發(fā)布時(shí)間：2017-06-30 12:00

  本文關(guān)鍵詞：基于SSD的HDD緩存系統(tǒng)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：云計(jì)算和大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來,對(duì)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)的容量和性能提出了非常高的要求。固態(tài)硬盤的出現(xiàn),從一定程度上滿足了這一需求,但在實(shí)際應(yīng)用中,固態(tài)硬盤對(duì)系統(tǒng)性能提升所能發(fā)揮的作用,并未得到完全釋放。固態(tài)硬盤,作為一種出現(xiàn)相對(duì)較晚的存儲(chǔ)介質(zhì),已經(jīng)逐漸被部署到數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)陣列中。相比于機(jī)械硬盤,固態(tài)硬盤有著體積小、功耗低以及訪問速度快的優(yōu)勢(shì)。但固態(tài)硬盤的高昂價(jià)格和相對(duì)較低的存儲(chǔ)密度,使其難以在短時(shí)間內(nèi)完全取代傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤。在許多存儲(chǔ)中心,同時(shí)部署著固態(tài)硬盤和機(jī)械硬盤,且只有部分存儲(chǔ)空間被用作存儲(chǔ)。筆者認(rèn)為,如果能將未使用的固態(tài)硬盤空間用作機(jī)械硬盤的緩存,系統(tǒng)IO性能將會(huì)因此而得到提升。針對(duì)固態(tài)硬盤和機(jī)械硬盤共存于數(shù)據(jù)中心,但性能卻沒有得到充分發(fā)揮這一現(xiàn)狀,本論文提出了一種基于固態(tài)硬盤的機(jī)械硬盤緩存系統(tǒng)解決方案:該方案使用固態(tài)硬盤的存儲(chǔ)空間作為機(jī)械硬盤的緩存,通過實(shí)現(xiàn)多種緩存管理算法,提升存儲(chǔ)系統(tǒng)的IO性能。解決方案中基于數(shù)據(jù)局部性原理的緩存管理算法,在系運(yùn)行過程中,會(huì)在冷數(shù)據(jù)保持不變的前提下,將訪問頻繁的熱數(shù)據(jù)由機(jī)械硬盤逐塊拷貝至固態(tài)硬盤,這樣會(huì)降低再次訪問熱數(shù)據(jù)的讀寫延遲。緩存系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了LRU、LFU以及一種論文改進(jìn)的緩存頁面替換算法。改進(jìn)的緩存頁面替換算法綜合考慮了緩存塊的訪問時(shí)間和訪問頻度因素,命中率高且算法時(shí)間和空間復(fù)雜度低。用戶利用配置工具,可指定哪個(gè)固態(tài)硬盤卷用作緩存空間、以及去緩存哪一塊機(jī)械硬盤。最終實(shí)現(xiàn)的Windows#174;存儲(chǔ)卷過濾器驅(qū)動(dòng)程序,提供寫穿和寫回兩種緩存運(yùn)行模式。兩模式的不同在于,寫穿模式只緩存讀請(qǐng)求,寫回模式既緩存讀又緩存寫請(qǐng)求。為進(jìn)一步優(yōu)化性能提升效果,緩存系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)超長(zhǎng)緩存塊的支持:支持大于讀寫請(qǐng)求對(duì)齊長(zhǎng)度的緩存塊。從而達(dá)到減少大尺寸讀、寫請(qǐng)求所所必須的緩存查詢次數(shù),提升數(shù)據(jù)拷貝效率的目的。論文實(shí)現(xiàn)的固態(tài)硬盤緩存系統(tǒng)不僅能夠充分發(fā)揮固態(tài)硬盤的性能,而且避免了存儲(chǔ)系統(tǒng)向全固態(tài)硬盤遷移所帶來的高昂成本。經(jīng)測(cè)試,由固態(tài)硬盤緩存的機(jī)械硬盤將會(huì)有2-3倍的讀寫性能提升。
【關(guān)鍵詞】：固態(tài)磁盤 機(jī)械硬盤 緩存系統(tǒng) 混合存儲(chǔ) 數(shù)據(jù)局部性原理 緩存頁替換算法
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TP333
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 縮略語對(duì)照表10-14
• 第一章 緒論14-18
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 相關(guān)研究工作15-17
• 1.3 全文組織結(jié)構(gòu)17-18
• 第二章 背景技術(shù)簡(jiǎn)介18-28
