【雲端儲存服務：Pure Storage CBS】雲端區塊儲存服務新選擇，提供堅實的多重高可用性架構設計

等待了近1年時間後，Pure Storage的雲端區塊儲存服務——Cloud Block Store（CBS），終於在去年底（2019）正式上線。

過去一年多以來，Pure Storage在整合公有雲平臺方面動作連連，於2018年底宣布了稱作「Pure Storage Cloud Data Services」的一系列雲端儲存服務，而CBS便是其中之一。

CBS是當前興起中的新類型儲存產品——「雲端儲存陣列」的一員。這種產品的本質，其實就是傳統儲存陣列廠商將其儲存陣列系統移植到公有雲上，成為「雲端化」儲存陣列而成，透過公有雲平臺來提供儲存空間服務。

而CBS便是Pure Storage將旗下的FlashArray全快閃儲存陣列，移植到AWS公有雲平臺上的產品，可在AWS上提供基於iSCSI的區塊儲存空間服務，目前有10TB、20TB與50TB等3種容量授權可選，並憑藉著與FlashArray儲存陣列相同的Purity//FA儲存作業系統，具備了Thin Provisioning、壓縮與重複資料刪除等進階功能。

目前CBS雖然只支援AWS平臺，但依照Pure Storage的規畫，日後也將在Azure與Google Cloud上推出相同的服務。

CBS是Pure Storage FlashArray全快閃儲存陣列，移植到AWS而成的雲端化儲存陣列，可在AWS上提供基於Pure Storage儲存系統的區塊儲存服務，並含有完整的資料服務功能。

雲端化的儲存陣列

公有雲服務的盛行已是大勢所趨，傳統儲存陣列廠商面對這個新興威脅，一個出路便是「打不過他，就加入他」，把自身的儲存陣列平臺移植到公有雲平臺上。

公有雲服務商雖然自身提供了原生的儲存服務，但老牌的儲存陣列平臺，有著用戶熟悉、系統成熟、資料服務功能豐富完整的優點，而移植到公有雲以後，不僅保有儲存陣列原本的優點，還能兼有雲端服務的維運負擔輕、按需訂購彈性等優點。

以CBS來說，相較於AWS自身原生的兩種區塊儲存服務——執行個體儲存空間（Instance Stores），以及EBS（Elastic Block Store），目的同樣都是提供區塊儲存服務，但能提供後兩者沒有的豐富資料服務功能。

AWS執行個體儲存空間，是一種執行個體直連的本地端儲存空間，有硬碟、SAS SSD與NVMe SSD等型式，具備低延遲的特點，但組態固定，缺乏彈性，也沒有因應磁碟裝置故障的冗餘能力。

至於EBS儲存區，則有著類型選擇豐富（有io1、gp2、st1與sc1等4種）、組態彈性（500GB～16TB），以及透過分散複制機制所提供的高可用性，還具備基本的資料服務功能（快照與加密）。

而CBS實際上是建立在前兩者的基礎上——以EBS的io1儲存區作為NVRAM寫入緩衝角色，以執行個體本機的NVMe SSD作為讀取快取與寫入儲存區，再結合S3物件儲存作為備援的持久儲存區，並能透過Pure Storage的ActiveCluster複製功能，跨不同AWS可用區域（AZ）建立異地的高可用性CBS群組，兼具了效能與可靠性。

更重要的是，CBS還能憑藉Pure Storage自身專屬的Purity//FA儲存平臺，提供目前AWS原生儲存服務還沒有的即時壓縮、重複資料刪除等資料縮減功能，藉此改善儲存空間耗用經濟性。

因此CBS這類雲端儲存陣列產品的問世，也讓用戶在公有雲上的應用，除了使用各公有雲自身原生的儲存服務外，也多了Pure Storage這些第三方廠商的解決方案，各自基於專屬儲存平臺，提供了公有雲儲存服務新選擇。

獨具一格的雲端部署架構

如前所述，CBS這類雲端儲存陣列產品，是將傳統儲存陣列平臺移植到公有雲環境而成，從而為公有雲上的運算單元，提供基於傳統儲存陣列平臺的儲存空間服務。而要實現這樣的目的，關鍵便在於如何讓傳統儲存陣列平臺「移植」部署到雲端環境，從而化身為公有雲上的儲存服務。

