研究并實(shí)現(xiàn)面向NVMe SSD的用戶態(tài)高性能共享式文件系統(tǒng)（UHSFS）,并提出簡(jiǎn)單彈性的數(shù)據(jù)布局技術(shù)、多粒度IO隊(duì)列彈性分離技術(shù)以及多用戶共享內(nèi)存架構(gòu),這些關(guān)鍵技術(shù)能夠顯著地提升元數(shù)據(jù)的操作性能和IO處理能力,并且實(shí)現(xiàn)用戶態(tài)文件系統(tǒng)的共享訪問。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與UNFS,NVFUSE,BLOBFS和BLUEFS等用戶態(tài)文件系統(tǒng)相比,UHSFS的元數(shù)據(jù)操作性能和Filebench綜合負(fù)載性能最優(yōu);IO隊(duì)列分離技術(shù)能夠大幅度地提升吞吐量;與F2FS, XFS, Ext4等內(nèi)核態(tài)文件系統(tǒng)相比, UHSFS同樣表現(xiàn)出性能優(yōu)勢(shì)。 

【文章來源】：北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2020,56(06)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：11 頁

【部分圖文】：

UHSFS文件系統(tǒng)布局

2)大小分離。大負(fù)載順序?qū)懻?qǐng)求的性能顯著好于小負(fù)載隨機(jī)寫請(qǐng)求。在文件系統(tǒng)中,由于文件大小的不同、分配數(shù)據(jù)塊的不連續(xù)性以及上層應(yīng)用發(fā)出請(qǐng)求的不確定性,可能在底層IO提交隊(duì)列產(chǎn)生不同負(fù)載類型的寫請(qǐng)求相混合的情況。例如,當(dāng)小文件頻繁更新時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量碎片化的隨機(jī)寫請(qǐng)求,當(dāng)這些隨機(jī)4 KB寫請(qǐng)求與大頁面的2 MB順序?qū)懻?qǐng)求相混合時(shí),可能降低文件系統(tǒng)的性能。Lu等[26]的研究表明,將不同大小的負(fù)載進(jìn)行分離能有效地降低寫放大,并提高性能。本文利用NVMe多隊(duì)列特性,將UHSFS大負(fù)載的順序?qū)懻?qǐng)求和小負(fù)載的隨機(jī)寫請(qǐng)求分離。為了使得各IO的總體時(shí)間延遲T最小,本文提出式(1),即求得Diq來判斷將當(dāng)前IO放至哪個(gè)隊(duì)列中。

其中,Ej表示共享內(nèi)存中第j個(gè)文件換出的指標(biāo),指標(biāo)越大,表示越應(yīng)該換出;Sj表示共享內(nèi)存中第j個(gè)文件的大小;T表示一段時(shí)間周期;tji表示共享內(nèi)存中第j個(gè)文件,在T時(shí)間周期內(nèi),在時(shí)間i內(nèi),最近未被使用的時(shí)間;Rji表示共享內(nèi)存中第j個(gè)文件,在T時(shí)間周期內(nèi),在時(shí)間i內(nèi)的相關(guān)系數(shù),Rji=Mji/N,N為總進(jìn)程數(shù),Mji為在時(shí)間i內(nèi),對(duì)第j個(gè)文件有操作的進(jìn)程的數(shù)量。α表示LRU參數(shù),根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)獲取;β表示相關(guān)性參數(shù),根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)獲取;γ表示全相關(guān)參數(shù),取一個(gè)很小的數(shù)值,為避免1-Rji為0,根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)獲取。除在進(jìn)程間利用共享內(nèi)存外,本文還提出更細(xì)粒度的,非統(tǒng)一內(nèi)存訪問(non-uniform memory access architecture,NUMA)內(nèi)的共享內(nèi)存,用來解決跨NUMA內(nèi)存接觸和訪問NVMe設(shè)備的高延時(shí)問題。管理進(jìn)程將負(fù)責(zé)請(qǐng)求處理的工作線程綁定在與NVMe設(shè)備同NUMA節(jié)點(diǎn)的CPU上,此外,管理進(jìn)程使用一個(gè)全局預(yù)分配的同NUMA節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存池作為數(shù)據(jù)緩沖。對(duì)于特定的NVMe設(shè)備,工作線程是唯一的,僅從同NUMA節(jié)點(diǎn)內(nèi)存池中分配讀寫緩沖區(qū)。因此,緩存命中率得以進(jìn)一步提升,對(duì)文件元數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的操作也可以在無鎖的情況下完成,降低了CPU開銷。請(qǐng)求隊(duì)列的存在也為進(jìn)一步的IO優(yōu)化提供了契機(jī)�？傊�,管理進(jìn)程通過為每個(gè)NVMe SSD分配一個(gè)同NUMA的工作線程,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔高效的請(qǐng)求處理。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)綜述[J]. 陸游游,舒繼武.  計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展. 2013(01)



本文編號(hào)：3403021