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提高 SMB Azure 文件共享性能

  • 项目

本文介绍如何提高高级 SMB Azure 文件共享的性能，包括使用 SMB 多通道和元数据高速缓存（预览）。

适用于

文件共享类型 SMB NFS
标准文件共享 (GPv2)、LRS/ZRS No No
标准文件共享 (GPv2)、GRS/GZRS No No
高级文件共享 (FileStorage)、LRS/ZRS Yes No

优化性能

以下提示可帮助优化性能：

  • 请确保存储帐户和客户端共置在同一个 Azure 区域中，以减少网络延迟。
  • 使用多线程应用程序并将负载分散到多个文件中。
  • SMB 多通道的性能优势随着分布负载的文件数增加而增大。
  • 高级共享性能受预配共享大小（IOPS/流出量/流入量）和单个文件限制约束。 有关详细信息，请参阅了解高级文件共享的预配。
  • 单个 VM 客户端的最大性能仍受 VM 限制约束。 例如，Standard_D32s_v3 可以支持 16,000 MBps（或 2GBps）的最大带宽，来自 VM 的流出量（对存储进行的写入）按流量计费，而流入量（从存储进行的读取）不按流量计费。 文件共享性能受计算机网络限制、CPU、内部存储可用网络带宽、IO 大小、并行性以及其他因素的约束。
  • 初始测试通常是做准备工作。 放弃结果并重复测试。
  • 如果性能受单个客户端限制并且工作负载仍低于预配的共享限制，则可以通过将负载分散到多个客户端来实现更高性能。

IOPS、吞吐量与 I/O 大小之间的关系

吞吐量 = IO 大小 * IOPS

较高的 I/O 大小会提高吞吐量，并产生更高的延迟，从而导致净 IOPS 减少。 较小的 IO 大小会提高 IOPS，但会导致较低的净吞吐量和延迟。 若要了解详细信息，请参阅了解 Azure 文件存储性能。

SMB 多通道

SMB 多通道使 SMB 3.x 客户端能够与 SMB 文件共享建立多个网络连接。 Azure 文件存储支持 Windows 客户端的高级文件共享（FileStorage 存储帐户类型中的文件共享）上的 SMB 多通道。 在服务端，SMB 多通道在 Azure 文件存储中默认处于禁用状态，但启用 SMB 多通道不会收取额外的费用。

好处

SMB 多通道使客户端能够使用多个网络连接，从而在降低拥有成本的同时提高性能。 性能的提高是通过多个 NIC 上的带宽聚合来实现的，并利用 NIC 的接收方缩放 (RSS) 支持在多个 CPU 间分布 I/O 负载。

  • 增加吞吐量：多个连接使数据可以并行地在多个路径上进行传输，从而极大地利于将大型文件和大型 I/O 结合使用，并要求单个 VM 或较小的 VM 集提供高吞吐量的工作负载。 其中一些工作负载包括用于内容创建或转码的媒体和娱乐、基因组学以及金融服务风险分析。
  • 更高的 IOPS：NIC RSS 功能允许通过多个连接跨多个 CPU 进行有效负载分布。 这有助于实现更高的 IOPS 规模并有效利用 VM CPU。 这对于具有较小的 I/O 的工作负载（如数据库应用程序）十分有用。
  • 网络容错：多个连接可降低中断风险，因为客户端不再依赖于单个连接。
  • 自动配置：在客户端和存储帐户上启用 SMB 多通道时，它允许动态发现现有连接，并且可以根据需要创建附加连接路径。
  • 成本优化：在连接到高级共享时，工作负载可以从单个 VM 或较小VM 集实现更高规模。 这样可以减少运行和管理工作负载所需的 VM 数量，从而降低总拥有成本。

若要了解有关 SMB 多通道的详细信息，请参阅 Windows 文档。

此功能可向多线程应用程序提供更好的性能优势，但通常对单线程应用程序没什么帮助。 有关更多详细信息，请参阅性能比较部分。

限制

Azure 文件共享的 SMB 多通道当前具有以下限制：

  • 仅在使用 SMB 3.1.1 的 Windows 客户端上受支持。 确保 SMB 客户端操作系统已修补到建议的级别。
  • 它当前不支持也不建议用于 Linux 客户端。
  • 最大通道数为四，有关详细信息，请参阅此处。

