面向大容量SCM的融合式文件系統(tǒng).pdf

1、隨著新型非易失性存儲器（Non-Volatile Memory，NVM）技術(shù)的飛快發(fā)展，這類存儲器件在訪問性能、寫壽命等方面越來越接近內(nèi)存。存儲級內(nèi)存技術(shù)（Storage Class Memory，SCM）是針對采用NVM后大大縮小了內(nèi)外存之間性能差距的特性，在計算機系統(tǒng)中構(gòu)建高速的統(tǒng)一存儲系統(tǒng)。由于NVM器件集成度和DIMM接口數(shù)量的限制，使用DIMM和PCIe接口NVM存儲設(shè)備是當前構(gòu)建大容量SCM的有效選擇。兩類NVM存儲設(shè)備在物

2、理接口、訪問性能和容量上存在差異，同時文件的數(shù)據(jù)與元數(shù)據(jù)、文件與文件之間也具有不同的訪問特性。現(xiàn)有內(nèi)外存管理算法均只是針對單一存儲設(shè)備，無法同時有效管理兩類NVM存儲設(shè)備。本文針對由兩類NVM存儲設(shè)備構(gòu)建的混合大容量SCM，研究和設(shè)計了一種新型的文件系統(tǒng)SCMCFS。
　　首先分析兩類NVM存儲設(shè)備特性和傳統(tǒng)文件系統(tǒng)應用到NVM存儲設(shè)備時存在的問題，在此基礎(chǔ)上針對統(tǒng)一管理兩類NVM存儲設(shè)備的要求，設(shè)計了面向SCMCFS的結(jié)構(gòu)。

3、r>　　接著給出SCMCFS的組織和管理方法，設(shè)計頭尾式的文件系統(tǒng)空間布局和基于兩層radix-tree的存儲空間組織方式，構(gòu)建包含兩類NVM存儲設(shè)備的統(tǒng)一邏輯地址空間和組織管理，避免了存儲空間不足的問題；設(shè)計融合式文件組織結(jié)構(gòu)、動態(tài)存儲策略和非對稱文件緩沖區(qū)調(diào)入策略，通過構(gòu)建文件內(nèi)緩存，提高了訪問響應速度和I/O性能。并且基于Fuse實現(xiàn)了原型系統(tǒng)，使用Postmark進行測試與分析，驗證了針對兩類NVM存儲設(shè)備構(gòu)建文件內(nèi)緩存，相比使

4、用單一數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)的Ext3能提高30％-63%的I/O性能，同時還避免了DIMM接口NVM存儲設(shè)備容量的限制。
　　其次設(shè)計SCMCFS的一致性機制，保障文件系統(tǒng)提供持續(xù)可靠的存儲服務(wù)；使用DIMM接口NVM存儲設(shè)備作為日志設(shè)備，提高SCMCFS一致性機制的執(zhí)行效率和靈活性；針對SCM的訪問特性，設(shè)計混合式一致性策略，根據(jù)更新數(shù)據(jù)量的大小動態(tài)調(diào)整一致性保障方法，從而實現(xiàn)文件系統(tǒng)的強一致性保證，同時大大減少了保障一致性的時間開銷。

5、并且基于PMFS分別實現(xiàn)了三種一致性策略的原型系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明在修改數(shù)據(jù)量較小的場合，clflush/sfence策略和tornbit RAWL策略相比兩次fence策略減少了10%的時間開銷，在修改數(shù)據(jù)量相對較大的場合，兩次fence策略則相比另外兩個策略分別減少了8%～170%的時間開銷，驗證了混合式一致性策略的有效性。
　　最后，本文在Linux下實現(xiàn)了SCMCFS的原型，使用Fio、Postmark和Filebench等