將儲存陣列移植到公有雲上的方式，主要分為兩種。一種方式為實體部署，也就是在公有雲服務商資料中心部署實體儲存設備。例如NetApp的Cloud Volumes Service（CVS）、HPE的Cloud Volumes，都屬於這種類型。

另一種方式為軟體定義部署，也就是利用公有雲的執行個體與儲存空間，來運行儲存陣列系統軟體。如NetApp的Cloud Volumes ONTAP（CVO）、Dell EMC的UnityVSA Cloud Edition，以及我們這裡介紹的Pure Storage CBS，都屬於這種類型。

不過，即使同樣屬於軟體定義部署，但個別產品的實作方式也大相逕庭，而CBS可說是最特別的一種。

NetApp CVO算是軟體定義部署式雲端儲存陣列的標準範本，使用1臺雲端運算單元來運行NetApp的ONTAP系統，擔任儲存控制器角色，並掛載公有雲的區塊儲存區來作為儲存空間。為了提高可用性，還可將2臺CVO組成高可用性群組。

而CBS則動用了AWS的EC2執行個體、執行個體本機儲存區、EBS區塊儲存區，以及S3物件儲存區，來扮演儲存控制器、寫入緩衝、讀取快取等角色，每套CBS單元至少需耗用9臺或16臺執行個體（2臺用於控制器，7或14臺用於虛擬磁碟）、7個EBS服務的區塊磁碟區，與一定容量的S3儲存區。

雖然CBS耗用的資源相對較大，成本相對也較高，但藉此在AWS上再現了FlashArray全快閃儲存陣列的架構，理應更能保證效能與可用性，以因應Tier1的關鍵應用儲存需求。

靈活的混合雲應用方式

CBS這類雲端儲存陣列，除了能為公有雲的儲存服務，提供基於第3方儲存廠商平臺的新選擇外，另一個重點是能結合用戶的本地端儲存設備，構成高度整合的混合雲架構。

以CBS來說，便能與用戶本地端的FlashArray儲存陣列，構成緊密的混合雲應用架構。CBS與FlashArray的核心，同樣都是基於Purity//FA作業系統，因此可以相互連結，構成異地備援，在儲存服務這一層級，直接透過磁碟區的遠端複製，在本地端FlashArray與雲端的CBS之間，交換或遷移資料。

另外，CBS也能結合Pure Storage的CloudSnap雲端快照儲存服務，提供經濟的混合雲應用。用戶平時可將本地端FlashArray的資料。透過CloudSnap上傳到S3儲存空間保存，待需要異地備援時，再訂購與啟用CBS，然後於CBS上掛載CloudSnap在S3保存的本地端FlashArray快照，便能迅速完成CBS與本地端間的站點資料同步。

 Cloud Block Store的版本與規格 

在AWS環境中運行的CBS雲端儲存陣列，是以AWS的資源架構而成，分別使用EC2的c5n與i3執行個體，以及EBS的io1區塊儲存區，來分別扮演儲存控制器、Flash儲存模組、讀取快取，以及NVRAM模組等角色。

Pure Storage提出了兩種CBS組成規格——CBS //V10A-R1與CBS //V20A-R1，分別採用不同等級的EC2執行個體與EBS io1儲存區。

其中較低階的CBS //V10A-R1，Pure Storage建議使用2臺c5n.9xlarge執行個體來作為儲存控制器，搭配作為虛擬磁碟機的7或14臺i3.2xlarge執行個體，再加上作為NVRAM的7個60GB EBS io1磁碟區。其中，作為控制器的c5n.9xlarge執行個體，可提供50Gbps的總網路頻寬，每個連接埠的頻寬為5Gbps，整個系統則可提供13.8TB～15.2TB的可用容量。

至於較高階的CBS //V20A-R1，控制器是使用2臺規格更高的c5n.18xlarge執行個體來擔任，搭配作為虛擬磁碟機的7或14臺i3.4xlarge執行個體，或是7臺i3.8xlarge執行個體，加上作為NVRAM的7個120GB EBS io1磁碟區。其中，作為控制器的c5n.18xlarge執行個體，可提供100Gbps的總網路頻寬，每個連接埠的頻寬為5Gbps，整個系統能提供55.2TB～60.8TB的可用容量。

