全文概览
随着全球数据量以指数级增长，云存储巨头Dropbox通过其核心存储系统”Magic Pocket”持续突破存储规模边界。本文聚焦Dropbox如何通过SMR硬盘技术、硬件架构演进及软件优化，实现EB级存储系统的成本控制与性能提升。从2013年144TB的初代系统到2024年单平台2.7PB的第七代架构，Dropbox通过SMR技术将存储密度提升20%，同时通过移除SSD缓存等创新设计，意外实现写入吞吐量翻倍。
本文将解密其技术路径中的关键决策：如何平衡SMR硬盘的写入性能限制？如何通过硬件堆叠优化降低能耗？以及未来存储技术如HAMR如何重塑存储密度天花板。这些实践不仅为云存储行业提供宝贵经验，更揭示了存储介质与系统架构协同演进的底层逻辑。
阅读收获
掌握SMR硬盘在云存储场景中的成本优化策略与性能调优方法理解存储系统硬件演进的量化指标（容量/功耗/密度）及其商业价值获取从架构设计到介质选择的全栈存储系统优化思维框架预判未来5-10年存储技术发展路径（HAMR/3D记录等）SMR 优化创新
Storage @Dropbox Scaling Magic Pocket An Exabyte Scale Object Storage System-Fig-14.png积极采用SMR硬盘
图片介绍了存储系统采用叠瓦式磁记录 (Shingled Magnetic Recording, SMR) 技术的第一个版本 (V.0)。关键信息包括：
提高密度和成本节约： 采用 SMR 技术的主要目的是为了在相同的物理空间内存储更多的数据，从而降低存储成本。Go -> Rust (OSD & 卷管理器)： 存储系统中的 OSD（对象存储设备）和卷管理器这两个关键组件已经从 Go 语言迁移到了 Rust 语言。这通常是为了获得更好的性能、可靠性或者两者兼有。Rust 语言以其内存安全和并发性而闻名。Libzbc + 自定义磁盘格式： 系统使用了 libzbc 库以及自定义的磁盘格式。libzbc 是一个用于管理 Zoned Block Commands (ZBC) 的库，ZBC 与 SMR 硬盘的管理密切相关。自定义磁盘格式则可能是为了更好地适应 SMR 硬盘的特性。SSD 缓存用于暂存写入： 系统使用了固态硬盘 (SSD) 作为缓存来暂存写入操作。这是因为 SMR 硬盘在写入时有特殊的限制，通常顺序写入性能较好，而随机写入性能较差。SSD 缓存可以帮助将随机写入转化为顺序写入，从而提高整体写入性能。元数据在传统区域： 硬盘上的元数据存储在传统的非 SMR 区域。这可能是为了确保对元数据的快速随机访问，因为 SMR 区域的写入方式可能不适合频繁的元数据更新。14TB 硬盘： 系统使用的是 14TB 容量的硬盘。https://github.com/dropbox/pb-jelly – Rust protobuf 代码生成框架： 提到了一个 GitHub 上的链接，指向一个用 Rust 编写的 protobuf 代码生成框架。这表明系统内部可能使用了 Protocol Buffers 进行数据序列化和通信，并且 Dropbox 团队自己开发了一个 Rust 版本的代码生成工具。
图片中还展示了一个“SMR 磁道布局”的示意图，说明了 SMR 硬盘通过重叠磁道来提高存储密度的方式。
这张图片描述了该存储系统为了提高存储密度和降低成本而采用 SMR 技术的初步尝试，并介绍了相关的技术选型和优化策略，例如核心组件的 Rust 语言迁移、使用 libzbc 和自定义磁盘格式来管理 SMR 硬盘，以及利用 SSD 缓存来提升写入性能。
SMR 技术在 HDD 领域的应用前景展望
积极方面：
