【摘要】：由傳統(tǒng)機械磁盤(Hard Disk Drive)構(gòu)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(yīng)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(zhuǎn)延遲等。近年來,基于閃存(Flash Memory)的固態(tài)盤(Solid State Drive)技術(shù)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(gòu)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(shù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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的基本部件是一種可擦寫可編程只讀內(nèi)存(EEPROM)芯片,使得SSD內(nèi)存儲芯片原地覆寫(in-place update)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(gòu)成芯片,SSD內(nèi)部引入一個閃存轉(zhuǎn)換層FTL(Flash Translation Layer)來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。隨著半導體技術(shù)進一步成熟以及SSD在存儲系統(tǒng)中的應(yīng)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SSD,與此同時避免其內(nèi)在缺陷,具有重要研究意義。研究工作從以下幾個方面對如何在現(xiàn)代存儲系統(tǒng)中有效地應(yīng)用SSD展開。 (1)利用SSD不能原地更新寫(out-of-place update)的特性,提出BVSSD,一種能夠利用SSD內(nèi)部已經(jīng)被覆寫(superseded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(nèi)的存儲芯片支持讀(read)、寫(program)、擦除(erase)三種操作。存儲芯片是由多層次結(jié)構(gòu)構(gòu)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。頁而在被寫入新的內(nèi)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(fù)時只需將對應(yīng)的FTL映射表狀態(tài)恢復(fù)到某歷史時刻的狀態(tài)即可將SSD的存儲狀態(tài)恢復(fù)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)方式。 (2)利用SSD內(nèi)部豐富的并行性實現(xiàn)了一種新的針對固態(tài)盤的內(nèi)核塊層I/O調(diào)度器PASS。SSD內(nèi)部是由多個芯片,每個芯片內(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(diào)度單元,每個調(diào)度單元與一個調(diào)度隊列關(guān)聯(lián)。PASS在內(nèi)核塊層將塊請求按其訪問的地址放入對應(yīng)的隊列,并采取預(yù)防讀寫干擾的措施。實驗表明,這種按訪問地址調(diào)度的I/O調(diào)度器確實挖掘了固態(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(gòu)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?qū)懻埱蠛托〉碾S機寫請求從緩存層過濾掉,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(yīng)用進行了探討。研究結(jié)果表明,固態(tài)盤(SSD)自身具有很大的潛在優(yōu)勢,若能在使用SSD的同時揚長避短,在系統(tǒng)設(shè)計中充分考慮其優(yōu)缺點,將有助于進一步改善存儲系統(tǒng)的性能。
[Abstract]:The I/O efficiency of a storage system consisting of a traditional mechanical disk (Hard Disk Drive) has long been a performance bottleneck for the entire computer system. Especially in the context of the current increasing computing power and demand, such as the widespread popularity of multi-core processors and the emergence of large data applications, the performance gap between computing and storage systems has become increasingly widespread. In recent years, Flash Memory-based Solid State Drive technology has been greatly developed, its production cost has been greatly reduced, cost performance ratio has been greatly reduced. Unlike traditional mechanical disk HDDs, SSDs are composed entirely of semiconductor chips and have no mechanical components, so they have the characteristics of high performance, high reliability, random access and low power consumption. For fundamental change.
However, although SSD has obvious performance advantages, it has different characteristics and disadvantages because of its different internal structure. The most obvious and important feature is that the basic component of SSD is an erasable programmable read-only memory (EEPROM) chip, which makes the in-place update of SSD memory chip too expensive. Therefore, in order to maximize the use of all the components of the chip, SSD introduces a Flash Translation Layer (FTL) to complete the logical address to the physical address conversion, erasure loss balance and garbage collection functions. The application of SSD in storage system is more and more extensive and important. It is of great significance to study how to maximize the use of SSD in modern storage system and avoid its inherent defects at the same time.
(1) BVSSD, a prototype system for block-level continuous data protection, is proposed based on the feature that SSD can't update out-of-place. Erases are three operations. Memory chips are made up of multi-layered structures, including pages, blocks, groups, wafers, and chips. Read and write operations are in pages, and erase must be in blocks. Pages must be erased before new content is written. SSDs must be erased before each write operation. Write the data to an idle and erased page, then update the FTL mapping table. BVSSD tracks and saves the history of the FTL. When restored, the storage state of the SSD can be restored to the previous state by restoring the corresponding FTL mapping table state to a certain historical state. It is a very lightweight block-level continuous data. Protection implementation.
(2) A new kernel-level I/O scheduler PASS.SSD for solid-state disks is implemented by utilizing the abundant parallelism in the SSD. It is composed of multiple chips, and each chip is a multi-level structure, so it has abundant potential parallelism which can be exploited to obtain higher performance.Parallelism mainly includes channel-level parallelism and inter-chip parallelism. Parallelism, parallelism between wafers, and parallelism between block groups. PASS divides the logical address access space of the entire SSD into several consecutive regions, and uses such regions as scheduling units, each scheduling unit is associated with a scheduling queue. PASS places block requests in the corresponding queue according to their access addresses at the kernel block layer, and Experiments show that the I/O scheduler scheduled by access address does exploit solid-state internal parallelism and achieve better system performance.
(3) Using the complementary advantages and disadvantages of SSD and mechanical disk] HDD in performance, capacity, cost and life, a hybrid storage system, HSStore, is constructed. In HSStore system, the SSD exists as the buffer space of the upper layer of the disk. The request dispatcher performs the incoming I/O request. Monitors and filters large sequential write requests and small random write requests from the cache layer and sends them directly to the disk. Also tracks the missed read requests in the cache. If the number of misses exceeds a certain threshold, the data migration module migrates the blocks from the mechanical disk to the solid-state disk cache. Using these methods not only increases the effective buffer space of the solid-state disk, but also prolongs its service life.
The application of solid state disk (SSD) in storage system is discussed from different aspects. The results show that SSD has great potential advantages. If SSD can be used with advantages and disadvantages, the advantages and disadvantages of SSD can be fully considered in the system design, which will help to further improve the storage system. Performance.
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TP333

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本文編號：2233047