配置

仅当在客户端（你的客户端）和服务端（你的 Azure 存储帐户）中启用此功能时，SMB 多通道才可发挥作用。

在 Windows 客户端上，SMB 多通道在默认情况下处于启用状态。 可以通过运行以下 PowerShell 命令来验证配置：

Get-SmbClientConfiguration | Select-Object -Property EnableMultichannel

在 Azure 存储帐户中，需要启用 SMB 多通道。 请参阅启用 SMB 多通道。

禁用 SMB 多通道

在大多数方案中（特别是多线程工作负载），客户端应该可通过 SMB 多通道提高性能。 但是，对于某些特定方案（例如单线程工作负载或出于测试目的），可能需要禁用 SMB 多通道。 有关更多详细信息，请参阅性能比较。

验证是否正确配置了 SMB 多通道

  1. 新建高级文件共享或使用现有高级共享。
  2. 确保客户端支持 SMB 多通道（一个或多个网络适配器启用了接收方缩放）。 有关更多详细信息，请参阅 Windows 文档。
  3. 将文件共享装载到客户端。
  4. 使用应用程序生成负载。 复制工具（例如 robocopy /MT）或任何性能工具（如用于读/写文件的 Diskspd）可以生成负载。
  5. 以管理员身份打开 PowerShell 并使用以下命令：Get-SmbMultichannelConnection |fl
  6. 查找 MaxChannels 和 CurrentChannels 属性。

Screenshot of Get-SMBMultichannelConnection results.

性能比较

有两种类别的读/写工作负载模式：单线程和多线程。 大多数工作负载使用多个文件，但在某些特定用例中，工作负载使用共享中的单个文件。 本部分介绍了不同的用例，以及每个用例的性能影响。 一般而言，大多数工作负载都是多线程的，在多个文件之间分布工作负载，因此它们在使用 SMB 多通道时应出现显著的性能改进。

  • 多线程/多文件：根据工作负载模式，多通道上的读取和写入 I/O 应出现显著性能提示。 在 IOPS、吞吐量和延迟方面，性能增益从 2 倍到 4 倍不等。 对于此类别，应启用 SMB 多通道以获得最佳性能。
  • 多线程/单个文件：对于此类别中的大多数用例，工作负载会受益于启用 SMB 多通道，尤其是在工作负载的平均 I/O 大小 > ~16k 时。 从 SMB 多通道中获益的几种示例方案包括单个大型文件的备份或恢复。 一种可能要禁用 SMB 多通道的例外情况是当你的工作负载需要大量小型 I/O 操作时。 在这种情况下，你可能会遇到大约 10% 的轻微性能损失。 根据用例，可考虑在多个文件间分散负载，或禁用该功能。 有关详细信息，请参阅配置部分。
  • 单线程/多文件或单个文件：对于大多数单线程工作负载，由于缺乏并行性，因此性能优势最小。 如果启用 SMB 多通道，通常性能会略微下降约 10%。 在这种情况下，最好禁用 SMB 多通道，但有一个例外。 如果单线程工作负载可以跨多个文件分布负载，并使用较大的平均 I/O 大小 (> ~16k)，则 SMB 多通道应提供有轻微的性能优势。

性能测试配置

对于本文中的图表，使用了以下配置：单个标准 D32s v3 VM，具有单个启用了 RSS 并且带四个通道的 NIC。 负载使用 diskspd.exe 生成，是 IO 深度为 10 的多线程，并且是具有各种 I/O 大小的随机 I/O。

大小 vCPU 内存:GiB 临时存储 (SSD) GiB 最大数据磁盘数 缓存和临时存储的最大吞吐量：IOPS/MBps（以 GiB 为单位的缓存大小） 最大非缓存磁盘吞吐量：IOPS/MBps 最大 NIC 数 预期的网络带宽 (Mbps)
Standard_D32s_v3 32 128 256 32 64000/512 (800) 51200/768 8 16000

Screenshot that shows the performance test configuration.