持续增长的容量需求： 随着数据量的爆炸式增长，对存储容量的需求也在不断攀升。SMR 技术能够显著提高 HDD 的存储密度，在相同的物理空间内存储更多数据，这对于满足日益增长的容量需求至关重要。成本效益： 相较于传统的 CMR (Conventional Magnetic Recording) 硬盘，SMR 硬盘通常具有更高的容量和更低的单位存储成本。这对于对成本非常敏感的应用场景，如云存储、大数据归档、监控存储等，具有很强的吸引力。特定应用场景的契合： SMR 硬盘的特性使其非常适合于写入次数较少、读取次数较多的应用场景，例如数据归档、备份、冷存储等。在这些场景下，SMR 硬盘的写入性能限制并不构成主要瓶颈。行业领导者的推动： 像 Dropbox 这样的行业领导者积极采用并优化 SMR 技术，表明该技术在实际应用中是可行的，并且能够带来明显的成本和容量优势。他们的经验和实践也会推动整个行业对 SMR 技术的接受和应用。技术进步： 随着技术的不断发展，未来可能会出现新的方法来克服 SMR 硬盘的写入性能限制，例如更智能的缓存管理、更优化的磁盘格式等。
需要考虑的方面：
写入性能限制： SMR 硬盘的写入方式决定了其在随机写入性能方面不如传统的 CMR 硬盘。这使得 SMR 硬盘不太适合需要频繁进行随机写入的应用场景，例如作为操作系统的主硬盘或高负载的事务型数据库存储。软件和系统适配： 为了充分利用 SMR 硬盘的容量优势并克服其性能限制，需要在操作系统、文件系统、存储管理软件等层面进行相应的适配和优化。例如，Dropbox 采用了 libzbc 库和自定义磁盘格式，并利用 SSD 缓存来缓解写入性能问题。用户接受度： 对于一些对性能要求较高的用户来说，SMR 硬盘的写入性能可能会成为一个顾虑。厂商需要在产品宣传和技术支持方面做好工作，帮助用户理解 SMR 硬盘的适用场景。
Storage @Dropbox Scaling Magic Pocket An Exabyte Scale Object Storage System-Fig-15.pngSSD 缓存容量瓶颈
图片展示了一个关于存储系统 SSD 缓存瓶颈的趋势。图表横轴是时间，从 2020 年初到 2022 年底，纵轴是存储服务器数量和磁盘容量。
图表显示，随着时间的推移，存储服务器的数量呈现下降趋势，而磁盘容量则呈现上升趋势。这表明每个服务器的存储密度在不断增加，可能得益于采用了更高容量的硬盘，例如之前提到的 14TB 的 SMR 硬盘。
关键信息是，“聚合磁盘的吞吐量开始高于每个服务器一到两个 SSD 的吞吐量”。这意味着，随着单个服务器上聚合的硬盘数量和总吞吐量的增加，服务器上配置的一到两个 SSD 作为缓存可能已经无法满足性能需求，成为了系统的瓶颈。
图片揭示了随着存储密度的提高，原有的 SSD 缓存策略可能已经无法有效提升整体性能，反而成为了限制系统吞吐量的瓶颈。这可能需要对 SSD 缓存的大小、数量或使用策略进行重新评估和调整。
Storage @Dropbox Scaling Magic Pocket An Exabyte Scale Object Storage System-Fig-16.pngOSD 当前版本
图片介绍了当前版本的 OSD（对象存储设备），其中一个显著的变化是移除了 SSD 缓存。这一改动带来了以下影响和原因：
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移除 SSD 缓存： 之前版本中用于加速写入操作的 SSD 缓存已被移除。更简单的软件栈： 移除 SSD 缓存简化了存储系统的软件架构。更少的硬件组件： 每个存储服务器减少了一个硬件组件（SSD 缓存盘），降低了硬件成本和复杂性。性能提升： 令人意外的是，移除 SSD 缓存后，系统的性能反而得到了提升。图片下方的图表显示，在移除 SSD 缓存后，写入吞吐量（每秒写入操作数）从约 588 提升到了约 1300 以上，同时写入操作的延迟也从 1-1.5 秒降低到了约 0.5 秒。高比例的 SMR 硬盘： 当前集群中超过 95% 的硬盘是 SMR 硬盘，这表明系统已经大规模采用了这种高密度的存储技术。
图片中还对比了带有 SSD 缓存和不带 SSD 缓存的存储引擎架构，以及它们在写入吞吐量和延迟方面的表现。数据清晰地表明，在当前的 OSD 版本中，直接使用 SMR 硬盘的性能要优于使用 SSD 缓存的方案。
