閃存陣列構(gòu)建與優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)于存儲(chǔ)系統(tǒng)容量、性能、能耗和可靠性的要求越來(lái)越高，但是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中以磁盤(pán)為主的存儲(chǔ)系統(tǒng)性能與計(jì)算性能的差距卻越來(lái)越大。閃存具有非易失、性能高、功耗小、抗震性好等優(yōu)勢(shì)，利用其構(gòu)建閃存陣列為提高存儲(chǔ)系統(tǒng)容量、克服存儲(chǔ)性能瓶頸和增強(qiáng)存儲(chǔ)系統(tǒng)可靠性帶來(lái)了契機(jī)。雖然閃存或者基于閃存的固態(tài)盤(pán)與磁盤(pán)從構(gòu)造和訪(fǎng)問(wèn)方式上都有很大區(qū)別，但是現(xiàn)有構(gòu)建陣列的方法大多來(lái)源于磁盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)，沒(méi)有針對(duì)閃存的特性，不能很好地利用閃存的優(yōu)勢(shì)和改進(jìn)其不足。基于此

2、，本文針對(duì)閃存特點(diǎn)研究了閃存陣列構(gòu)建及優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)。首先研究了閃存固態(tài)盤(pán)的性能優(yōu)化技術(shù)；然后重點(diǎn)研究了基于固態(tài)盤(pán)的閃存陣列構(gòu)建及優(yōu)化技術(shù)。主要的工作及創(chuàng)新如下：
　　1)提出了一種擴(kuò)展閃存固態(tài)盤(pán)內(nèi)部并行層次的雙頁(yè)訪(fǎng)問(wèn)模式
　　閃存固態(tài)盤(pán)由很多閃存芯片組成，具有豐富的內(nèi)部并行，有效挖掘并利用這種并行是提升閃存固態(tài)盤(pán)性能的主要手段，也是固態(tài)盤(pán)具有比磁盤(pán)更好性能的重要原因之一。以往有很多研究從不同角度包括固態(tài)盤(pán)內(nèi)陣列組織、數(shù)據(jù)布

3、局、請(qǐng)求調(diào)度等來(lái)挖掘、利用固態(tài)盤(pán)內(nèi)的這種并行。然而，目前固態(tài)盤(pán)內(nèi)部的并行被限制在plane層面。我們?cè)趐lane層面并行的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展了固態(tài)盤(pán)的內(nèi)部并行層次，提出了可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)block中兩個(gè)頁(yè)的雙頁(yè)訪(fǎng)問(wèn)模式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，支持雙頁(yè)訪(fǎng)問(wèn)模式的固態(tài)盤(pán)，對(duì)I/O請(qǐng)求的平均響應(yīng)時(shí)間比不支持該模式的固態(tài)盤(pán)可以減少38％。
　　2)提出了面向閃存固態(tài)盤(pán)陣列構(gòu)建的半動(dòng)態(tài)條帶化方法
　　傳統(tǒng)的基于校驗(yàn)信息的獨(dú)立磁盤(pán)冗余陣列（Red

4、undant Array of Independent Disks, RAID）技術(shù)采用靜態(tài)條帶化方法，如果將其用在固態(tài)盤(pán)上，由于固態(tài)盤(pán)不能定點(diǎn)更新，隨機(jī)小寫(xiě)負(fù)載會(huì)給基于固態(tài)盤(pán)的陣列系統(tǒng)帶來(lái)更多寫(xiě)操作，嚴(yán)重制約系統(tǒng)性能并且損耗固態(tài)盤(pán)的壽命。而在磁盤(pán)陣列系統(tǒng)中提出的基于日志結(jié)構(gòu)的方法，通過(guò)動(dòng)態(tài)組織條帶可以減少由隨機(jī)小寫(xiě)造成的校驗(yàn)信息頻繁更新。但是，該動(dòng)態(tài)條帶化的方法需要一個(gè)目錄來(lái)記錄所有數(shù)據(jù)塊的位置，導(dǎo)致空間開(kāi)銷(xiāo)大，尋址效率低。本文提出了

5、一種半動(dòng)態(tài)條帶化方法，可以將對(duì)不同固態(tài)盤(pán)的連續(xù)或非連續(xù)的請(qǐng)求組織在一個(gè)條帶中，減少了校驗(yàn)信息的更新，同時(shí)保持了與靜態(tài)條帶化相同的尋址效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在隨機(jī)寫(xiě)為主的負(fù)載中，采用半動(dòng)態(tài)條帶化方法構(gòu)建的固態(tài)盤(pán)陣列相比傳統(tǒng)基于固態(tài)盤(pán)的陣列系統(tǒng)，平均響應(yīng)時(shí)間可以減少65%，固態(tài)盤(pán)的壽命可以延長(zhǎng)31%。
　　3)提出了基于閃存固態(tài)盤(pán)陣列的動(dòng)態(tài)冗余管理機(jī)制
　　Web、Mail等很多應(yīng)用的數(shù)據(jù)流中存在大量的冗余，當(dāng)前的閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)中廣

6、泛使用重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)來(lái)改進(jìn)寫(xiě)性能和提高固態(tài)盤(pán)的壽命；同時(shí)又采用以RAID為代表的冗余技術(shù)來(lái)改進(jìn)讀性能和增強(qiáng)可靠性。這兩種技術(shù)看似矛盾，卻又存在于同一個(gè)系統(tǒng)，不僅會(huì)造成管理的浪費(fèi)，甚至有可能相互制約而影響整個(gè)系統(tǒng)。針對(duì)該問(wèn)題，本文提出了R-Dedup，一種在閃存固態(tài)盤(pán)陣列系統(tǒng)中基于內(nèi)容感知的動(dòng)態(tài)冗余管理機(jī)制，通過(guò)評(píng)估系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能、可靠性、持久性和空間利用率動(dòng)態(tài)地管理系統(tǒng)中的副本數(shù)，以便更好地在這些需求間進(jìn)行權(quán)衡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相比傳統(tǒng)的閃

7、存陣列，采用了R-Dedup策略后，讀寫(xiě)性能最多可以提高18%和20%，固態(tài)盤(pán)的壽命可以延長(zhǎng)20%，而可靠性沒(méi)有損失。
　　4)提出了閃存固態(tài)盤(pán)陣列的盤(pán)間損耗均衡策略
　　閃存擦除次數(shù)有限，基于閃存的固態(tài)盤(pán)采用了損耗均衡機(jī)制使閃存中的某些block不會(huì)因?yàn)檫^(guò)早老化而導(dǎo)致容量下降。但是，在基于固態(tài)盤(pán)的閃存陣列中并沒(méi)有盤(pán)間的損耗均衡策略，這使得陣列中的某些固態(tài)盤(pán)會(huì)比另外一些更快地被損耗，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的可靠性和壽命。針對(duì)該問(wèn)題，本