【摘要】：基于固態(tài)硬盤的容錯(cuò)陣列系統(tǒng)能夠很好的應(yīng)對海量數(shù)據(jù)時(shí)代可靠存儲(chǔ)和高效訪問的挑戰(zhàn)。一方面,容錯(cuò)陣列系統(tǒng)(簡稱陣列系統(tǒng))能夠提供高并發(fā)訪問,并通過存儲(chǔ)冗余信息保障數(shù)據(jù)可靠性；另一方面,具有更高訪問性能、更低能耗和更強(qiáng)抗震性的固態(tài)硬盤能夠進(jìn)一步提升容錯(cuò)陣列系統(tǒng)的性能。然而,固態(tài)硬盤在磨損次數(shù)、可靠性、垃圾回收等方面的約束影響著固態(tài)硬盤容錯(cuò)陣列系統(tǒng)的性能和壽命。因此,本文通過結(jié)合固態(tài)硬盤約束和工作負(fù)載特點(diǎn),優(yōu)化固態(tài)硬盤容錯(cuò)陣列系統(tǒng)的性能和壽命。具體來說,我們在存儲(chǔ)介質(zhì)層設(shè)計(jì)編碼方法以達(dá)到系統(tǒng)級別磨損均衡、在文件系統(tǒng)層研究工作負(fù)載感知機(jī)制、在應(yīng)用層探索數(shù)據(jù)遷移方案。本文的主要研究內(nèi)容與貢獻(xiàn)如下：(1)固態(tài)硬盤陣列系統(tǒng)的磨損均衡研究為保證數(shù)據(jù)可靠性,基于固態(tài)硬盤的存儲(chǔ)系統(tǒng)需引入冗余機(jī)制,例如,部署RAID陣列。傳統(tǒng)的RAID5、RAID6,以及基于Reed-Solomon編碼的陣容系統(tǒng)能夠分別容忍一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備、兩個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備以及任意多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備出錯(cuò)。然而,工作負(fù)載訪問傾斜性和局部性特點(diǎn)使得陣列系統(tǒng)中各塊固態(tài)硬盤老化不一致,整個(gè)陣列系統(tǒng)磨損不均衡。這種現(xiàn)象最終導(dǎo)致有些固態(tài)硬盤先于其他固態(tài)硬盤失效,進(jìn)而縮短固態(tài)硬盤陣列系統(tǒng)使用壽命。為了解決這個(gè)問題,我們首先提出了對角線編碼(DCS)。該編碼能夠?qū)⒏乱蕾囆跃鶆虻胤植荚谒泄虘B(tài)硬盤上,進(jìn)而取得較好的系統(tǒng)級別磨損均衡。針對用戶請求總是對齊一個(gè)條帶的訪問模式——例如每個(gè)條帶內(nèi)部所有數(shù)據(jù)塊接收相同的寫操作次數(shù),而各個(gè)條帶之間接收的寫操作次數(shù)可以不同一—對角線編碼能夠取得完美的系統(tǒng)級別磨損均衡、有效延長陣列系統(tǒng)壽命。為了放松上述約束,我們在實(shí)際部署中提出對角線編碼增強(qiáng)型策略(DCS+)。該增強(qiáng)型策略采用緩存設(shè)計(jì)對不同類型的請求產(chǎn)生不同的響應(yīng),使得固態(tài)硬盤陣列系統(tǒng)在各種類型的數(shù)據(jù)訪問模式下都能取得系統(tǒng)級別磨損均衡。我們基于實(shí)際的工作負(fù)載,在被學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)同的固態(tài)硬盤模擬器DiskSim+SSD Extension上開展廣泛的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,我們的工作能夠延長陣列使用壽命、提高系統(tǒng)訪問性能。(2)固態(tài)硬盤陣列系統(tǒng)的工作負(fù)載感知機(jī)制研究傳統(tǒng)的陣列系統(tǒng)常常采用讀-修改-寫或讀-重構(gòu)-寫機(jī)制來進(jìn)行校驗(yàn)塊的更新。但是這兩種機(jī)制依然會(huì)給陣列系統(tǒng)帶來許多額外的I/0訪問,進(jìn)而降低固態(tài)硬盤陣列系統(tǒng)的性能。近年來,有研究者為固態(tài)硬盤陣列系統(tǒng)提出了彈性條帶寫機(jī)制。當(dāng)數(shù)據(jù)塊需要更新時(shí),該機(jī)制將這些需要更新的數(shù)據(jù)塊重構(gòu)成新的條帶,而不是對相應(yīng)的校驗(yàn)塊進(jìn)行更新。彈性條代寫機(jī)制能夠有效的減少檢驗(yàn)塊更新帶來的開銷,然而,它引入了陣列級別垃圾回收操作,這將極大影響固態(tài)硬盤陣列系統(tǒng)的性能和壽命。為了解決這個(gè)問題,我們首先使用熱度感知緩存將進(jìn)入陣列系統(tǒng)的數(shù)據(jù)塊按照它們的熱度值進(jìn)行劃分并緩存進(jìn)相應(yīng)的熱度組,然后使用分組彈性條帶寫機(jī)制將不同熱度組的數(shù)據(jù)塊寫入陣列系統(tǒng)的不同區(qū)域。為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的有效性,我們將熱度感知緩存和分組彈性條帶寫機(jī)制部署到由八塊固態(tài)硬盤構(gòu)成的RAID5陣列系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相較于彈性條帶寫機(jī)制,我們提出的機(jī)制能夠減少26%--65%的陣列級別垃圾回收寫操作,將平均響應(yīng)時(shí)間降低到原先的17.2%--63.9%,并有助于達(dá)到系統(tǒng)級別磨損均衡。(3)固態(tài)硬盤陣列系統(tǒng)的數(shù)據(jù)遷移研究陣列系統(tǒng)經(jīng)常需要通過增加存儲(chǔ)設(shè)備(也稱為陣列擴(kuò)容)來提供更大的存儲(chǔ)空間和更高的并行性。當(dāng)增加的存儲(chǔ)設(shè)備加入陣列系統(tǒng)之后,系統(tǒng)開始啟動(dòng)數(shù)據(jù)遷移。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)遷移策略都是針對普通硬盤陣列系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),而固態(tài)硬盤固有的特點(diǎn)給陣列系統(tǒng)的數(shù)據(jù)遷移策略帶來新的挑戰(zhàn)。當(dāng)固態(tài)硬盤陣列系統(tǒng)需要進(jìn)行設(shè)備擴(kuò)容時(shí),工作負(fù)載的訪問傾斜性和局部性已經(jīng)使得各塊固態(tài)硬盤觸發(fā)垃圾回收操作的頻率不盡相同,并導(dǎo)致各塊固態(tài)硬盤的讀寫性能出現(xiàn)差異。因此,我們需要在這種異構(gòu)的環(huán)境下為固態(tài)硬盤陣列系統(tǒng)設(shè)計(jì)新的數(shù)據(jù)遷移策略。于是,我們?yōu)楫悩?gòu)的固態(tài)硬盤陣列系統(tǒng)分別提出快速擴(kuò)容遷移策略和快速訪問遷移策略。前者旨在從性能更好的固態(tài)硬盤讀取更多的數(shù)據(jù)寫入新加入的固態(tài)硬盤,目標(biāo)在于快速完成數(shù)據(jù)遷移操作；后者旨在從性能更差的固態(tài)硬盤讀取更多的數(shù)據(jù)寫入新加入的固態(tài)硬盤,目標(biāo)在于優(yōu)化擴(kuò)容后的用戶訪問性能。接著,我們通過DiskSim+SSD Extension開展廣泛的模擬實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這兩種遷移策略的有效性。最后,我們實(shí)驗(yàn)分析了這兩種數(shù)據(jù)遷移策略的優(yōu)缺點(diǎn),并分析了兩種策略在系統(tǒng)部署時(shí)的優(yōu)劣勢與技術(shù)挑戰(zhàn),為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)者在固態(tài)硬盤陣列系統(tǒng)中部署數(shù)據(jù)遷移提供參考。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP333.35
【圖文】：