图片揭示了一个重要的架构演进，即通过移除 SSD 缓存，该存储系统在简化设计、降低成本的同时，还实现了写入性能的显著提升。这可能归功于软件栈的优化以及对 SMR 硬盘特性的更深入理解和利用。
存储硬件演化
Storage @Dropbox Scaling Magic Pocket An Exabyte Scale Object Storage System-Fig-17.png图片展示了存储系统硬件的演进历程，从第一代到第七代（及更新），时间跨度从 2013 年到 2024 年。可以看出，存储硬件经历了显著的容量增长：
第一代 (2013) – Big Show： 总容量为 144 TB，使用 36 块 4TB 的硬盘。第二代 (2014) – Andre： 总容量提升至 192-240 TB，硬盘数量增加到 48-60 块，单块容量仍为 4TB。第三代 (2016) – Atlas： 总容量达到 270 TB，硬盘数量略有减少（35-45 块），但单块容量提升至 6-8TB。第四代 (2017) – Axel： 总容量大幅提升至 624-720 TB，硬盘数量显著增加到 78-90 块，单块容量为 8TB。第五代 (2018) – Stimpy： 总容量达到 1.4-1.6 PB（拍字节），硬盘数量增加到 100-102 块，单块容量提升至 14-16TB。第六代 (2023) – Scooby： 总容量进一步提升至 1.8-2.6 PB，硬盘数量保持在 100-102 块，单块容量提升至 18-25TB。第七代及更新 (2024) – Sonic： 总容量达到 2.7 PB 以上，硬盘数量略微减少至 96 块，但单块容量大幅提升至 28TB 以上。
Storage @Dropbox Scaling Magic Pocket An Exabyte Scale Object Storage System-Fig-18.png存储平台的挑战
图片列出了存储平台面临的一些挑战：
振动余量： 硬盘对振动比较敏感，过大的振动可能导致 I/O 性能下降，甚至出现写入或读取失败的情况。因此，需要确保存储平台具有足够的振动余量，以保证系统的稳定运行。温控： 存储设备在运行过程中会产生热量，过高的温度会影响硬盘的年故障率 (Annualized Failure Rate, AFR)，降低其寿命。良好的散热和温度控制对于保证硬件的可靠性至关重要。重量和功耗： 大规模存储平台通常重量较大，功耗也较高。在部署和运维过程中需要特别注意这些因素，例如机房的承重能力、电力供应以及能耗成本等。服务等级协议 (SLAs)： 为了满足服务等级协议的要求，存储平台需要保证较低的年故障率 (AFR)，这意味着需要采取各种措施来提高硬件的可靠性。此外，还需要有效地管理数据的“填充和排空”过程，这可能涉及到数据迁移、容量扩展或退役等操作。
Storage @Dropbox Scaling Magic Pocket An Exabyte Scale Object Storage System-Fig-20.png平台硬盘演进历程
图片概述了存储平台中硬盘的演进历程。关键信息如下：
2018 年在 14TB 容量的硬盘上启用 SMR 技术： 这标志着叠瓦式磁记录 (SMR) 技术开始被应用到该存储平台中。当时，该平台已经积累了 7 年的运行经验。SMR 技术带来额外的 10-20% 容量提升： 采用 SMR 技术后，在相同的物理尺寸下，硬盘的存储容量能够额外增加 10% 到 20%。超过 95% 的集群使用 SMR 硬盘： 目前，该存储平台超过 95% 的硬盘都采用了 SMR 技术，这表明 SMR 已经成为其主要的存储介质。磁盘技术发展趋势：盘片数量增加： 硬盘内部的盘片数量持续增加，这是提高总容量的常见方法。面密度： 硬盘盘片上的磁记录密度（单位面积存储的数据量）也在不断提高，这也是容量增长的关键因素。SMR： 叠瓦式磁记录技术是提高硬盘容量的重要驱动力。
Storage @Dropbox Scaling Magic Pocket An Exabyte Scale Object Storage System-Fig-21.png平台能效研究