CBS使用的執行個體規格

Pure Storage建議用於扮演CBS儲存控制器角色的兩種執行個體——c5n.9xlarge與c5n.18xlarge，都屬於c5n系列運算優化型執行個體，是EC2服務中針對HPC、資料湖等應用，特別強調運算能力與網路傳輸頻寬的執行個體，基於3 GHz的Intel Xeon Platinum 處理器，分別可提供36個與72個vCPU、96GB與192GB記憶體，以及50Gbps與100Gbps傳輸頻寬，可保證CBS的I/O效能，並因應資料刪減相關功能帶來的運算負荷。

而CBS用於擔任虛擬磁碟機角色的3種執行個體——i3.2xlarge、i3.4xlarge與i3.8xlarge，則屬於i3系列儲存優化執行個體，特別強調本機儲存能力，均配置了直連的NVMe SSD，但處理器規格與網路頻寬相對較低（10Gbps以下） 。

另外Pure Storage還建議，用戶在訂購供CBS使用的執行個體時（包含控制器與虛擬磁碟），選用可轉換型式的預留執行個體（Convertible Reserve Instance），而非標準預留執行個體（Standard Reserve Instance），以便運用可轉換預留執行個體便於變更屬性的特性，在日後升級為更高階的執行個體。

 Cloud Block Store的訂閱形式 

如同多數的公有雲服務產品，CBS的訂購方式，也分為公有雲服務商與儲存廠商等兩個來源。

「Pure as-a-Service」服務是一種混合雲的授權，在「Pure Storage ES2」採購項目下，提供了在1年（以上）合約期限內，100TB容量起跳的混合雲使用空間授權（雲端CBS＋本地端FlashArray），用戶從這裡取得CBS的授權後，再到AWS市集中的「Cloud Block Store - Product Deployment」訂閱項目下完成部署。

更單純的方式，是直接從AWS的市集訂閱CBS服務，先在「Cloud Block Store」訂閱項目下，購買使用空間授權，然後再到「Cloud Block Store - Product Deployment」項目下完成部署。

AWS提供了4種等級的CBS授權——Small、Medium、Large與按使用量計價的Pay-as-you-go。其中Small等級授權的預留容量上限是10TB，Medium等級是20TB，Large等級為50TB，訂閱期限有1個月或12個月兩種可選。

比較特別的是Pay-as-you-go授權，適合想要體驗CBS的用戶，這種模式不需要一次購買定量的空間，頭1個月10TB內不收取費用，從第2個月起，再按每單位每GB來計價，訂閱期限以1個月為基準。

除了前述4種等級的容量授權費用外，CBS還有基本設定費（Basic Setup）、超過預留容量上限的超量（Overage） 使用費，以及加值服務費（Professional services）等額外費用。

其中，加值服務是一系列幫助用戶部署CBS的諮詢與協助服務，包含初期的需求評估、部署前準備、部署作業執行、部署後作業等服務，同時，又分為基本加值服務（Basic Professional services），以及進階加值服務（Advanced Professional services），而前述的基本設定（Basic Setup）費用所對應的部份，就等於這裡所提及的基本加值服務。

Cloud Block Store 的採購模式

用戶可透過Pure Storage的「Pure as-a-Service」服務，或直接從AWS市集訂閱CBS的授權，前者可提供較長的訂閱期限（1～3年），後者則提供較靈活的按月訂閱與1年期訂閱。圖片來源／Pure Storage

Cloud Block Store 的採購層級

CBS的授權以容量作為層級區分基準，分為Small（10TB）、Medium（20TB）與Large（50TB），再加上按使用量計價的Pay-as-you-go等4種層級。圖片來源／AWS

 Cloud Block Store系統管理與軟體功能 

由於CBS是FlashArray儲存陣列移植AWS的「雲端化」版本，核心相同，所以，系統管理方式與軟體功能，基本上，也是與Pure Storage自家的FlashArray儲存陣列相同。

在系統管理方面，如同本地端的FlashArray儲存陣列，CBS也是透過自身內含的網頁控制臺，來進行基本的監控與設定作業，管理介面與FlashArray完全一致。除此之外，用戶還能利用Pure Storage的Pure 1雲端AI管理平臺來管理CBS，包括從雲端集中監控CBS的運行，以及使用Pure 1的效能分析、資源耗用預測等功能，來檢核與預估CBS系統的使用情況。