輯頁地址的寫Ｏｎｌｉｎｅ工果示２．邋１０�？慑义希装l(fā)現(xiàn)有些邏輯地址接收到大量的寫請求，而有些地址接收到少量的寫請求，逡逑甚至有些地址沒有接收到任何寫請求；我們還可Ｗ從圖２．１０中得出大量的地址逡逑和它們的鄰居接收到相同或相似次數(shù)的寫請求操作；另外Ｈ個(gè)工作負(fù)載也有類逡逑似的特性，所！＾我們不進(jìn)行一一展示。逡逑？邐邐邐邐邐

應(yīng)時(shí)間優(yōu)于ＲＡＩＤＳ，但這一部分提升是有限的；此外，我們可看出０〔５日＋進(jìn)一逡逑步地減小平均響應(yīng)時(shí)間、提升系統(tǒng)性能，而這一部分的提升是顯著的。我們可逡逑從子圖２．１２邋（ｉ）、（ｊ）、化）、（１）中得出ＲＳ、ＤＣＳ－ＲＳ和ＤＣＳ－ＲＳ＋對比的相似逡逑結(jié)果。邐＇逡逑此外，我們可Ｗ從子圖２．邋１２邋（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）得出ＲＡＩＤ６陣列系統(tǒng)測逡逑試的有趣信息。ＥＶＥＮＯＤＤ編碼的Ｉ／Ｏ性能最差，原因在于對于一塊數(shù)據(jù)塊的更逡逑新，ＥＶＥＮ孤Ｄ編碼將對多于２塊的校驗(yàn)塊進(jìn)行更新，這導(dǎo)致了額外的讀、寫操逡逑作進(jìn)入陣列系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)性能；由于同樣的原因，ＲＤＰ編碼的平均響應(yīng)時(shí)逡逑間也高于Ｘ－Ｃｏｄｅ和Ｘ－Ｃｏｄｅ＋；當(dāng)Ｘ－Ｃｏｄｅ和Ｘ－Ｃｏｄｅ＋響應(yīng)一塊數(shù)據(jù)塊更新時(shí)，它逡逑們總是只引起兩塊校驗(yàn)塊的更新操作，因此它們能夠取得較好的系統(tǒng)性能；此逡逑夕ｈ邋Ｘ－Ｃｏｄｅ＋在緩存的幫助下減少進(jìn)入陣列系統(tǒng)的寫操作，因此它的平均響應(yīng)時(shí)逡逑間最小。逡逑基于上圖

／邋0興卻／逡逑圖３．邋４陣列級別泣圾回收開銷逡逑圖３．４給出了陣列級別垃圾回收開銷的評估對比結(jié)果。如前文所述，陣列逡逑級別齒圾回收開銷指這一過程需要額外讀取或?qū)懭氲挠行?shù)據(jù)塊數(shù)量。注意，逡逑ＷＡＳ后方括號里的數(shù)字表示該系統(tǒng)初始熱度組的數(shù)量，例如ＷＡＳ邋（４）意味著我們逡逑在ＭＳ中配置４個(gè)熱度姐進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。逡逑５７逡逑

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本文編號：2755002