理通道，实现资源Sharding，构建无锁架构，有效降低I/O延迟。ZStack Cloud采用全用户态无锁数据通道，结合RTC IO处理模型，实现端到端无上下文切换、无锁零中断、全用户态、极速网络I/O处理等，辅以绑核与异步轮询策略，最大化发挥单核（虚拟线程核）处理能力，将软件栈时延压低至20~40μs，较传统分布式I/O栈的400μs有了数量级提升，充分释放新一代硬件和网络技术的能力。

图 3 全无锁架构

全栈内存零拷贝

ZStack Cloud利用零拷贝技术优化数据传输过程，避免了数据在用户空间与内核空间之间的多次复制，实现数据从发送方缓冲区直接传输至接收方缓冲区，无需CPU介入，大幅降低了数据处理时间和系统资源消耗。通过大页共享内存与RDMA网络支持，实现从虚拟机I/O内存到存储网关直至OSD全程零拷贝，同时集中管理大页内存，确保内存分配时考虑跨NUMA访问性能，实现同NUMA节点内分配。

图 4 全栈内存零拷贝

减少GuestOS通知backend开销

存储网关中实现的vhost backend通过polling机制，避免了虚拟机每次I/O操作时kick后端存储，极大提升系统性能。

图 5 vhost backend polling机制

多核并发

ZStack Cloud利用现代多核CPU的强大处理能力，实现多队列支持。通过均衡算法将virtqueue均匀分布在各个核上，实现极高并发能力，有效平衡负载的同时，显著提高了Guest单盘I/O操作的吞吐量和响应速度。

性能验证

为了验证Vhost主存储的实际效能，我们采用了典型的服务器集群配置，并利用了高效能的RDMA网络环境进行连接。具体测试环境配置如下：

RDMA网络配置如下：

 

三台服务器配置如下：

 

测试过程中，Vhost主存储展现了卓越的性能表现：

低延迟性能

在最严苛的延迟测试条件下，我们将fio测试设置为depth=1，numjob=1时，虚拟机内部执行的随机4KB读写操作延迟控制在了约100微秒级别，展现出极佳的实时响应能力。

图 6 fio测试depth=1 numjob=1

图 7 单深度场景友商对比

高吞吐量能力

为验证系统的高并发处理能力，我们将fio测试参数调整为depth=64，numjob=8，此时系统在保证一定性能水平的前提下，成功实现了百万级别的随机小IOPS，读写性能均达到业界领先水平。

图 8 fio测试depth=64 numjob=8

图 9 多深度场景友商对比

高效CPU利用

通过采用多队列（queues=4）设计，进一步提高了IOPS性能，相比于单队列模式，性能翻了2至3倍，且在保障高吞吐量的同时，系统延迟仍保持在较高竞争水平。

图 10 fio测试-单队列

图 11 fio测试-多队列

数据库测试

在MySQL 5.7的8核16G测试规格下，通过对等的测试数据集进行比较，相比于传统分布式存储，使用32个线程的Vhost主存储的测试数据在TPS提升了30%，95%的延迟降低了约3倍。当线程数增至96个时，QPS提升了38%。

图 12 数据库测试1

图 13 数据库测试2

在Oracle 19c版本的8核16G规格下，相比于传统分布式存储，Vhost主存储在TPM提升了6倍，达到42万TPM。

图 14 数据库测试3

场景实践

某金融机构跑批业务实践

在国家大力发展金融服务业的大背景下，某金融机构积极响应政策号召，不断加大数字化转型力度，旨在提升服务水平和效率。通过构建具备行业领先优势的数字化平台，该金融机构致力于为客户提供更加便捷、高效的金融服务体验。跑批作为金融机构核心业务场景之一，其效率的提升对于整体服务水平的提升至关重要，能够有效增强服务效果，提升客户满意度。

某金融机构位于长三角地区，作为该地区的重点股份制农商行，其地理位置优越，紧邻经济发达地区，有着良好的发展前景。在ZStack Cloud 5.0.0版本发布之际，迅速进行了POC测试，并选择使用Vhost主存储作为存储方案。与某国外产品在相同配置条件下进行比较，跑批处理时间实际上降低62%，这项数据的提升为运营效率带来了显著的改善和优势。

某高端制造业客户性能测试实践

在高端制造行业，位于中部的某车辆制造企业致力于提升生产效率和产品质量，通过引入先进的数字化技术和智能制造解决方案，以打造具备行业领先优势的生产平台，从而实现生产效率和产品质量的双重提升。

该制造企业位于工业重镇，是当地重要的高端制造企业之一，拥有先进的生产设备和技术团队。在ZStack Cloud 5.0.0推出后，立即进行了性能跑分场景测试。在测试中，Vhost主存储在集群读写性能上达到行业头部水平，相较于高端存储阵列产品，提升约21%。

某三甲医院挂号并发场景测试

在医疗行业，天津某三甲医院积极响应国家政策，致力于提升就诊体验和医疗服务效率。在国家大力推动医疗健康服务数字化转型的大背景下，该医院通过引入先进的数字化医疗平台和智能挂号系统，旨在打造具备行业领先优势的医疗服务平台，从而实现就诊便捷性和医疗服务质量的双重提升。

该医院拥有专业的医护团队和先进的医疗设备。在ZStack Cloud 5.0.0推出后，使用最新推出的智能挂号系统挂载Vhost主存储进行测试。在测试中，相较传统的物理机+存储阵列解决方案，可支撑的挂号并发量提升63%，患者可以通过手机App或小程序预约挂号，无需排队等候，大大节省了患者的时间。实际挂号等候时间缩短了30%，患者就诊体验可以得到显著改善。

结语

新一代Vhost主存储系统以其创新的技术原理与显著的业务价值，为各行各业提供了高效、可靠且极具成本效益的数据存储解决方案，有力推动各类企业应对现代数据挑战，实现技术突破。

云轴科技ZStack作为一家自主创新、专注产品化的云计算公司，打造最好用的云产品，降低用户云计算使用门槛，是我们一直以来秉持的理念和践行方向。Vhost主存储功能的推出便是这一理念的有力实践。未来，我们会继续推出更多丰富好用的云计算产品功能，为用户创造价值。