基于固態(tài)盤特征的存儲(chǔ)優(yōu)化研究.pdf

1、由傳統(tǒng)機(jī)械磁盤(HardDiskDrive)構(gòu)成的存儲(chǔ)系統(tǒng)的I/O效率長(zhǎng)期以來(lái)是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能瓶頸。尤其是在當(dāng)前計(jì)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(yīng)用的出現(xiàn),計(jì)算與存儲(chǔ)系統(tǒng)之間的性能差距越來(lái)越大,I/O瓶頸問(wèn)題也隨之愈加嚴(yán)重。引起I/O瓶頸的主要原因在于機(jī)械磁盤(HDD)物理上的訪問(wèn)特點(diǎn),如非隨機(jī)性、尋道等待、旋轉(zhuǎn)延遲等。近年來(lái),基于閃存(FlashMemory)的固態(tài)盤(SolidStateDrive

2、)技術(shù)得到了很大發(fā)展,其生產(chǎn)成本已大大降低,性價(jià)比也已接近甚至優(yōu)于HDD,因而在存儲(chǔ)系統(tǒng)中逐漸被廣泛采用了。與傳統(tǒng)機(jī)械磁盤HDD不同,SSD完全由半導(dǎo)體芯片構(gòu)成,沒(méi)有機(jī)械部件,因而具有高性能、高可靠性、可隨機(jī)訪問(wèn)、低功耗等特點(diǎn)。SSD技術(shù)有望消除存儲(chǔ)系統(tǒng)的I/O瓶頸并給存儲(chǔ)系統(tǒng)帶來(lái)根本性變革。
　　然而,盡管SSD具有明顯的性能優(yōu)勢(shì),但因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的不同而具有不同的特征與缺點(diǎn)。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(nèi)存(EEPROM)芯片,使得SSD內(nèi)存儲(chǔ)芯片原地覆寫(in-placeupdate)的代價(jià)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(gòu)成芯片,SSD內(nèi)部引入一個(gè)閃存轉(zhuǎn)換層FTL(FlashTranslationLayer)來(lái)完成邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換、擦寫損耗均衡以及垃圾回收等功能。隨著半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)一步成熟以及SSD在存儲(chǔ)系統(tǒng)中的應(yīng)用愈加廣泛和重要,研究在現(xiàn)代存儲(chǔ)系統(tǒng)中如何最大限度地利用S

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　　(1)利用SSD不能原地更新寫(out-of-placeupdate)的特性,提出BVSSD,一種能夠利用SSD內(nèi)部已經(jīng)被覆寫(superseded)但仍然存在于其中的歷史數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)塊級(jí)連續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)功能原型系統(tǒng)。與機(jī)械磁表面記錄不同,SSD內(nèi)的存儲(chǔ)芯片支持讀(read)、寫(program)、擦除(erase)三種

5、操作。存儲(chǔ)芯片是由多層次結(jié)構(gòu)構(gòu)成的,主要包括頁(yè)面、塊、組、晶圓、芯片組成。其中讀和寫操作是以頁(yè)面為單位,而擦除必須以整個(gè)塊為單位。頁(yè)面在被寫入新的內(nèi)容之前必須經(jīng)過(guò)擦除操作。SSD在每次進(jìn)行寫操作之前,都先將數(shù)據(jù)寫入到一個(gè)空閑且已擦除的頁(yè)面,然后更新FTL映射表。BVSSD跟蹤并保存FTL的歷史變化過(guò)程,恢復(fù)時(shí)只需將對(duì)應(yīng)的FTL映射表狀態(tài)恢復(fù)到某歷史時(shí)刻的狀態(tài)即可將SSD的存儲(chǔ)狀態(tài)恢復(fù)至之前的狀態(tài)。是一種非常輕量級(jí)的塊級(jí)連續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)實(shí)現(xiàn)方

6、式。
　　(2)利用SSD內(nèi)部豐富的并行性實(shí)現(xiàn)了一種新的針對(duì)固態(tài)盤的內(nèi)核塊層I/O調(diào)度器PASS。SSD內(nèi)部是由多個(gè)芯片,每個(gè)芯片內(nèi)部又是一種多層次結(jié)構(gòu),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(jí)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(gè)SSD的邏輯地址訪問(wèn)空間劃分為若干個(gè)連續(xù)區(qū)域,并且以這樣的區(qū)域?yàn)檎{(diào)度單元,每個(gè)調(diào)度單元與一個(gè)調(diào)度隊(duì)列關(guān)聯(lián)。PASS在內(nèi)核塊層將塊請(qǐng)求按其訪問(wèn)

7、的地址放入對(duì)應(yīng)的隊(duì)列,并采取預(yù)防讀寫干擾的措施。實(shí)驗(yàn)表明,這種按訪問(wèn)地址調(diào)度的I/O調(diào)度器確實(shí)挖掘了固態(tài)內(nèi)部并行性并獲得較好系統(tǒng)性能。
　　(3)利用固態(tài)盤SSD與機(jī)械磁盤HDD之間在性能、容量、成本、壽命等方面存在的互補(bǔ)優(yōu)缺點(diǎn),構(gòu)建由固態(tài)盤和機(jī)械式磁盤組成的混合式存儲(chǔ)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(qǐng)求分派器對(duì)到達(dá)的I/O請(qǐng)求進(jìn)行監(jiān)控并且將大的順序?qū)懻?qǐng)求和小的隨機(jī)寫請(qǐng)求從緩存層過(guò)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(qǐng)求,若數(shù)據(jù)塊的未命中次數(shù)超過(guò)一定閾值時(shí),則數(shù)據(jù)遷移模塊會(huì)將數(shù)據(jù)塊從機(jī)械式磁盤上遷移到固態(tài)盤緩存中。通過(guò)利用這些方法,既增加了固態(tài)盤的有效緩存空間,又延長(zhǎng)了其使用壽命。
　　以上幾方面的研究工作從不同的角度對(duì)固態(tài)盤(SSD)在存儲(chǔ)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。研究結(jié)果表明,固態(tài)盤(SSD)自身具有很大的潛在優(yōu)勢(shì),若能在使用SSD的同時(shí)揚(yáng)長(zhǎng)避短,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中充分考慮其優(yōu)缺點(diǎn),將有助于進(jìn)一