深度解析 | 不加“DRAM“ ，物理内存可用容量如何翻倍？——深信服内存分层技术揭秘

在上一篇《全球供应链风险加剧IT基础设施如何从容应对价格变量》中我们探讨了在算力硬件紧缺、预算吃紧的大背景下用户可以通过“老旧服务器资源优化路径在极小性能损耗下实现主机可用内存的翻倍。这引发了不少用户的关注与探讨突破物理内存的容量天花板在技术上究竟是如何实现的将存储介质作为内存使用CPU 的访问延迟问题又该如何解决今天我们将打开技术“黑匣子”客观剖析深信服“内存分层技术”的底层实现逻辑、适用场景以及规划边界。为什么内存可以“分层”在企业级内存优化领域传统技术方案内存气泡、透明页共享、内存压缩、内存超分等均可以提升物理内存利用率在一定程度上缓解内存压力但提升幅度有限。当业务规模持续增长时仍然需要新的技术手段来扩展系统可用内存容量。在云原生与虚拟化环境中应用如 JVM、缓存服务、中间件通常会预留大量内存空间但真正频繁读写的活跃内存仅占 50% 左右其余部分则处于低访问的冷状态。基于这一核心特性内存分层方案得以落地将内存数据按访问热度划分为热数据层与冷数据层通过物理 DRAM 与高性能 NVMe SSD 构建统一内存资源池依托智能调度算法实现冷热数据的动态流转在保障核心业务性能的前提下突破物理内存的容量限制。DRAM 与 NVMe 如何智能协同深信服内存分层方案采用「多级内存池 智能调度引擎」的核心架构实现 DRAM 与 NVMe SSD 的高效协同在极低系统开销下完成内存的分层管理与动态调度。01 多级内存池架构设计Tier 0热数据层DRAM 承载高频访问、低延迟高敏感的热数据是业务性能的核心保障Tier 1冷数据层高性能 NVMe作为内存扩展层承载低频访问数据实现内存容量的弹性扩展。02 智能调度引擎智能调度引擎是内存分层方案的核心通过「动态区域划分 随机稀疏采样」技术以极低的系统开销获取全局内存的冷热分布实现冷热数据的精准识别与动态调度。核心包含三大能力模块冷热内存精准识别找得准通过持续的热度探测实时锁定业务真实的活跃工作集精准区分哪些是必须留在高速 DRAM 的热数据哪些是可下沉的冷页面 。内存自动化迁移挪得快自动化执行数据的“冷下沉”与“热回迁”——释放 DRAM 空间给核心业务同时确保重新活跃的数据能瞬间回到热层保障访问性能 。全链路可监测看得见持续监控内存冷热分布、页面迁移行为以及冷层访问情况形成完整的可观测能力。通过监控数据帮助运维识别潜在性能风险并为策略优化与容量规划提供依据。03 DRAM 与 NVMe 冷热数据流转DRAM→NVMe 冷页下沉流程当系统识别出低访问频率的冷页后将其纳入冷页迁移候选队列。系统为目标页面分配 NVMe 冷层存储位置将页面数据从 DRAM 写入 NVMe SSD同步更新内存映射关系。完成迁移后释放该页面对应的 DRAM 空间实现高速内存资源优先用于承载活跃数据。NVMe→DRAM 热页回迁流程当业务重新访问已下沉至 NVMe 冷层的页面时系统会实时捕获该访问请求并触发回迁流程将目标页面数据从 NVMe读取回 DRAM同步更新内存映射关系让重新活跃的数据进入高速内存层恢复正常访问性能。CPU 如何访问分层内存如何做到性能损耗较小内存分层的技术难点在于冷热数据如何快速识别、冷热页调度以及内存分层以后CPU如何快速访问内存。在内存分层体系中NVMe 设备并不是传统意义上的存储而是作为 DRAM 之下的冷内存层Cold Memory Tier 使用。因此服务器CPU访存操作均基于 DRAM 完成。其核心分为两种访问路径路径1热页命中CPU 发起访问→本地/远端 DRAM →返回数据路径2冷页未命中CPU 发起访问→目标页不在 DRAM 热层→系统将该页从 NVMe 调回 DRAM → CPU 再访问该页既然服务器CPU并不直接访问NVMe 是如何做到对性能影响较小的呢针对用户对分层后性能的疑虑系统通过以下逻辑确保业务运行的确定性统一地址空间 透明访问对应用无感知当访问DRAM 中的热页直接命中无额外开销。当访问NVMe 中的冷页触发缺页中断内核把数据从 NVMe快速拉回 DRAM再让 CPU 访问。底层由OS 内核管理CPU 访问时完全不知道数据在 DRAM 还是 NVMe由内核判断并处理。冷热数据智能调度动态区域实时调整系统会根据监控结果动态调整区域结构以平衡监控精度与系统开销。当相邻区域的访问模式相似时会自动合并区域以减少监控对象数量当检测到区域内部存在明显的访问热点时则会对区域进行分裂从而实现更细粒度的热点识别。通过区域合并与分裂的自适应机制使监控系统始终保持合理的监控粒度。低延迟 NVMe把中转开销压到最低NVMe 控制器通过 PCIe 直接读写 DRAM无需 CPU 干预仅占少量 CPU 中断资源。NVMe 硬件优势延迟10–100μs远低于 SATA SSD / 机械盘。带宽PCIe 4.0 NVMe 可达7GB/s接近 DRAM 的 1/10远高于传统存储。内存分层能做到性能影响极小核心是靠对应用透明管理 冷热数据智能调度 低延迟 NVMe让 CPU 始终在高速路径上工作。结合内核 IO 路径优化与原有 NUMA 本地亲和特性无缝继承整机内存容量翻倍实测性能下降稳定控制在 10% 以内。实测数据如下➢ 开启内存分层前物理内存容量128G占用率高达77%在Oracle性能测试中数据库 TPM 2700。➢ 开启内存分层后原本服务器可获得相当于256G内存使用效果在Oracle数据库性能测试中数据库 TPM 平均值稳定2500性能下降幅度控制在10%以内。落地实践指南业务适配场景与规划建议01 业务适配场景适配业务场景内存分层技术适用于内存总容量需求大、数据访问呈现明显冷热特征、对成本敏感且可容忍轻微偶发延迟的业务场景。例如桌面云平台、开发测试环境、非核心缓存服务、中低负载微服务集群等。非适配业务场景内存分层不适用于对访问延迟极度敏感、数据访问密集且均匀、要求严格低抖动与高稳定性的核心业务场景。例如实时交易系统、高频交易数据库、内存数据库、高频 OLTP 数据库等。深信服内存分层方案支持虚拟机颗粒度的功能启停。用户可根据不同业务的类型与特性灵活开启/关闭对应虚拟机的内存分层能力实现性能与成本的精细化管控。后续硬件价格回落可无缝在线加配扩容投资无锁定、演进无后顾之忧。02 最佳内存分层规划为平衡内存扩展效果与业务性能稳定性建议 DRAM内存分层容量11。该比例可覆盖绝大多数企业级业务场景的需求在实现内存容量翻倍的同时将业务性能波动控制在可接受范围内。在内存硬件价格持续涨价的市场环境下内存分层技术不再是单纯的性能优化手段而是一套行之有效的成本控制战略。用户可在不牺牲核心业务性能的前提下大幅削减内存硬件采购预算最大化现有 IT 资产的复用价值从容应对业务算力增长与 IT 成本管控的双重挑战。