最新的Windows Server 2022作業系統中，內建了SBC儲存匯流排快取機制，讓中小型企業組織以最少的IT預算就能夠提供高靈活性和高儲存效能方案。對此，本文將深入剖析並透過實戰演練的方式詳細加以說明。
當企業和組織嘗試建立「雲端原生」（Cloud Native）的各項應用時，卻經常會忽略「雲端基礎架構」（Cloud Infrastructure）的重要性。
舉例來說，由於雲端基礎架構效能不佳，導致上層的應用中，雖然已經將應用服務拆分為多台VM虛擬主機或多個容器或多項微服務，卻因為雲端基礎架構效能不佳，導致各項服務之間溝通緩慢，進而造成整體回應時間過長或等候逾時等問題。
此外，對於中小型企業組織來說，在IT預算並不充足的情況下，經常難以建構完整的雲端基礎架構，舉例來說，擔任運算資源的伺服器數量不多、無法配置高階儲存設備、無法建構超融合基礎架構（HCI）或軟體定義儲存（SDS）環境等等。因此，在本文中將說明和實戰演練如何透過最新Windows Server 2022作業系統中內建的「儲存匯流排快取」（Storage Bus Cache，SBC）機制，讓「單台主機」（Standalone Server）輕鬆建構出軟體定義儲存環境，為上層各項雲端原生應用程式提供充足的儲存效能，讓上層的VM虛擬主機、容器、微服務等等應用能無後顧之憂盡情發揮效能和靈活性，讓有限的IT預算發揮最大的優勢。
SBC儲存匯流排快取運作架構
在舊版的Windows Server運作環境中，獨立伺服器並無法使用Storage Spaces Direct相關技術，必須整合多台Windows Server並建構容錯移轉叢集後才能使用。
而最新的Windows Server 2022版本中，單台的獨立伺服器只要硬體配置時，採用混合式的儲存媒體裝置，例如SSD + HDD或NVMe + HDD的情況下，便能啟用SBC儲存匯流排快取機制，讓獨立伺服器能夠大幅提升資料讀取和寫入效能，如圖1所示。
圖1 獨立伺服器支援SBC儲存匯流排快取機制運作架構示意圖。 （圖片來源：Microsoft Docs – 在獨立伺服器上啟用具有儲存空間的儲存匯流排快取）
獨立伺服器啟用SBC快取機制
以下實戰演練將採用最新Windows Server 2022伺服器版本，除了安裝Window Server 2022作業系統的硬碟外，還額外配置「4個」容量300GB的SSD固態硬碟，以及「6個」容量1TB的HDD機械式硬碟，這10個不同儲存媒介的硬碟裝置，將會透過Storage Spaces儲存堆疊技術融合在一起，然後啟用SBC儲存匯流排快取機制，達到大幅提升資料讀取和寫入儲存效能，同時具備高靈活性和高可用性的目標。
值得注意的是，當獨立伺服器啟用SBC儲存匯流排快取機制時，硬碟類型僅支援混合式儲存架構，例如NVMe + HDD或SSD + HDD，如圖2所示，不支援採用All-Flash儲存架構，例如全部NVMe或SSD或NVMe + SSD，如圖3所示。
圖2 混合式硬碟儲存架構示意圖。 （圖片來源：瞭解Azure Stack HCI和Windows伺服器叢集中的存放集區快取 - Azure Stack HCI | Microsoft Docs）
圖3 All-Flash儲存架構示意圖。 （圖片來源：瞭解Azure Stack HCI和Windows伺服器叢集中的存放集區快取 - Azure Stack HCI | Microsoft Docs）
安裝容錯移轉叢集功能
雖然是獨立伺服器的運作環境，但在啟用SBC儲存匯流排快取機制之前，必須為Windows Server 2022安裝「容錯移轉叢集」伺服器功能才行，因為系統需要叢集元件才能順利啟用SBC儲存匯流排快取機制。
登入主機後，依序點選「Server Manager > Manage > Add Roles and Features > Role-based or feature-based installation > Failover Clustering」項目，進行伺服器功能的安裝，如圖4所示，或執行PowerShell指令「Install-WindowsFeature –Name Failover-Clustering –IncludeManagementTools」進行安裝作業。
