針對(duì)固態(tài)盤的I-O優(yōu)化技術(shù)研究.pdf

1、當(dāng)今時(shí)代，信息技術(shù)已經(jīng)融入人類生活的方方面面，社會(huì)各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域都離不開各種信息化服務(wù)、應(yīng)用及海量數(shù)據(jù)的支持，并繼續(xù)推動(dòng)各種信息數(shù)據(jù)的容量和類型的迅猛增長，及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的規(guī)模、種類和性能的不斷提升。隨著大數(shù)據(jù)應(yīng)用的日益廣泛普及，越來越多的數(shù)據(jù)量在越來越短的時(shí)間窗口內(nèi)被各類應(yīng)用產(chǎn)生，這些海量數(shù)據(jù)給高性能存儲(chǔ)系統(tǒng)容量帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
　　由傳統(tǒng)的機(jī)械磁盤HDD（Hard Disk Drive）構(gòu)成的存儲(chǔ)系統(tǒng)的I/O性能長期以來一直是整

2、個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能瓶頸，近年來，基于閃存（Flash Memory）的固態(tài)盤SSD（Solid State Drive）技術(shù)得到了很大進(jìn)步，與機(jī)械磁盤不同,固態(tài)盤是基于半導(dǎo)體芯片構(gòu)成的，沒有機(jī)械部件，因此具有高可靠性、高性能、低功耗、非易失等顯著優(yōu)勢，成為未來替代傳統(tǒng)機(jī)械硬盤的新型存儲(chǔ)設(shè)備，有望消除存儲(chǔ)系統(tǒng)的I/O性能瓶頸從而給存儲(chǔ)系統(tǒng)帶來根本性變革。隨著固態(tài)盤硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步，閃存芯片的價(jià)格也逐年下降，使得基于閃存的固態(tài)盤得以走向廣

3、泛應(yīng)用。例如現(xiàn)在已經(jīng)有不少筆記本電腦采用固態(tài)盤來加速系統(tǒng)啟動(dòng)、優(yōu)化I/O性能，并同時(shí)使筆記本具有速度快、耐用防震、無噪音、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。
　　固態(tài)盤具有明顯的性能優(yōu)勢，因此，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的愈加成熟及固態(tài)盤在存儲(chǔ)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛和重要，研究針對(duì)固態(tài)盤的I/O優(yōu)化技術(shù)，提高固態(tài)盤存儲(chǔ)系統(tǒng)I/O性能和可靠性，降低系統(tǒng)能耗，具有重要研究意義。
　　本文從以下幾個(gè)方面對(duì)針對(duì)固態(tài)盤的I/O優(yōu)化技術(shù)展開研究，提高其可靠性及性能，同

4、時(shí)降低系統(tǒng)能耗。
　　1）提出了一種新的內(nèi)部混合架構(gòu)的固態(tài)盤（SMARC）設(shè)計(jì)方法，同時(shí)包含SLC和MLC兩種閃存體。通過定期在兩個(gè)不同部分（SLC和MLC區(qū)域）之間根據(jù)運(yùn)行的工作負(fù)載動(dòng)態(tài)遷移數(shù)據(jù)，所提出的架構(gòu)能夠充分利用各自的優(yōu)勢互補(bǔ)，以提高系統(tǒng)整體性能和可靠性并降低能源消耗。基于各種工作負(fù)載的仿真結(jié)果顯示出，SMARC可以有效地改善系統(tǒng)性能，同時(shí)，顯著地提高存儲(chǔ)系統(tǒng)可靠性和減少能源消耗。
　　2）針對(duì)固態(tài)盤的特殊性，通過

5、采用空間分區(qū)、讀優(yōu)先和排序三種策略充分利用其內(nèi)部豐富的并行性，設(shè)計(jì)了一種適合于固態(tài)盤的I/O調(diào)度程序：分區(qū)調(diào)度器。現(xiàn)有的Linux內(nèi)核I/O調(diào)度程序都是基于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式硬盤驅(qū)動(dòng)器HDD上進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，但由于固態(tài)盤比機(jī)械磁盤具有多種不同的操作特性，它們在固態(tài)盤上工作時(shí)表現(xiàn)并不理想，因此有必要設(shè)計(jì)針對(duì)固態(tài)盤特性的I/O調(diào)度程序。分區(qū)調(diào)度器首先把整個(gè)固態(tài)盤空間分成幾個(gè)區(qū)域作為基本調(diào)度單位，利用其內(nèi)部豐富的并行性同時(shí)發(fā)起請(qǐng)求，其次，利用讀請(qǐng)求比

6、寫請(qǐng)求快得多的事實(shí)，優(yōu)先讀請(qǐng)求，避免過多的讀對(duì)寫操作的阻止干擾。第三，對(duì)每個(gè)區(qū)域調(diào)度隊(duì)列中的寫請(qǐng)求在發(fā)送到磁盤之前進(jìn)行排序，以期望將隨機(jī)寫轉(zhuǎn)換為順序?qū)?從而減少到達(dá)磁盤的有害隨機(jī)寫請(qǐng)求。使用不同負(fù)載對(duì)分區(qū)調(diào)度器的測試結(jié)果表明，分區(qū)調(diào)度器因能成功地將隨機(jī)寫轉(zhuǎn)化成順序?qū)?，與四種內(nèi)核I/O調(diào)度程序相比能夠提高17-32％性能，同時(shí)延長固態(tài)盤的壽命。
　　3）利用重復(fù)數(shù)據(jù)刪除和增量編碼來減少到固態(tài)盤的寫流量，從而延長固態(tài)盤的壽命。具體來說

7、，基于兩個(gè)重要的觀察結(jié)果：（a）存在大量的重復(fù)數(shù)據(jù)塊；（b）元數(shù)據(jù)塊比數(shù)據(jù)塊被更加頻繁地訪問/修改，但每次更新僅有很小的變化。提出了Flash Saver，結(jié)合重復(fù)數(shù)據(jù)刪除和增量編碼技術(shù)來減少到固態(tài)盤的寫流量。將重復(fù)數(shù)據(jù)刪除用于文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊，將增量編碼用于文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)塊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)lash Saver可減少高達(dá)63％的總寫流量，從而使其具有更長的使用壽命、更大的有效閃存空間和更高的可靠性。
　　4）通過改變存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)

8、布局策略及存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種利用固態(tài)盤的冗余高效能云存儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)：REST，主要包括MDS、loggers和數(shù)據(jù)塊服務(wù)器三部分，其中l(wèi)oggers用基于固態(tài)盤的高性能服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。通過改變數(shù)據(jù)布局策略，可以保持大部分的冗余存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在待機(jī)模式甚至大部分時(shí)間關(guān)閉。同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)時(shí)工作負(fù)載監(jiān)視器instructor，可以根據(jù)工作負(fù)載的變化，控制數(shù)據(jù)塊服務(wù)器的啟動(dòng)和關(guān)閉，系統(tǒng)能耗和性能之間的權(quán)衡也可以通過調(diào)整權(quán)衡指標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，