在軟體方面，CBS運行的是FlashArray的作業系統Purity//FA的修改版本，僅有核心的部份稍微不同，同時，也擁有FlashArray幾乎全部的軟體功能，只有下列2項不提供——Purity//RUN與Windows File Services（WFS）。

其中的Purity//RUN是一項輕量的虛擬化功能，可以透過Container或VM的形式，使用部份控制器處理器與記憶體資源來執行用戶需要的應用功能。而WFS則是架構在Purity//RUN上的服務，可以運行CIFS/SMB與NFS等檔案服務，讓FlashArray扮演NAS的角色。

由於目前Pure Storage將CBS定位於專門提供區塊儲存服務（從產品名稱即清楚表明），因而不提供前述兩項附加功能。

CBS的網頁控制臺

如同本地端的FlashArray儲存陣列，雲端上的CBS也提供了相同的網頁式控制臺，管理者可藉此執行基本的系統管理與設定工作，包括磁碟區設定、磁碟區掛載、系統運行監控等基本管理功能，以及快照、遠端複製等進階資料服務功能，無論操作介面還是操作方式，都與FlashArray儲存陣列的網頁控制臺一致。

透過Pure 1雲端平臺管理CBS

用戶也能透過Pure Storage的Pure 1雲端AI管理平臺，從遠端監控CBS的運行，並使用效能分析、資源耗用預測等功能。圖片來源／Pure Storage

 Cloud Block Store的運作架構 

我們可將CBS這款產品，視為Pure Storage將FlashArray快閃儲存陣列，移植到AWS平臺的「雲端化」版本。

FlashArray儲存陣列的軟體，是以Pure Storage專屬的Purity//FA儲存作業系統為核心；硬體部份，則由內含控制器、NVRAM與Flash儲存模組的Base機箱，加上外接的擴充儲存櫃組成。每臺FlashArray儲存陣列，含有這4種主要元件：

● 控制器：負責運行Purity//FA儲存作業系統，以及提供前、後端I/O介面，每臺Base機箱含有2組控制器，構成Active—Standby的高可用性架構。

● NVRAM模組：NVRAM模組由DRAM、備份用Flash模組與供電用的超級電容組成，目的是為寫入I/O提供一個高效能、且能預防斷電的緩衝儲存區。每臺Base機箱最多可以安裝4組NVRAM模組，並且以互為備援的方式，透過NVMe介面兩兩配置給2組控制器使用。

● 讀取快取記憶體：FlashArray陣列的讀取快取記憶體可分為兩種——控制器內含的DRAM，以及控制器外的DMM模組。受限於容量與成本，控制器內含的DRAM，主要用於metadata的讀取快取，至於一般資料的讀取I/O，則主要是直接從底層的Flash儲存模組來讀取，因此也導致較大的延遲。

不過，Pure Storage在2019年9月，推出基於Intel Optane儲存級記憶體的DMM模組（DirectMemory Modules），專用於讀取I/O的快取，安裝在Flash模組磁碟槽中，配置給控制器使用，藉此可讓讀取延遲獲得5倍的改善，但目前只有少數FlashArray//X系列支援DMM模組。

● Flash儲存模組：包括SAS介面的SSD，或NVMe介面的DFM模組（DirectFlash Modules）兩種，以10個模組的10 module pack為基本單位。

而到了CBS，Pure Storage為了在AWS環境，「重現」FlashArray儲存陣列的架構及系統功能，使用AWS EC2、EBS與S3的資源，組成CBS的「控制器」與「虛擬磁碟機」等2種元件，進而扮演儲存控制器、NVRAM、讀取快取與Flash儲存模組等角色。

CBS的控制器

CBS使用2臺AWS EC2 c5n執行個體，來擔任FlashArray儲存陣列的兩組控制器角色。每臺c5n擁有總頻寬50Gbps或100Gbps的網路介面，可兼用於系統管理或iSCSI傳輸連接。

CBS的虛擬磁碟

CBS使用獨立的AWS EC2的i3執行個體，以此構成了稱作「虛擬磁碟機（Virtual Drive）」的儲存單元，並同時扮演了Flash儲存模組、NVRAM模組與讀取快取記憶體等3個角色，這種充當虛擬磁碟機的i3執行個體，後端都掛載了3種儲存裝置：

