采用并行文件系统、分层存储架构及高速缓存技术,解决I/O瓶颈,提升数据吞吐效率。
使用高性能计算存储的核心在于构建分层存储架构,选择适配的并行文件系统,并根据计算任务特性优化I/O策略,以实现计算与存储的高效协同,具体实施时,需重点关注元数据服务配置、数据条带化设置以及冷热数据分级管理,从而最大化存储带宽利用率并降低延迟。

构建基于并行文件系统的底层架构
高性能计算存储与传统存储最大的区别在于对并发访问的支持能力,要充分发挥HPC存储的性能,首先必须采用并行文件系统,如Lustre、GPFS(Spectrum Scale)或者BeeGFS,这些系统通过将数据分散到多个对象存储目标(OST)上,允许计算节点直接并行读写数据,消除了传统NAS存储中的单点瓶颈。
在实际部署中,建议采用存算分离的架构,将存储数据的物理硬件与执行计算任务的节点分离,通过高速网络互联,这种架构不仅提高了资源利用率,还便于独立扩展存储容量和计算能力,对于元数据服务器(MDS)的配置要给予高度重视,因为元数据操作往往比数据吞吐更容易成为性能瓶颈,在处理海量小文件场景时,建议配置独立的SSD高速存储池专门用于存放元数据,并适当增加MDS的数量以分担元数据请求压力。
实施精细化的数据分层管理策略
并非所有数据都需要同等对待的高性能存储,为了在成本与性能之间取得最佳平衡,必须实施严格的数据分层管理策略,HPC环境通常包含热数据、温数据和冷数据三种类型。
热数据是指计算节点在作业运行期间频繁访问的数据集,如训练中的模型参数或中间结果,这部分数据应当放置在由全闪存介质(NVMe)构建的高性能层,确保微秒级的延迟和极高的IOPS,温数据是指待处理或刚处理完的数据,可放置在SAS SSD或高性能HDD层,冷数据则是归档的历史数据,应自动迁移至大容量HDD存储或对象存储中,甚至通过磁带库进行长期归档。
利用自动分层软件(如自动信息迁移策略)设置策略,根据文件的访问频率和创建时间自动在不同层级间迁移数据,设定规则将超过30天未访问的文件从高性能层自动降级到容量层,这种策略不仅释放了昂贵的闪存空间,还保证了高频数据始终享有最快的读写速度。
针对I/O特性的条带化参数调优

条带化是并行文件系统性能调优的关键,也是体现专业性的核心环节,条带化涉及两个主要参数:条带大小和条带计数,错误的设置会导致严重的网络拥塞或磁盘利用率低下。
对于大文件连续读写场景,如气象模拟、基因测序或流体力学计算,建议设置较大的条带大小(通常为1MB至4MB甚至更大),并设置较大的条带计数,使其覆盖尽可能多的OST,这样可以将单个大文件拆分为大块并分布到所有硬盘上,从而聚合整个存储系统的总带宽。
反之,对于海量小文件场景,如高能物理实验数据或网页归档,过大的条带大小会导致一个文件占用过多空间且造成“读放炮”现象(即为了读取一个小文件而加载整个条带),此时应减小条带大小(如64KB或128KB),并适当调整条带计数,避免单个文件分散在过多的节点上,从而减少网络开销和元数据锁竞争,专业的做法是在作业上线前进行I/O特征测试,使用工具如IOR或fio来模拟实际 workload,从而确定最优的条带化参数。
利用RDMA网络技术打破传输瓶颈
存储性能不仅受限于磁盘本身,更受限于网络传输能力,在HPC环境中,传统的TCP/IP协议栈由于内核拷贝和上下文切换带来的开销,已无法满足极低延迟和极高吞吐的需求。
必须使用支持远程直接内存访问(RDMA)的网络技术,如InfiniBand或RoCE v2(RDMA over Converged Ethernet),RDMA允许数据直接从应用内存传输到存储内存,无需经过操作系统内核和CPU的中转,极大地降低了延迟并释放了CPU资源。
在配置RDMA网络时,需确保网卡和交换机支持相同的速率(如100Gbps或200Gbps),并正确配置PFC(基于优先级的流量控制)和ECN(显式拥塞通知)以实现无损网络,应采用多路径聚合技术,将多条物理链路捆绑为一条逻辑链路,既增加了带宽,又提供了链路冗余,确保在单条链路故障时存储服务不中断。
解决海量小文件存储的性能痛点

在HPC领域,海量小文件问题被称为“I/O杀手”,由于每个小文件的读写都需要多次元数据操作,传统的文件系统往往因此瘫痪,针对这一痛点,除了优化元数据服务器外,还应采用目录哈希技术。
通过将文件名进行哈希计算,将文件均匀分布到不同的目录下,可以避免单个目录包含过多文件导致的检索性能下降,启用文件聚合或tarball技术也是一种有效的解决方案,将大量小文件打包成一个大文件进行存储和传输,在计算端通过虚拟文件系统或特定库按需解压读取,能将I/O性能提升数个数量级。
利用客户端缓存策略,将频繁读取的小文件缓存在计算节点的本地内存或SSD中,可以完全消除重复的网络请求,对于检查点与重启机制,建议采用增量检查点技术,仅保存发生变化的数据块,大幅减少写入量,从而缩短作业暂停时间。
通过以上架构设计、分层管理、参数调优及网络优化,能够构建一个既具备极高吞吐量又能应对复杂I/O模型的高性能计算存储环境,为科学计算和AI大模型训练提供坚实的数据底座。
您目前在HPC存储使用中遇到的最大瓶颈是带宽不足还是小文件读写缓慢?欢迎在评论区分享您的具体场景,我们可以共同探讨更具针对性的优化方案。
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