層次混合存儲(chǔ)系統(tǒng)中緩存和預(yù)取技術(shù)研究.pdf

1、隨著固態(tài)盤(pán)（Solid State Disk，SSD）的普及，基于SSD和HDD（Hard Disk Drive）的混合存儲(chǔ)系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)?；旌洗鎯?chǔ)系統(tǒng)綜合了SSD的高IOPS、低延時(shí)和HDD的大容量、低成本的優(yōu)點(diǎn)。目前混合存儲(chǔ)系統(tǒng)有三類主要的組織方式：（1）SSD作為讀緩存和寫(xiě)緩沖區(qū)來(lái)加速磁盤(pán)I/O；（2）磁盤(pán)作為寫(xiě)緩沖區(qū)來(lái)減少SSD寫(xiě)入；（3）SSD和磁盤(pán)均作為永久存儲(chǔ)，通過(guò)數(shù)據(jù)遷移和重映射來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)性能。其中，方式（1）只需在原

2、有磁盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)之上放置少量SSD充當(dāng)Cache便可大幅提高系統(tǒng)IOPS，具有低成本、易部署的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用最為廣泛。
　　SSD具有寫(xiě)擦（Program/Erase，P/E）次數(shù)受限的特點(diǎn)，從而限制其在磁盤(pán)緩存上的應(yīng)用，同時(shí)其內(nèi)部繁重的垃圾回收任務(wù)會(huì)增加I/O的存取時(shí)延。此外，SSD作為Cache時(shí)，其大容量的特征會(huì)在很大程度上破壞底層存儲(chǔ)系統(tǒng)的訪問(wèn)局部性，影響到底層存儲(chǔ)設(shè)備的I/O性能。針對(duì)SSD Cache帶來(lái)的壽命、性能和局部性

3、弱化問(wèn)題，通過(guò)緩存（Caching）和預(yù)?。≒refetching）技術(shù)以優(yōu)化由SSD和HDD構(gòu)成的混合存儲(chǔ)系統(tǒng)已成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的重要課題。
　　首先，提出了一種基于SSD緩存（Flash Cache）和RAID的層次型混合存儲(chǔ)架構(gòu)RAF（Random Access First），該架構(gòu)引入適用于Flash Cache的成本收益模型，并支持隨機(jī)數(shù)據(jù)優(yōu)先的選擇性Cache插入策略。RAF將負(fù)載中順序訪問(wèn)數(shù)據(jù)交給磁盤(pán)層，SSD僅需

4、緩存那些具有高收益的隨機(jī)數(shù)據(jù)，從而延長(zhǎng)SSD的壽命并縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。此外，RAF通過(guò)將SSD緩存劃分為讀、寫(xiě)區(qū)域，使得閃存層無(wú)效頁(yè)的分布更加集中，從而有利于回收塊的選取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與采用相同硬件配置的FlashCache相比，其平均響應(yīng)時(shí)間縮短了17％，磨損減少了53％。
　　其次，主存、SSD緩存以及磁盤(pán)構(gòu)成了多級(jí)緩存結(jié)構(gòu)，針對(duì)當(dāng)前多級(jí)緩存結(jié)構(gòu)中SSD Cache受冷數(shù)據(jù)污染的問(wèn)題，提出了一種基于層間訪問(wèn)特征的旁路緩存算法

5、CHPA（Characteristics between Hierarchies byPassing cache Algorithm）。CHPA是一種用于降低SSD寫(xiě)開(kāi)銷而設(shè)計(jì)的非同步多級(jí)緩存算法，通過(guò)數(shù)據(jù)塊在DRAM Cache內(nèi)和不同層間的訪問(wèn)特征來(lái)預(yù)測(cè)熱數(shù)據(jù)塊，當(dāng)數(shù)據(jù)塊被上層DRAM Cache淘汰時(shí)，熱數(shù)據(jù)塊會(huì)被插入SSD緩存，而冷數(shù)據(jù)會(huì)繞過(guò)SSD層以減少寫(xiě)入開(kāi)銷。
　　再次，提出了一種基于SSD的順序預(yù)取策略FLAP（F

6、Lash-Aware Prefetching）。FLAP是一種具有高精確度的激進(jìn)式預(yù)取策略，通過(guò)基于關(guān)系圖的量化分析模型，并借助于SSD緩存容量大的優(yōu)勢(shì)，在Cache缺失時(shí)對(duì)磁盤(pán)設(shè)備進(jìn)行高精度、大長(zhǎng)度預(yù)取，以節(jié)約預(yù)取成本。此外，通過(guò)從SSD空間中專門(mén)劃分出預(yù)取區(qū)域來(lái)存儲(chǔ)預(yù)取數(shù)據(jù)，并采用時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)布局策略，F(xiàn)LAP使預(yù)取區(qū)域的垃圾回收效率大幅優(yōu)化，從而將預(yù)取操作對(duì)SSD壽命的影響降低到最小。
　　最后，由于DRAM和SSD組成的

7、兩層緩存已經(jīng)過(guò)濾了大部分具有強(qiáng)時(shí)間局部性的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，因而在底層磁盤(pán)系統(tǒng)（如RAID系統(tǒng)）中順序預(yù)取的作用變的更為重要。為此，提出了一種于面向分條的順序流預(yù)取算法SoAP（Strip-oriented Asynchronous Prefetching）。SoAP是一種專門(mén)為并行磁盤(pán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的預(yù)取策略，通過(guò)將預(yù)取請(qǐng)求與分條（Strip）邊界對(duì)齊，并拆分為基于分條的子請(qǐng)求，來(lái)解決順序性缺失（Sequentiality Loss）等問(wèn)題。此外，