通过 SMB 多通道处理多线程/多个文件

针对 10 个文件生成负载，具有各种 IO 大小。 纵向扩展测试结果显示，在启用了 SMB 多通道时，IOPS 和吞吐量测试结果得到显著改进。 下图描绘了这些结果：

Diagram of performance.

Diagram of throughput performance.

  • 在单个 NIC 上，对于读取，性能提高了 2 到 3 倍，而对于写入，在 IOPS 和吞吐量方面提高了 3-4 倍。
  • SMB 多通道使 IOPS 和吞吐量可以达到 VM 限制，即使是使用单个 NIC 并且具有四通道限制也是如此。
  • 由于流出量（或是对存储进行的读取）不按流量计费，因此读取吞吐量能够超过发布的 VM 限制，即 16,000 Mbps (2 GiB/s)。 测试实现的吞吐量 >2.7 GiB/s。 流入量（或是对存储进行的写入）仍受 VM 限制约束。
  • 将负载分散到多个文件可实现重大改进。

此测试中使用的示例命令为：

diskspd.exe -W300 -C5 -r -w100 -b4k -t8 -o8 -Sh -d60 -L -c2G -Z1G z:\write0.dat z:\write1.dat z:\write2.dat z:\write3.dat z:\write4.dat z:\write5.dat z:\write6.dat z:\write7.dat z:\write8.dat z:\write9.dat 。

具有 SMB 多通道的多线程/单个文件工作负荷

针对单个 128 GiB 文件生成负载。 启用了 SMB 多线程时，使用多线程/单个文件的纵向扩展测试在大多数情况下显示可得到改进。 下图描绘了这些结果：

Diagram of IOPS performance.

Diagram of single file throughput performance.

  • 在平均 I/O 大小较大 (> ~16k) 的 NIC 上，读取和写入方面都得到显著提示。
  • 对于较小的 I/O 大小，启用 SMB 多通道后，对性能产生了 ~10% 的轻微影响。 可以通过将负载分散到多个文件或禁用该功能来缓解这种情况。
  • 性能仍受单个文件限制约束。

高级 SMB 文件共享的元数据高速缓存

元数据高速缓存是 SMB Azure 高级文件共享的增强功能，旨在降低元数据延迟、增加可用的 IOPS 并提升网络吞吐量。 此预览功能改进了以下元数据 API，可从 Windows 和 Linux 客户端使用：

  • 创建
  • 打开
  • Close
  • 删除

若要加入，请注册公共预览版，我们将为你提供更多详细信息。 目前，此预览功能仅适用于高级 SMB 文件共享（FileStorage 存储帐户类型的文件共享）。 使用此功能不会产生额外的费用。

区域可用性

目前，元数据高速缓存预览仅在以下 Azure 区域中可用。

  • 澳大利亚东部
  • 巴西东南部
  • 法国南部
  • 德国中西部
  • 瑞士北部
  • 阿联酋中部
  • 阿拉伯联合酋长国北部
  • 美国中西部地区

元数据高速缓存的性能改进

包含元数据的大多数工作负荷或使用模式都可以受益于元数据高速缓存。 若要确定工作负荷是否包含元数据，可以使用 Azure Monitor 按 API 维度拆分事务。

典型的元数据密集型工作负载和使用模式包括：

  • Web/应用服务
  • DevOps 任务
  • 索引/批处理作业
  • 包含主目录或其他工作负载的虚拟桌面，这些工作负载主要与许多小型文件、目录或句柄交互

下图描绘了潜在的结果。

减少元数据延迟

通过高速缓存文件和目录路径以供将来查找，元数据高速缓存可以大规模将频繁访问的文件和目录的延迟降低 30% 或更多。

Chart showing latency in milliseconds with and without metadata caching.

提高可用 IOPS

对于大规模元数据密集型工作负荷，元数据高速缓存可以增加 60% 以上的可用 IOPS。

Chart showing available IOPS with and without metadata caching.

增加网络吞吐量

对于大规模元数据密集型工作负荷，元数据高速缓存可以增加 60% 以上的网络吞吐量。

Chart showing network throughput with and without metadata caching.

后续步骤