基于固態(tài)盤特征的存儲優(yōu)化研究.pdf

1、由傳統(tǒng)機械磁盤(HardDiskDrive)構成的存儲系統(tǒng)的I/O效率長期以來是整個計算機系統(tǒng)的性能瓶頸。尤其是在當前計算能力與需求不斷提高的背景下,如多核處理器的廣泛普及和大數(shù)據(jù)應用的出現(xiàn),計算與存儲系統(tǒng)之間的性能差距越來越大,I/O瓶頸問題也隨之愈加嚴重。引起I/O瓶頸的主要原因在于機械磁盤(HDD)物理上的訪問特點,如非隨機性、尋道等待、旋轉延遲等。近年來,基于閃存(FlashMemory)的固態(tài)盤(SolidStateDrive

2、)技術得到了很大發(fā)展,其生產(chǎn)成本已大大降低,性價比也已接近甚至優(yōu)于HDD,因而在存儲系統(tǒng)中逐漸被廣泛采用了。與傳統(tǒng)機械磁盤HDD不同,SSD完全由半導體芯片構成,沒有機械部件,因而具有高性能、高可靠性、可隨機訪問、低功耗等特點。SSD技術有望消除存儲系統(tǒng)的I/O瓶頸并給存儲系統(tǒng)帶來根本性變革。
　　然而,盡管SSD具有明顯的性能優(yōu)勢,但因其內部結構上的不同而具有不同的特征與缺點。其中最明顯和最重要的特征是組成SSD的基本部件是一種

3、可擦寫可編程只讀內存(EEPROM)芯片,使得SSD內存儲芯片原地覆寫(in-placeupdate)的代價太高,并且只具有有限次的擦寫次數(shù)(壽命)。因此,為了最大限度地利用所有構成芯片,SSD內部引入一個閃存轉換層FTL(FlashTranslationLayer)來完成邏輯地址到物理地址的轉換、擦寫損耗均衡以及垃圾回收等功能。隨著半導體技術進一步成熟以及SSD在存儲系統(tǒng)中的應用愈加廣泛和重要,研究在現(xiàn)代存儲系統(tǒng)中如何最大限度地利用S

4、SD,與此同時避免其內在缺陷,具有重要研究意義。研究工作從以下幾個方面對如何在現(xiàn)代存儲系統(tǒng)中有效地應用SSD展開。
　　(1)利用SSD不能原地更新寫(out-of-placeupdate)的特性,提出BVSSD,一種能夠利用SSD內部已經(jīng)被覆寫(superseded)但仍然存在于其中的歷史數(shù)據(jù)實現(xiàn)塊級連續(xù)數(shù)據(jù)保護功能原型系統(tǒng)。與機械磁表面記錄不同,SSD內的存儲芯片支持讀(read)、寫(program)、擦除(erase)三種

5、操作。存儲芯片是由多層次結構構成的,主要包括頁面、塊、組、晶圓、芯片組成。其中讀和寫操作是以頁面為單位,而擦除必須以整個塊為單位。頁面在被寫入新的內容之前必須經(jīng)過擦除操作。SSD在每次進行寫操作之前,都先將數(shù)據(jù)寫入到一個空閑且已擦除的頁面,然后更新FTL映射表。BVSSD跟蹤并保存FTL的歷史變化過程,恢復時只需將對應的FTL映射表狀態(tài)恢復到某歷史時刻的狀態(tài)即可將SSD的存儲狀態(tài)恢復至之前的狀態(tài)。是一種非常輕量級的塊級連續(xù)數(shù)據(jù)保護實現(xiàn)方

6、式。
　　(2)利用SSD內部豐富的并行性實現(xiàn)了一種新的針對固態(tài)盤的內核塊層I/O調度器PASS。SSD內部是由多個芯片,每個芯片內部又是一種多層次結構,因而具有豐富的潛在并行性可以利用以獲得較高性能。并行性主要包括通道級并行性、芯片間并行性、晶圓之間并行性以及塊組之間的并行性。PASS將整個SSD的邏輯地址訪問空間劃分為若干個連續(xù)區(qū)域,并且以這樣的區(qū)域為調度單元,每個調度單元與一個調度隊列關聯(lián)。PASS在內核塊層將塊請求按其訪問

7、的地址放入對應的隊列,并采取預防讀寫干擾的措施。實驗表明,這種按訪問地址調度的I/O調度器確實挖掘了固態(tài)內部并行性并獲得較好系統(tǒng)性能。
　　(3)利用固態(tài)盤SSD與機械磁盤HDD之間在性能、容量、成本、壽命等方面存在的互補優(yōu)缺點,構建由固態(tài)盤和機械式磁盤組成的混合式存儲系統(tǒng)HSStore。在HSStore系統(tǒng)中,固態(tài)盤作為磁盤上層的緩存空間而存在。請求分派器對到達的I/O請求進行監(jiān)控并且將大的順序寫請求和小的隨機寫請求從緩存層過濾

8、掉,直接將他們發(fā)送到磁盤上。并且跟蹤緩存中未命中的讀請求,若數(shù)據(jù)塊的未命中次數(shù)超過一定閾值時,則數(shù)據(jù)遷移模塊會將數(shù)據(jù)塊從機械式磁盤上遷移到固態(tài)盤緩存中。通過利用這些方法,既增加了固態(tài)盤的有效緩存空間,又延長了其使用壽命。
　　以上幾方面的研究工作從不同的角度對固態(tài)盤(SSD)在存儲系統(tǒng)中的應用進行了探討。研究結果表明,固態(tài)盤(SSD)自身具有很大的潛在優(yōu)勢,若能在使用SSD的同時揚長避短,在系統(tǒng)設計中充分考慮其優(yōu)缺點,將有助于進一