圖4 為獨立伺服器安裝容錯移轉叢集伺服器功能。
值得注意的是，雖然為獨立伺服器安裝容錯移轉叢集伺服器功能，但是它並不能加入任何一個容錯移轉叢集中，也就是它不能成為任何一個容錯移轉叢集的成員節點主機。
簡單來說，獨立伺服器要能成功啟用SBC儲存匯流排快取機制，必須滿足三個條件，分別是採用Windows Server 2022伺服器版本、採用混合式儲存架構、安裝容錯移轉叢集伺服器功能。倘若主機有下列任一情況出現時，便無法成功啟用SBC儲存匯流排快取機制：
‧採用Windows Server 2019或更舊的伺服器版本
‧採用All-Flash全快閃儲存架構
‧主機已經加入容錯移轉叢集成為叢集中的成員節點主機
調整部署模式和快取百分比
在正式啟用SBC儲存匯流排快取機制之前，先在PowerShell視窗中執行「Get-PhysicalDisk | Sort-Object Size」指令，確認獨立伺服器額外配置的儲存裝置，如圖5所示，可以看到總共配置4個300GB的SSD固態硬碟，以及6個1TB的HDD機械式硬碟，並且除了安裝Windows Server 2022的系統磁碟外，其餘額外配置的硬碟在「CanPool」欄位皆為「True」，表示這些硬碟稍後可以加入Storage Pool當中。
圖5 獨立伺服器額外配置4個300GB的SSD固態硬碟和6個1TB的HDD機械式硬碟。
接著，執行「Get-StorageBusCache」指令，查詢系統預設的SBC儲存匯流排快取進階參數值內容，例如部署模式和快取百分比，如圖6所示。因為一旦獨立伺服器啟用SBC儲存匯流排快取機制後，這些進階參數值內容系統將會自動鎖定且無法進行任何變動，所以管理人員倘若希望調整進階參數值內容的話，必須在啟用SBC儲存匯流排快取機制之前進行調整才行。
圖6 查詢系統預設的SBC儲存匯流排快取進階參數值內容。
原則上，資料存取類型為一般用途時，無須調整任何系統預設值，倘若需要調整也建議僅調整部署模式和共用取快百分比即可，其他進階欄位並不建議調整。下列為SBC儲存匯流排快取進階參數值內容各項欄位說明：
‧ProvisionMode：部署模式，在SBC儲存匯流排快取架構中共支援兩種部署模式，分別是「共享」（Shared）和「快取」（Cache），系統預設值為採用共享部署模式。簡單來說，採用共享部署模式時，資料快取空間僅會佔用較快媒體裝置，例如SSD或NVMe的固定百分比，而採用快取部署模式時，則資料快取空間會佔用較快媒體裝置的所有儲存空間。管理人員執行PowerShell的「Set-StorageBusCache -ProvisionMode Cache」指令，即可調整為快取部署模式。
‧SharedCachePercent：共用快取百分比，當採用共享部署模式時，此進階參數值才會套用生效，系統預設值為15%，管理人員可以調整的百分比範圍為5%～90%。值得注意的是，當規劃採用「鏡像加速同位元」（Mirror-Accelerated Parity）磁碟區時，共用快取百分比不建議使用超過50%，因為在快取資料和鏡像層級之外必須保持平衡，否則儲存比例失衡的情況下將會影響儲存效能造成反效果。舉例來說，管理人員可以執行PowerShell的「Set-StorageBusCache -SharedCachePercent 30」指令，將共用快取百分比調整至30%。
‧CacheMetadataReserveBytes：中繼資料儲存空間，當採用快取部署模式時此進階參數值才會套用生效，系統預設建立32GB儲存空間，用途為存放屆時Storage Pool和Virtual Disk等中繼資料。
‧CacheModeHDD：HDD儲存層級快取模式，系統預設採用ReadWrite組態設定，表示允許HDD儲存層級快取資料的方式為讀取和寫入。當採用「簡單空間」（Simple Space）磁碟區時，則快取資料方式支援ReadWrite或WriteOnly類型。
‧CacheModeSSD：SSD儲存層級快取模式，系統預設採用WriteOnly組態設定，表示SSD儲存層級快取資料的方式為寫入。
‧CachePageSizeKBytes：快取資料大小，系統預設為16KB，管理人員可以視資料型態調整大小為8KB、16KB、32KB、64KB。