（1）i3執行個體內含直連的1～3臺NVMe SSD本機磁碟。

（2）EBS區塊儲存服務掛載的io1磁碟區。

（3）S3物件儲存區（標準型）。

i3執行個體直連的NVMe SSD，擁有低延遲與高頻寬，被CBS用於讀取快取記憶體，以及寫入資料的儲存區等兩種角色。不過，這屬於沒有冗餘能力的Instance Store空間，可靠性不足，對於讀取快取角色來說，即使失效，也只會損及讀取效能而已，但若做為資料寫入儲存區，一旦失效，便會影響資料的完整性。因此，CBS為虛擬磁碟提供多重冗餘的保護。

至於用於承接寫入I/O的NVRAM角色，CBS使用EBS區塊儲存服務的io1儲存區來承擔。io1是EBS的高效能型SSD儲存服務，擁有EBS的高可用性架構，足以扛起NVRAM的重責大任。

而S3物件儲存空間，則被CBS用作資料寫入資料的備援用保存區。當虛擬磁碟正常運作時，所有讀寫I/O都是在虛擬磁碟這一層級完成，但若虛擬磁碟完全失效，用戶可從S3儲存區取回資料。S3的低成本與極高耐久性，十分適合作為持久儲存區使用。而且S3是獨立的空間，即使CBS控制器與虛擬磁碟完全失效，也不會影響S3儲存區資料，提供了最後一層的保障。

CBS的運作與保護機制

運作時，作為虛擬磁碟機的i3執行個體，分別透過EBS io1儲存區與本機NVMe SSD，扮演寫入緩衝與讀取快取角色，寫入資料則由NVMe SSD保存，同時虛擬磁碟還會將寫入資料複製一份，送到最後端的S3物件儲存區，作為備援保存之用。

為了提高整個架構的可用性，CBS各個環節都採用了多重配置。在儲存控制器層級，採用雙控制器組態，單一控制器失效不會影響CBS服務；在虛擬磁碟機層級，CBS基本組態使用7臺i3執行個體，也就是7臺虛擬磁碟機，構成具備失效冗餘能力的虛擬儲存櫃（Virtual Shelf），在作為控制器的c5n執行個體管理下，任何擔任虛擬磁碟機的i3執行個體失效，可由群組中其他i3執行個體備援，而整個群組的冗餘能力，可容許2臺虛擬磁碟機（i3執行個體）失效。CBS最大能組成含有14臺虛擬磁碟機的儲存群組，但其中只有前7臺虛擬磁碟機，會掛載作為NVRAM的io1儲存區。

更進一步，即使有3臺以上的虛擬磁碟失效，導致CBS服務終止，用戶也還能從後端的S3儲存區取回資料。

如果用戶需要更高的可用性，還可在兩個以上AZ服務區建立CBS，再利用ActiveCluster功能同步資料，達到兩地雙中心的高可用性架構。同時，他們也可透過非同步複製，將第二地AZ作為異地備援中心。

Cloud Block Store vs. FlashArray儲存陣列架構對照

CBS使用了AWS的EC2、EBS與S3等雲端服務資源，於AWS環境「重構」出FlashArray全快閃儲存陣列的架構與功能。首先，由2臺EC2的c5n執行個體，扮演FlashArray陣列的雙控制器角色；接著，以EC2 i3執行個體構成虛擬磁碟機（Virtual Drive），由7臺虛擬磁碟機組成具備冗餘能力的虛擬儲存櫃（Virtual Shelf），可容許2臺虛擬磁碟失效。而這些虛擬磁碟機單元還連接了EBS io1儲存區與本機NVMe SSD，分別用於NVRAM寫入緩衝區、讀取快取記憶體與資料寫入儲存區。

產品資訊［規格與售價時有異動，正確資訊請洽廠商］

Pure Storage CBS

●原廠：Pure Storage

●建議售價：Small級（10TB，每月1800美元，每年18000美元），Medium級（20TB，每月3000美元，每年30000美元），Large級（50TB，每月6000美元，每年60000美元），Pay-as-you-go（首月10TB內免費，自第2個月起，每單元、每月、每GB 0.2美元）

●適用平臺：AWS

●支援傳輸協定：iSCSI