基于SSD的多层次存储结构关键技术研究

发布时间：2019-02-19 18:15

【摘要】：随着大数据时代的来临,整个计算机系统对存储子系统的要求越来越高,基于磁盘的存储系统在性能、功耗等方面的缺陷更加突出。近年来,由于制作工艺的进步,闪存(Flash Memory)的存储密度不断提高,单位容量的价格逐步下降。闪存具有高性能、低功耗、非易失、质量轻、抗震动等优点。基于闪存的固态盘(Solid State Drive,SSD)已应用于大规模存储领域,正处于快速普及阶段,使存储系统滞后于计算系统的局面有所改观。但是,目前SSD的成本相对较高,而磁盘的容量会继续增大、价格还有进一步降低的广阔空间,SSD在短期内不可能完全取代磁盘。于是,工业界纷纷将SSD融入基于磁盘的存储系统中。由于闪存具有非定点更新、寿命有限等缺陷,融入SSD的存储系统存在大量的研究问题。本文针对基于SSD的多层次存储系统,研究了SSD内部结构优化、可感知SSD多通路特性的缓存替换策略、基于SSD的大容量缓存和基于DRAM和SSD的混合主存结构。本文的主要工作及创新点如下:(1)设计了一种基于页-块映射的低延迟闪存转换层机制目前,在大规模存储系统中使用闪存的主流方案是将闪存芯片封装成兼容于磁盘系统的SSD。SSD的控制核心是闪存转换层(Flash Translation Layer,FTL)。FTL用来屏蔽闪存的非定点更新、寿命有限等特性,它包含地址映射、垃圾回收、损耗均衡等几个重要模块。其中,垃圾回收操作会显著增加用户请求的响应延迟。现有的FTL对闪存中包含多个页面(Page)的块(Block)整体作垃圾回收时,首先要迁移该块中数据仍然有效的多个页面,再将块整体擦除,导致用户请求长时间的被阻塞。本文提出的PBFTL(Page-to-Block Mapping FTL)机制为每个更新的页面分配一个专用的更新块,每个更新块中最多包含一个有效页面。PBFTL对这些块作垃圾回收时,要么仅迁移该块中一个页面,要么仅擦除该块,只有对少数块的垃圾回收同时需要迁移和擦除操作,所以PBFTL可以有效减少垃圾回收对用户请求造成的长时间阻塞。与现有的几种经典FTL相比,PBFTL能够使读写延迟平均降低15%。(2)提出了一种能够感知SSD多通路特性的缓存替换策略当前存储系统采用的缓存替换策略主要面向磁盘,很少针对SSD作优化。SSD内部包含多个并行通路,通路间的负载可能是不均衡的,从而导致各通路的响应时间不一致。本文提出一种能够表征各通路忙闲程度的量化指标,并根据该指标设计一种感知SSD内部各通路忙闲程度的缓存替换策略SAC(SSD-Aware Cache)。SAC优先淘汰来自空闲通路的数据,因为这些数据一旦被再次访问可迅速从SSD重新获取;来自繁忙通路的数据受到重点保护,因为重新获取这些数据的延迟相对较大。实验表明,SAC在主存中取得的命中率与传统缓存替换策略相当,但能够显著降低SSD的平均读写延迟,所以能够提高整个存储系统的性能。(3)提出了一种基于热点数据识别的长寿命SSD缓存设计方法SSD充当磁盘系统的缓存时,其有限的寿命会很快耗尽。实际上,大量冷数据进入缓存后并不被再次访问,反而会降低SSD缓存的寿命和命中率。本文提出了一种热点数据识别机制将冷数据排除在缓存之外。该热点数据识别机制首先设计一种内存开销很低的数据结构UCBF(Ultra Counting Bloom Filter),用以计算数据的访问热度;然后维护一个可随负载动态调节的阈值,热度低于该阈值的数据不允许进入SSD缓存。实验表明,当这种热点数据识别机制应用到SSD缓存中时,SSD的寿命延长6倍以上,缓存命中率提高超过10%。(4)设计了一种面向SSD缓存替换策略的低内存开销数据结构将SSD作为磁盘系统的缓存时,由于SSD容量巨大,这种缓存采用的替换策略引入极大的内存开销。本文设计一种新的数据结构,以很低的内存开销实现基于LRU队列的所有缓存替换策略。该数据结构采用一个FIFO队列和一个Bloom Filter实现LRU队列的功能。其中,FIFO队列保存在SSD上,不占用内存空间;Bloom Filter保存在内存中,但内存开销很低。该Bloom Filter需要具备元素删除功能,所以本文还提出一种能够保证空间效率、同时支持元素删除的Bloom Filter。实验表明,利用本文提出的数据结构可将缓存替换策略的内存开销降低10倍左右。(5)提出了基于文件访问模式的混合主存性能优化方法大数据处理对主存容量要求很高,而DRAM在容量、功耗、价格等方面不能满足大容量主存的需求。SSD在带宽与吞吐率方面与DRAM比较接近,可用作DRAM的扩展。但是,SSD与DRAM的延迟差距较大。本文提出一种基于访问模式的预取策略,在数据被访问前将其从SSD预取到DRAM中,从而降低SSD的高延迟对应用程序的影响。当DRAM中空闲空间有限时,访问规律较强的数据被优先淘汰出来。这些数据一旦再次访问,可从SSD快速而准确地预取到DRAM。实验表明,本文提出的预取和替换策略能够保证90%以上的用户I/O请求由DRAM响应,SSD的高延迟对应用程序的影响较小。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP333

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