‧Enabled：確認SBC儲存匯流排快取機制，是否為啟用狀態。
啟用SBC儲存匯流排快取機制
獨立伺服器運作環境準備完畢，並且管理人員依據需求調整SBC儲存匯流排快取進階參數值內容後，執行PowerShell的「Import-Module StorageBusCache」指令，匯入SBC儲存匯流排快取Cmdlet。
接著，執行「Enable-StorageBusCache」指令，系統將會自動執行多個動作，以便將SSD固態硬碟和HDD機械式硬碟融合在一起，包括將所有硬碟融合後建立Storage Pool、自動為較快的SSD固態硬碟和較慢的HDD機械式硬碟建立儲存層級、新增並啟用SBC儲存匯流排快取機制等等。
順利啟用SBC儲存匯流排快取機制後，執行「Get-StoragePool」指令以查看系統自動建立的Storage Pool資訊，並再次執行「Get-PhysicalDisk」指令，可以發現融合後的SSD固態硬碟和HDD機械式硬碟，在「Number」欄位數值改變為大於500，表示該儲存裝置已經被SBC儲存匯流排快取機制，宣告為使用中的儲存裝置，並且「CanPool」欄位也從原本的True改變為「False」，如圖7所示。
圖7 啟用SBC儲存匯流排快取機制。
可以再次執行「Get-StorageBusCache」指令，確認目前SBC儲存匯流排快取的部署模式，以及Enabled欄位是否為True，確認系統已經正確啟用。此外，管理人員應該很好奇6個HDD機械式硬碟如何使用SSD固態硬碟，從剛才的「Get-PhysicalDisk」指令結果中，可以看到SSD固態硬碟的編號為「506 - 509」，而HDD機械式硬碟的編號為「500 - 505」，執行「Get-StorageBusBinding」指令，可以看到哪個HDD機械式硬碟使用哪個SSD固態硬碟，例如本文實作環境中，編號500的HDD機械式硬碟搭配使用編號509的SSD固態硬碟，如圖8所示。
圖8 確認SBC儲存匯流排快取啟用狀態和檢查儲存裝置繫結狀態。
建立磁碟區
現在管理人員可以依據需求，建立不同用途的磁碟區，在SBC儲存匯流排快取儲存架構中，可建立具備災難復原機制的「鏡像加速同位」，但快取類型僅「讀取」的磁碟區，或是建立無法容忍任何硬碟故障的「Simple」，但快取類型支援「讀取和寫入」的磁碟區。
在本文實作環境中，鍵入PowerShell指令「New-Volume –FriendlyName "Mirror-Parity" -FileSystem ReFS -StoragePoolFriendlyName Storage* -StorageTierFriendlyNames MirrorOnSSD, ParityOnHDD -StorageTierSizes 200GB, 800GB」，建立鏡像加速同位類型且儲存空間為1TB的磁碟區，其中佔用200GB位於SSD固定態硬碟的鏡像層，以及800GB位於HDD機械式硬碟中的同位層所組成。
接著鍵入PowerShell指令「New-Volume -FriendlyName "TestVolume" -FileSystem ReFS -StoragePoolFriendlyName Storage* -ResiliencySettingName Simple -Size 1TB」，建立Simple類型儲存空間為1TB的磁碟區，具備讀取和寫入快取機制，但無法容忍任何硬碟發生故障。
完成建立兩種不同類型的磁碟區後，執行PowerShell指令「Get-VirtualDisk」，查詢磁碟區健康情況和相關資訊，可以看到建立的1TB鏡像加速同位類型磁碟區，其實在Storage Pool中佔用1.76TB儲存空間，這也是為何鏡像加速同位類型磁碟區具備災難復原的原因，如圖9所示。
圖9 建立鏡像加速同位類型和Simple類型的磁碟區。
值得注意的是，剛才建立的磁碟區並未指定磁碟區代號，為了稍後方便測試災難復原機制，可以透過PowerShell指令，先以「Get-Disk」查詢要指定磁碟機代號的磁碟，接著以「Get-Partition -DiskNumber」查詢磁碟中的分割區，之後執行「Set-Partition -NewDriveLetter」指令，即可指定磁碟機代號，最後以「Get-Volume」指令確認磁碟機代號是否套用生效，可以看到本文實作環境中指派鏡像加速同位類型磁碟區採用「M」，而Simple類型採用「S」磁碟機代號，如圖10所示。
