NVMe多流固态盘的流管理研究

发布时间：2020-03-20 07:47

【摘要】：非易失性内存主机控制器接口规范NVMe(Non-Volatile Memory express)提高了固态盘的性能。主机通过NVMe新引入的多流接口,将流管理策略产生的数据预期寿命等语义信息传递到固态盘,指引其合理地布局数据,从而减少垃圾回收时迁移的有效页数量,进而降低写放大。手动流管理策略需要熟悉应用的资深开发者根据其内部工作机制定制,依赖于特定应用。自动流管理策略根据请求的特性(逻辑地址的顺序性、访问频度、最近访问时间等)来预测数据的寿命,不依赖于具体应用而具有较好的扩展性。然而现有的自动流管理策略未考虑元数据与数据、不同类型的元数据、不同的数据之间的寿命差异,未考虑顺序性、随机性应用的写放大差异,未考虑固态盘支持的流的数量受限的问题。针对以上问题,提出一种基于内核态I/O(Input/Output)栈的混合自动流管理策略MixedStream,结合元数据类型与请求的逻辑地址特性,区分元数据与数据、不同类型的元数据、不同的数据之间的寿命差异。提出一种基于用户态I/O栈的自动流管理策略UStream,动态适应不同的应用程序,区分顺序性、随机性应用的写放大差异。引入虚拟流的概念,采用二次分流的方法解决固态盘支持的流的数量受限问题。第一次分流,MixedStream完成不同类型的元数据与数据到虚拟流的映射,而UStream完成顺序性与随机性应用的数据到虚拟流的映射。第二次分流,两种策略均根据虚拟流内数据/元数据的平均寿命,动态调整其与物理流的映射关系。完成实验验证。在自主研制的多流固态盘上的测试结果表明,相比于仅根据元数据类型制定的FStream以及仅根据请求的逻辑地址特性制定的AutoStream两种流管理策略,MixedStream写放大因子分别降低2.11%-6.64%和1.96%-7.56%,性能分别提高1.49%-4.61%与0.79%-5.11%;相比于AutoStream,UStream写放大因子降低8.03%-21.57%,性能提高5.88%-16.43%。
【图文】：

板卡,主控,芯片,固态盘

在自主研发的 DSAL4.0 平台上实现 NVMe 多流固态盘，测试并分析 MixedStream 的写放大因子与存储系统的性能。详细阐述两种流管理策略的测试负载、对比方案和测试方案；详细分析两种流管理策略的写放大因子、存储及开销等。实验平台阐述 MixedStream 与 UStream 两种流管理策略的测试平台即实验室自主研GA 的多流固态盘 DSAL4.0_SSD。阐述 DSAL4.0_SSD 的相关参数，阐述的主机端服务器及其相关参数，设计与实现多流固态盘 DSAL4.0_SSD 的闪L。.1 基于 FPGA 的多流固态盘平台现有的开源固态盘平台种类繁多。然而 MQSim[48]等模拟器平台只模拟了固

镁光,闪存,芯片

盘即 DSAL4.0_SSD。DSAL4.0_SSD 包含 FTL 模块、NVMe 主机接口模块等，不仅支持主机端内核态 I/O 栈和用户态 I/O 栈扩展，而且支持多流特性，还允许将 SSD 的内部资源暴露给主机即以 OpenChannelSSD 的方式与对应的主机端 I/O 栈通信。其中DSAL4.0_SSD 的数据/元数据及 NVMe 命令传输流程已在本文 2.3 节中详细阐述。表 5-1 DSAL4.0 主要参数及软硬件开发环境表相关参数配置开发板型号 xc7vx690tffg1930-2FPGA 型号 Virtex-7DRAM 容量 2GBBRAM 容量 68MbPCIe 接口 PCIe 3.0 x8主频 100MHz硬件开发环境 Xilinx Vivado2017.1软件开发环境 Xilinx SDK2017.1
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP333

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