【摘要】：隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨,整個計算機系統(tǒng)對存儲子系統(tǒng)的要求越來越高,基于磁盤的存儲系統(tǒng)在性能、功耗等方面的缺陷更加突出。近年來,由于制作工藝的進步,閃存(Flash Memory)的存儲密度不斷提高,單位容量的價格逐步下降。閃存具有高性能、低功耗、非易失、質量輕、抗震動等優(yōu)點。基于閃存的固態(tài)盤(Solid State Drive,SSD)已應用于大規(guī)模存儲領域,正處于快速普及階段,使存儲系統(tǒng)滯后于計算系統(tǒng)的局面有所改觀。但是,目前SSD的成本相對較高,而磁盤的容量會繼續(xù)增大、價格還有進一步降低的廣闊空間,SSD在短期內不可能完全取代磁盤。于是,工業(yè)界紛紛將SSD融入基于磁盤的存儲系統(tǒng)中。由于閃存具有非定點更新、壽命有限等缺陷,融入SSD的存儲系統(tǒng)存在大量的研究問題。本文針對基于SSD的多層次存儲系統(tǒng),研究了SSD內部結構優(yōu)化、可感知SSD多通路特性的緩存替換策略、基于SSD的大容量緩存和基于DRAM和SSD的混合主存結構。本文的主要工作及創(chuàng)新點如下:(1)設計了一種基于頁-塊映射的低延遲閃存轉換層機制目前,在大規(guī)模存儲系統(tǒng)中使用閃存的主流方案是將閃存芯片封裝成兼容于磁盤系統(tǒng)的SSD。SSD的控制核心是閃存轉換層(Flash Translation Layer,FTL)。FTL用來屏蔽閃存的非定點更新、壽命有限等特性,它包含地址映射、垃圾回收、損耗均衡等幾個重要模塊。其中,垃圾回收操作會顯著增加用戶請求的響應延遲。現(xiàn)有的FTL對閃存中包含多個頁面(Page)的塊(Block)整體作垃圾回收時,首先要遷移該塊中數(shù)據(jù)仍然有效的多個頁面,再將塊整體擦除,導致用戶請求長時間的被阻塞。本文提出的PBFTL(Page-to-Block Mapping FTL)機制為每個更新的頁面分配一個專用的更新塊,每個更新塊中最多包含一個有效頁面。PBFTL對這些塊作垃圾回收時,要么僅遷移該塊中一個頁面,要么僅擦除該塊,只有對少數(shù)塊的垃圾回收同時需要遷移和擦除操作,所以PBFTL可以有效減少垃圾回收對用戶請求造成的長時間阻塞。與現(xiàn)有的幾種經典FTL相比,PBFTL能夠使讀寫延遲平均降低15%。(2)提出了一種能夠感知SSD多通路特性的緩存替換策略當前存儲系統(tǒng)采用的緩存替換策略主要面向磁盤,很少針對SSD作優(yōu)化。SSD內部包含多個并行通路,通路間的負載可能是不均衡的,從而導致各通路的響應時間不一致。本文提出一種能夠表征各通路忙閑程度的量化指標,并根據(jù)該指標設計一種感知SSD內部各通路忙閑程度的緩存替換策略SAC(SSD-Aware Cache)。SAC優(yōu)先淘汰來自空閑通路的數(shù)據(jù),因為這些數(shù)據(jù)一旦被再次訪問可迅速從SSD重新獲取;來自繁忙通路的數(shù)據(jù)受到重點保護,因為重新獲取這些數(shù)據(jù)的延遲相對較大。實驗表明,SAC在主存中取得的命中率與傳統(tǒng)緩存替換策略相當,但能夠顯著降低SSD的平均讀寫延遲,所以能夠提高整個存儲系統(tǒng)的性能。(3)提出了一種基于熱點數(shù)據(jù)識別的長壽命SSD緩存設計方法SSD充當磁盤系統(tǒng)的緩存時,其有限的壽命會很快耗盡。實際上,大量冷數(shù)據(jù)進入緩存后并不被再次訪問,反而會降低SSD緩存的壽命和命中率。本文提出了一種熱點數(shù)據(jù)識別機制將冷數(shù)據(jù)排除在緩存之外。該熱點數(shù)據(jù)識別機制首先設計一種內存開銷很低的數(shù)據(jù)結構UCBF(Ultra Counting Bloom Filter),用以計算數(shù)據(jù)的訪問熱度;然后維護一個可隨負載動態(tài)調節(jié)的閾值,熱度低于該閾值的數(shù)據(jù)不允許進入SSD緩存。實驗表明,當這種熱點數(shù)據(jù)識別機制應用到SSD緩存中時,SSD的壽命延長6倍以上,緩存命中率提高超過10%。(4)設計了一種面向SSD緩存替換策略的低內存開銷數(shù)據(jù)結構將SSD作為磁盤系統(tǒng)的緩存時,由于SSD容量巨大,這種緩存采用的替換策略引入極大的內存開銷。本文設計一種新的數(shù)據(jù)結構,以很低的內存開銷實現(xiàn)基于LRU隊列的所有緩存替換策略。該數(shù)據(jù)結構采用一個FIFO隊列和一個Bloom Filter實現(xiàn)LRU隊列的功能。其中,FIFO隊列保存在SSD上,不占用內存空間;Bloom Filter保存在內存中,但內存開銷很低。該Bloom Filter需要具備元素刪除功能,所以本文還提出一種能夠保證空間效率、同時支持元素刪除的Bloom Filter。實驗表明,利用本文提出的數(shù)據(jù)結構可將緩存替換策略的內存開銷降低10倍左右。(5)提出了基于文件訪問模式的混合主存性能優(yōu)化方法大數(shù)據(jù)處理對主存容量要求很高,而DRAM在容量、功耗、價格等方面不能滿足大容量主存的需求。SSD在帶寬與吞吐率方面與DRAM比較接近,可用作DRAM的擴展。但是,SSD與DRAM的延遲差距較大。本文提出一種基于訪問模式的預取策略,在數(shù)據(jù)被訪問前將其從SSD預取到DRAM中,從而降低SSD的高延遲對應用程序的影響。當DRAM中空閑空間有限時,訪問規(guī)律較強的數(shù)據(jù)被優(yōu)先淘汰出來。這些數(shù)據(jù)一旦再次訪問,可從SSD快速而準確地預取到DRAM。實驗表明,本文提出的預取和替換策略能夠保證90%以上的用戶I/O請求由DRAM響應,SSD的高延遲對應用程序的影響較小。
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【學位授予單位】：國防科學技術大學
【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：2426739