圖10 為鏡像加速同位和Simple指定磁碟機代號。
擴充磁碟區儲存空間
因應企業和組織不斷成長的專案需求，一開始建立的磁碟區儲存空間可能會發生不足的情況，此時管理人員能夠輕鬆透過PowerShell指令，擴充原有的磁碟區儲存空間。值得注意的是，鏡像加速同位類型和Simple類型的磁碟區，這兩種不同類型的磁碟區作法可能稍有不同，並且了解儲存架構的階層，從上層的「Volume > Partition > Disk > Virtual Disk」到底層的「Storage Tier」，這將有助於擴充磁碟區儲存空間工作任務，如圖11所示。
圖11 磁碟區儲存堆疊架構示意圖。 （圖片來源：展開Azure Stack HCI和Windows伺服器叢集上的磁片區 - Azure Stack HCI | Microsoft Docs）
首先，執行「Get-VirtualDisk」指令，了解磁碟區的FriendlyName，接著搭配「Get-StorageTier」指令，檢查需要擴充儲存空間的磁碟區是否使用儲存層，在本文實作環境中，Simple類型磁碟區便沒有使用儲存層，而鏡像加速同位類型磁碟區則有使用儲存層，如圖12所示。
圖12 檢查需要擴充儲存空間的磁碟區是否使用儲存層。
針對沒有使用儲存層的磁碟區，可以直接使用「Resize-VirtualDisk -Size」指令擴充磁碟區儲存空間。針對1TB的Simple類型磁碟區，先將底層的VirtualDisk儲存空間進行擴充，執行「Get-VirtualDisk Simple | Resize-VirtualDisk -Size 1.5TB」指令，即可看到VirtualDisk已經從原本的1TB擴充為1.5TB，但磁碟區的部分仍顯示為1TB儲存空間，如圖13所示。
圖13 擴充Simple類型磁碟區的VirtualDisk儲存空間。
順利擴充VirtualDisk儲存空間後，可透過「Get-Partition | Where PartitionNumber -Eq 2」指令，指定磁碟區中的PartitionNumber =2進行分割區擴充儲存空間的工作任務，最後執行「Get-Volume S」指令，確認Simple類型磁碟區已經順利擴充至1.5TB的儲存空間，如圖14所示，並且資料讀取和寫入也正常無誤。
圖14 順利擴充Simple類型磁碟區至1.5TB的儲存空間。
與擴充Simple類型磁碟區工作任務類似，只是在擴充VirtualDisk的部分，必須先針對鏡像加速同位類型磁碟區的儲存層進行擴充之後，才進行分割區擴充的工作任務。
首先，執行「Get-VirtualDisk Mirror-Parity | Get-StorageTier」指令，確認每個儲存層級的儲存空間大小，在本文實作環境中，僅將HDD機械式硬碟的儲存空間，由原本的800GB擴充為1TB儲存空間，至於SSD固態硬碟儲存層則保持原有的200GB，之後再執行「Resize-Partition」指令擴充鏡像加速同位類型磁碟區分割區。最後，執行「Get-Volume M」指令，確認鏡像加速同位類型磁碟區已經順利擴充至1.2TB的儲存空間，如圖15所示，並且資料讀取和寫入也正常無誤。
圖15 順利擴充鏡像加速同位類型磁碟區至1.2TB的儲存空間。
擴充Storage Pool儲存空間
當磁碟區空間不足時，管理人員可以透過上述PowerShell指令，線上擴充鏡像加速同位和Simple類型磁碟區儲存空間。同樣地，最底層Storage Pool儲存空間不足時，可以為Windows Server 2022主機額外增加實體SSD固態硬碟或HDD機械式硬碟，以便擴充底層Storage Pool儲存空間。
在本文實作環境中，為Windows Server 2022主機再新增1個300GB的SSD固態硬碟，以及2個1TB的HDD機械式硬碟。執行「Get-StoragePool」指令，確認目前Storage Pool的整體空間為6.99TB，若執行「Get-PhysicalDisk」指令，可以看到稍後要加入Storage Pool的3個硬碟，並且CanPool欄位為「True」，如圖16所示。
