固態(tài)盤可用性增強(qiáng)算法研究.pdf

1、相對(duì)于傳統(tǒng)磁盤，基于閃存的固態(tài)盤具有良好的性能優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿Γ谙M(fèi)市場(chǎng)有將傳統(tǒng)磁盤取而代之的趨勢(shì)。然而，由于閃存的固有特性，固態(tài)盤的可用性面臨以下挑戰(zhàn)：閃存介質(zhì)不穩(wěn)定，存儲(chǔ)可靠性面臨嚴(yán)重威脅；長(zhǎng)時(shí)間工作后，存儲(chǔ)性能不穩(wěn)定；無法徹底刪除文件，用戶面臨“刪而不除”的問題。針對(duì)這些問題，本文從三個(gè)方面進(jìn)行了探索和研究。
　　隨著閃存芯片制造工藝的線寬越來越小和閃存單元儲(chǔ)存位數(shù)的增加，閃存的錯(cuò)誤率、誤碼率和擦除壽命在不斷劣化，當(dāng)前閃存中

2、普遍應(yīng)用的錯(cuò)誤糾正碼（ECC）校驗(yàn)功能已不能很好地滿足固態(tài)盤的可靠性需要。為了防止ECC校驗(yàn)功能無法糾正的閃存誤碼及閃存失效引起數(shù)據(jù)丟失，本文提出了一種基于物理頁校驗(yàn)的可靠性增強(qiáng)算法，采用類似RAID4校驗(yàn)的方式，對(duì)固態(tài)盤中所有包含數(shù)據(jù)的閃存物理頁劃分條帶，并使用SLC閃存保存相應(yīng)的校驗(yàn)數(shù)據(jù)，避免性能瓶頸。該算法還采用校驗(yàn)緩存、后臺(tái)校驗(yàn)等方法降低數(shù)據(jù)校驗(yàn)操作對(duì)固態(tài)盤性能的影響。結(jié)合ECC校驗(yàn)功能，該算法可以糾正位翻轉(zhuǎn)、物理頁錯(cuò)誤、物理塊

3、損壞、閃存芯片失效等多個(gè)層次的閃存錯(cuò)誤帶來的數(shù)據(jù)丟失問題，確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。相比傳統(tǒng)的類似RAID5的校驗(yàn)算法，該算法中組成條帶的是不同數(shù)據(jù)通道的物理頁，而非邏輯頁,從而明顯降低了數(shù)據(jù)寫更新的性能開銷，還顯著提升了校驗(yàn)緩存的命中率。實(shí)驗(yàn)表明，相比普通RAID5校驗(yàn)算法，該算法在基本保障讀性能的情況下，具有明顯的寫性能優(yōu)勢(shì)。
　　固態(tài)盤在長(zhǎng)期使用后存在性能越用越差的問題，一個(gè)主要原因是有效頁較多，而無效頁零散分布，垃圾回收效率急

4、劇下降，性能開銷太大，影響正常讀寫操作的性能。為了削弱這種影響，現(xiàn)有的垃圾回收算法設(shè)置兩個(gè)固定的閾值，分別用于在空間足夠時(shí)提前觸發(fā)后臺(tái)回收操作，以及在空間嚴(yán)重不足時(shí)觸發(fā)不可中斷的前臺(tái)回收操作。但是測(cè)試分析表明，采用不同閾值的垃圾回收算法，都會(huì)在特定負(fù)載中出現(xiàn)性能瓶頸，垃圾回收算法不存在固定的“最佳閾值”。為盡量保證固態(tài)盤性能的穩(wěn)定性，本文提出了一種采用動(dòng)態(tài)自適應(yīng)閾值的垃圾回收算法。其閾值隨固態(tài)盤運(yùn)行狀態(tài)（有效頁比例、無效頁比例、空閑頁比

5、例等）動(dòng)態(tài)變化，可以自動(dòng)適應(yīng)不同類型的應(yīng)用負(fù)載，在較優(yōu)的時(shí)機(jī)觸發(fā)垃圾回收操作。通過與固定閾值的垃圾回收算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，該算法在不同負(fù)載中都表現(xiàn)穩(wěn)定，并達(dá)到或接近最優(yōu)性能。
　　閃存的異地更新方式，使固態(tài)盤的數(shù)據(jù)無法被物理覆蓋，數(shù)據(jù)更新操作總是在閃存中產(chǎn)生無法從文件系統(tǒng)訪問的數(shù)據(jù)頁副本，導(dǎo)致現(xiàn)有的安全擦除軟件無法真正在閃存介質(zhì)中刪除敏感文件的數(shù)據(jù)。針對(duì)此安全隱患，本文提出了一種智能安全刪除方法，使基于 SLC閃存的固態(tài)盤可以支持文

6、件級(jí)的安全刪除。該算法在普通固態(tài)盤的異地更新操作中，增加物理頁復(fù)寫操作，將無效物理頁清零，避免在閃存中殘留數(shù)據(jù)副本，同時(shí)使安全擦除軟件可以真正發(fā)揮作用。該算法通過所提出的智能分區(qū)識(shí)別技術(shù)，使固態(tài)盤只對(duì)用戶指定的分區(qū)采用物理頁復(fù)寫操作，同時(shí)結(jié)合物理頁后臺(tái)復(fù)寫的方式，減少對(duì)固態(tài)盤性能的影響。另外，該算法還結(jié)合基于邏輯頁的數(shù)據(jù)冗余校驗(yàn)算法，使固態(tài)盤的數(shù)據(jù)完整性不受閃存失效或誤碼的影響。實(shí)驗(yàn)表明，在啟用了智能安全刪除和數(shù)據(jù)校驗(yàn)算法后，固態(tài)盤的性