图片展示了存储硬件在不同代数之间，存储 1 Exabyte 数据所需的功耗变化情况。可以看出，随着硬件的演进，存储效率和功耗控制都得到了显著提升：
第四代： 存储 1 Exabyte 数据需要 1456 个机架，每个机架的 p90 功耗为 6.46 kW，总功耗高达 9408 kW。第五代： 存储 1 Exabyte 数据所需的机架数量大幅减少到 642 个，每个机架的 p90 功耗略微上升到 7.6 kW，总功耗降至 4883 kW。第六代： 机架数量进一步减少到 411 个，每个机架的 p90 功耗继续上升到 8.2 kW，总功耗进一步降低到 3371 kW。第七代： 存储 1 Exabyte 数据所需的机架数量最少，为 360 个，但每个机架的 p90 功耗上升到 10 kW，总功耗为 4000 kW。虽然第七代的总功耗比第六代略有上升，但仍然远低于第四代和第五代。
图片下方着重对比了第四代和第七代存储硬件在存储 1 Exabyte 数据时的差异：第七代相比第四代，功耗降低了一半 (½ the Power)，并且占用的空间减少了 75% (75 % less space)。
未来方向
Storage @Dropbox Scaling Magic Pocket An Exabyte Scale Object Storage System-Fig-22.png存储密度不断攀升
图表上绘制了不同硬盘记录技术的演进趋势，包括：
PMR: 垂直磁记录 (Perpendicular Magnetic Recording)，包括带有或不带有叠瓦式磁记录 (SMR) 的二维磁记录 (TDMR)。该技术在 2018 年至 2022 年间占据主要地位，面密度约为 1 Tb/in²。E-PMR / MAMR: 增强型 PMR，带有或不带有能量辅助，包括微波辅助磁记录 (MAMR)。该技术从 2022 年开始发展，预计在 2026 年左右面密度将超过 1 Tb/in²。HAMR: 热辅助磁记录 (Heat-Assisted Magnetic Recording)。该技术预计在 2030 年左右面密度将达到 10 Tb/in²。HAMR + HAMR with ordered granular media: 带有有序颗粒介质的 HAMR。HAMR + HDMR / 3D: 带有热点磁记录 (HDMR) 的 HAMR 和三维记录 (3D)。HDMR / 3D: 热点磁记录和三维记录。
Storage @Dropbox Scaling Magic Pocket An Exabyte Scale Object Storage System-Fig-23.png复杂系统IO管理
图片描述了一个存储系统面临的复杂工作负载场景。图表形象地展示了在存储设备的不同区域同时发生的多种类型的操作，包括实时的写入（Live Writes）和读取（Live Read）、数据擦洗（Scrub）、全条带写入（Full Stripe Writes）以及行区域更新（Row Zone Updates）。
右侧的文字进一步说明了这种工作负载的特点是“非常混合”，包含“主要是随机的 IOPS”（每秒输入/输出操作数），并且“平均负载为 1MiB”。这暗示了该存储系统需要处理各种各样且无规律的读写请求，这对于系统的性能和效率可能带来挑战。
延伸思考
这次分享的内容就到这里了，或许以下几个问题，能够启发你更多的思考，欢迎留言，说说你的想法~
当SMR硬盘占比超过95%时，如何设计容错机制应对其写入性能波动？在SSD缓存被移除后，系统性能反而提升的现象，是否暗示存储架构设计的范式转变？HAMR技术需要激光加热磁头，这对存储系统的散热设计会产生哪些颠覆性挑战？
原文标题：Storage @Dropbox Scaling Magic Pocket An Exabyte Scale Object Storage System
以上就是Dropbox：SMR技术驱动成本与性能双赢的详细内容，更多请关注创想鸟其它相关文章！
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