• 2.1 存儲(chǔ)介質(zhì)簡(jiǎn)介18-22
• 2.1.1 機(jī)械硬盤（HDD）18-19
• 2.1.2 固態(tài)硬盤（SSD）19-20
• 2.1.3 機(jī)械硬盤與固態(tài)硬盤的比較20-22
• 2.2 存儲(chǔ)系統(tǒng)緩存技術(shù)22-24
• 2.2.1 緩存的特點(diǎn)22
• 2.2.2 緩存的工作原理22-23
• 2.2.3 緩存數(shù)據(jù)替換算法23
• 2.2.4 緩存系統(tǒng)存在的目的23-24
• 2.3 混合存儲(chǔ)系統(tǒng)24-25
• 2.3.1 基于DRAM與機(jī)械硬盤的混合存儲(chǔ)24-25
• 2.3.2 基于NVRAM與機(jī)械硬盤的混合存儲(chǔ)25
• 2.3.3 基于高低轉(zhuǎn)速磁盤的混合存儲(chǔ)25
• 2.3.4 基于固態(tài)硬盤和機(jī)械硬盤的混合存儲(chǔ)25
• 2.4 緩存算法評(píng)估25-28
• 第三章 關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)28-44
• 3.1 IO捕獲28-31
• 3.1.1 Windows驅(qū)動(dòng)程序模型（WDM）28-29
• 3.1.2 IRP和驅(qū)動(dòng)程序堆棧29-30
• 3.1.3 驅(qū)動(dòng)程序分發(fā)函數(shù)30
• 3.1.4 存儲(chǔ)卷過濾器驅(qū)動(dòng)30-31
• 3.2 緩存頁面替換算法31-34
• 3.2.1 基于訪問時(shí)間的LRU（Least Recently Used）系列替換算法32
• 3.2.2 基于使用頻度的LFU（Least Frequently Used）系列替換算法32-33
• 3.2.3 綜合考慮時(shí)間和訪問頻度的替換算法33-34
• 3.3 緩存映射策略34-37
• 3.4 緩存索引數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)37-40
• 3.4.1 單級(jí)有序索引38
• 3.4.2 多級(jí)有序索引38
• 3.4.3 B+ 樹索引38-40
• 3.5 回寫策略40-44
• 3.5.1 寫穿法（Write Through）40
• 3.5.2 寫回法（Write Back）40-42
• 3.5.3 寫一次法（Write Once）42-44
• 第四章 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)44-62
• 4.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)44-45
• 4.2 緩存算法通用接45-53
• 4.2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)46-47
• 4.2.2 外部函數(shù)接47-51
• 4.2.3 內(nèi)部函數(shù)接51-53
• 4.3 IO操作捕獲函數(shù)邏輯53-57
• 4.3.1 默認(rèn)分發(fā)函數(shù)53
• 4.3.2 電源事件分發(fā)函數(shù)53-54
• 4.3.3 IOCTL分發(fā)函數(shù)54
• 4.3.4 PnP事件分發(fā)函數(shù)54-56
• 4.3.5 讀寫分發(fā)函數(shù)56-57
• 4.4 對(duì)超長(zhǎng)緩存塊的支持57-59
• 4.5 用戶配置工具59-62
• 第五章 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析62-70
• 5.1 測(cè)試平臺(tái)62
• 5.2 測(cè)試方法62-64
• 5.2.1 系統(tǒng)正確性驗(yàn)證62
• 5.2.2 系統(tǒng)性能測(cè)試62-64
• 5.3 測(cè)試結(jié)果64-67
• 5.3.1 緩存命中率64-65
• 5.3.2 寫穿（Write Through）模式下的測(cè)試結(jié)果65-66
• 5.3.3 寫回（Write Back）策略時(shí)的測(cè)試結(jié)果66-67
• 5.4 結(jié)果討論67-70
• 5.4.1 HDD性能提升比例67
• 5.4.2 與商業(yè)軟件比較67-70
• 第六章 總結(jié)與展望70-72
• 6.1 全文總結(jié)70-71
• 6.2 研究展望71-72
• 參考文獻(xiàn)72-75
• 致謝75-76
• 作者簡(jiǎn)介76-77

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