基于多介質(zhì)設(shè)備的混合存儲系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、閃存和固態(tài)硬盤近年來受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注。閃存是一種電信號驅(qū)動(dòng)的固態(tài)存儲介質(zhì)，具有高性能、低能耗、小巧輕便等特點(diǎn)，它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)和移動(dòng)設(shè)備中。隨著閃存存儲密度不斷提高，基于閃存的固態(tài)硬盤（Solid State Drive，SSD）逐漸普及。作為電子設(shè)備，固態(tài)硬盤突破了傳統(tǒng)磁盤的機(jī)械限制，具有高速讀，低噪聲、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，它的性能可以縮小存儲設(shè)備和計(jì)算設(shè)備的性能差距，有利于解決計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能瓶頸。因此，固態(tài)硬盤

2、成為一種重要的二級存儲設(shè)備，在個(gè)人PC和企業(yè)級存儲應(yīng)用中得到廣泛歡迎。
　　但是，固態(tài)硬盤也繼承了閃存的缺點(diǎn)，包括讀寫不對稱性、擦除磨損等，而且現(xiàn)階段的軟件系統(tǒng)都是針對磁盤設(shè)計(jì)的，不能完全發(fā)揮固態(tài)硬盤的性能優(yōu)勢，高昂的存儲價(jià)格也進(jìn)一步阻礙了固態(tài)硬盤的普及。這些因素導(dǎo)致現(xiàn)階段固態(tài)硬盤無法完全取代磁盤，固態(tài)硬盤和磁盤共存才是未來存儲系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，因此，混合存儲技術(shù)的研究課題引起了學(xué)術(shù)界的關(guān)注。
　　基于固態(tài)硬盤和磁盤兩種不同介

3、質(zhì)存儲設(shè)備的混合存儲技術(shù)是一個(gè)全新的研究課題。針對這一背景，本論文對混合存儲和閃存索引技術(shù)領(lǐng)域的已有研究成果進(jìn)行總結(jié)，分析了該領(lǐng)域研究的關(guān)鍵問題，并對混合存儲和固態(tài)硬盤上的索引技術(shù)展開了研究工作。
　　基于固態(tài)硬盤和磁盤的混合存儲技術(shù)主要面向3種存儲模型展開研究:a.主存-磁盤-固態(tài)硬盤、b.主存-固態(tài)硬盤-磁盤、c.主存-固態(tài)硬盤&磁盤。a類存儲模型針對低端固態(tài)硬盤提出，以磁盤作為固態(tài)硬盤的寫緩存，利用磁盤來優(yōu)化固態(tài)硬盤的隨機(jī)寫

4、，降低固態(tài)硬盤的寫磨損;b類模型針對高端固態(tài)硬盤，以固態(tài)硬盤作為磁盤的緩存設(shè)備，利用固態(tài)硬盤的高性能來提高存儲系統(tǒng)整體性能;c類模型將固態(tài)硬盤和磁盤作為同級的存儲設(shè)備進(jìn)行管理。本論文分別在3種存儲模型下，對混合存儲中的關(guān)鍵技術(shù)，如數(shù)據(jù)劃分、遷移操作、多級緩存、混合索引等進(jìn)行深入研究，提出了一系列混合存儲的算法，包括利用頁面訪問信息計(jì)算數(shù)據(jù)讀寫傾向性，利用訪問冷熱度的思想分析頁面的訪問頻度，利用聚塊遷移的方法降低遷移代價(jià)，以及針對讀寫不對

5、稱性的不對稱混合機(jī)制等等。
　　為了促進(jìn)固態(tài)硬盤在混合存儲系統(tǒng)中的高性能應(yīng)用，本論文對固態(tài)硬盤相關(guān)的B+樹索引也展開了研究工作。論文首先總結(jié)了固態(tài)硬盤上B+樹研究的常見方法，分析了B+樹索引的讀寫特點(diǎn)，指出傳統(tǒng)的B+樹結(jié)構(gòu)是一種讀寫隨機(jī)性很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，然后論文基于混合存儲系統(tǒng)和單一的閃存設(shè)備分別對B+樹進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。在混合存儲系統(tǒng)中，本文提出了一種適應(yīng)磁盤和固態(tài)硬盤特點(diǎn)的新型混合 B+樹，通過改進(jìn)混合B+樹的葉子節(jié)點(diǎn)，減少了整個(gè)B

6、+樹的寫操作，并且固態(tài)硬盤使B+樹的訪問性能也得以提高;在單一閃存設(shè)備上，本文基于“以讀換寫”的思想，提出采用Bloom Filter的方法對溢出節(jié)點(diǎn)機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，成功解決了溢出節(jié)點(diǎn)機(jī)制中讀代價(jià)過高的問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了讀寫代價(jià)的優(yōu)化。
　　本論文還討論了閃存以及混合存儲研究缺乏硬件環(huán)境支持的問題，將這些問題總結(jié)為硬件約束對研究工作的妨礙，為此，本文從硬件實(shí)現(xiàn)和軟件仿真兩個(gè)方面對硬件約束問題嘗試解決。在硬件實(shí)現(xiàn)方面，本文提出一個(gè)軟件硬

7、件結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺以支持固態(tài)硬盤技術(shù)的研究工作;在軟件仿真方面，本論文基于DiskSim提出了一個(gè)混合存儲的仿真實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)現(xiàn)了比較準(zhǔn)確的硬件仿真。
　　論文的主要貢獻(xiàn)包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)基于固態(tài)硬盤和磁盤同級的架構(gòu)，提出一種時(shí)間敏感的混合存儲模型。該模型通過頁面訪問信息計(jì)算讀寫傾向，通過訪問熱度使統(tǒng)計(jì)信息的影響隨著時(shí)間衰減，從而實(shí)現(xiàn)對負(fù)載變化的快速感應(yīng)，并且通過性價(jià)比分析獲得該模型下最佳的固態(tài)硬盤和磁盤比例。

8、>　　(2)基于磁盤作寫緩存的架構(gòu)，提出一種具有不對稱處理機(jī)制的混合存儲模型。該模型通過不對稱的遷移觸發(fā)機(jī)制和不對稱的遷移操作方式，實(shí)現(xiàn)了對固態(tài)硬盤寫操作的優(yōu)化。
　　(3)基于固態(tài)硬盤作緩存的架構(gòu)，提出一種新型的B+樹葉子結(jié)構(gòu)，利用固態(tài)硬盤和磁盤的特點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)，不僅降低B+樹的整體寫代價(jià)，而且在保證性能的前提下降低了B+樹對緩沖區(qū)的依賴，這是傳統(tǒng)算法在混合存儲上的改進(jìn)。
　　(4)在單一閃存設(shè)備上，提出一種基于溢出節(jié)點(diǎn)機(jī)制

9、和Bloom Filter的B+樹結(jié)構(gòu)。利用溢出節(jié)點(diǎn)機(jī)制大幅降低寫代價(jià)，利用Bloom Filter彌補(bǔ)溢出節(jié)點(diǎn)機(jī)制的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對讀代價(jià)的控制。通過該方法，本文不僅使讀寫代價(jià)都得以優(yōu)化，而且將B+樹整個(gè)結(jié)構(gòu)建立在數(shù)學(xué)分析基礎(chǔ)上，使B+樹優(yōu)化問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)數(shù)學(xué)分析問題而和設(shè)備參數(shù)無關(guān)了。
　　(5)針對閃存相關(guān)研究中的硬件約束問題，本文分別從硬件設(shè)計(jì)和軟件仿真兩個(gè)方面提供了解決方案，使研究者可以方便地在多個(gè)閃存設(shè)備上展開研究工作，