圖16 準備將新增的SSD固態硬碟和HDD機械式硬碟加入Storage Pool。
執行「Update-StorageBusCache」指令，系統便會自動將SSD固態硬碟和HDD機械式硬碟加入至Storage Pool整體儲存空間當中。完成後再次執行「Get-StoragePool」指令，Storage Pool儲存空間將由原本的6.99TB擴充為「9.23TB」，並且所有的硬碟CanPool欄位皆為「False」，如圖17所示。
圖17 順利擴充Storage Pool儲存空間。
實務上，需要擴充Storage Pool儲存空間時，表示原有的硬碟中儲存空間已經耗盡，新加入的硬碟則是許多儲存空間，這表示資料的分佈並不平均會影響資料讀取和寫入效能，建議在加入新的硬碟之後執行「Get-StoragePool Storage* | Optimize-StoragePool」指令，針對Storage Pool執行資料「最佳化」（Optimize）和「重新平衡」（Rebalance）的工作任務。
順利加入新增的SSD硬碟和HDD機械式硬碟後，執行「Get-StorageBusBinding」指令，再次查看SSD硬碟和HDD機械式硬碟的對應關係，如圖18所示。
圖18 查看SSD固態硬碟和HDD機械式硬碟的對應關係。
值得注意的是，新增硬碟並不會影響資料「讀取快取」的部分，因為先前執行「Enable-StorageBusCache」指令後，系統便會自動鎖定進階功能，無法變更部署模式、共用快取百分比、快取模式和對應關係等等，管理人員只能透過「Remove-StorageBusBinding」和「New-StorageBusBinding」重新指定快取模式對應關係，但將會遺失現有的「讀取快取」。
災難復原測試
無論儲存架構多麼靈活並具備高效能，倘若無法承受災難事件，例如SSD固態硬碟或HDD機械式硬碟故障損壞，相信無法被企業和組織所接受。
現在，針對Windows Server 2022主機，分別隨機移除1個SSD固態硬碟和2顆HDD機械式硬碟，模擬硬碟發生故障損壞的情況，驗證剛才建立的鏡像加速同位類型和Simple類型是否能夠承受災難事件資料不致遺失或損壞，並驗證災難事件發生後磁碟區能否繼續進行資料讀取和寫入等動作。
執行「Get-StoragePool」指令，可以看到Storage Pool的健康狀態欄位OperationalStatus和HealthStatus，從原本的OK、Healthy轉變成目前發生災難事件的Degraded、Warning，表示雖然有硬碟發生故障損壞，但是Storage Pool整體仍然能夠正常運作。
執行「Get-VirtualDisk」指令，可以看到VirtualDisk健康狀態欄位的轉變，其中Simple類型磁碟區從原本的OK、Healthy變為No Redundancy、Unhealthy，並且磁碟機S:已經無法存取，而鏡像加速同位類型磁碟區從原本的OK、Healthy變為Degraded, Incomplete、Warning，並且磁碟機M:仍然能夠正常存取進行資料讀取和寫入，表示鏡像加速同位類型具備災難復原的能力，而Simple類型則無。
最後，執行「Get-PhysicalDisk」指令，可以看到發生故障損壞的實體硬碟，除了硬碟代號消失之外，在健康狀態欄位的轉變從原本的OK、Healthy，轉變成為Lost Communication、Warning的狀態，如圖19所示。
圖19 查詢Storage Pool、VirtualDisk、實體硬碟健康狀態。
後續，只要為Windows Server 2022主機更換故障損壞的實體硬碟，然後確認系統偵測到新加入的實體硬碟，並且CanPool欄位為True之後，再次執行「Update-StorageBusCache」指令，即可成功更換故障損壞的實體硬碟，並將新增的實體硬碟加入Storage Pool儲存空間內。
＜本文作者：王偉任，Microsoft MVP及VMware vExpert。早期主要研究Linux/FreeBSD各項整合應用，目前則專注於Microsoft及VMware虛擬化技術及混合雲運作架構，部落格weithenn.org。＞