一种基于SSD的缓存策略设计与实现

发布时间：2019-09-22 01:07

【摘要】：传统的缓存策略主要基于内存缓存，采用读写速度作为最终目标，随着固态硬盘SSD的出现，传统的缓存设计思路不再适用，由于固态硬盘存储介质Flash的读写特性以及擦写次数限制，如果将传统的缓存设计方案直接应用于SSD中，不仅不会取得理想的效果，还会造成固态硬盘寿命的快速耗尽。如果能够在设计缓存策略的同时尽可能考虑到固态硬盘的特性，就可以在不影响其使用寿命的前提下发挥固态硬盘的最大作用。基于SSD的自适应开销敏感型缓存策略充分考虑到了固态硬盘本身的特性，结合传统缓存策略的设计思路，最大化发挥了固态硬盘的作用。其核心机制为内存缓存基于访问模式的动态调整能力以及高效的热数据选取算法，考虑到磁盘的读写性能以及SSD的读写性能差异，将内存缓存区分为读区和写区，通过对当前访问模式的分析，动态的调整读写区大小以适应当前的使用场景，在选取热数据的过程中，在不增加空间复杂度的情况下，使热数据选取的时间复杂度降为最低。在热数据迁移过程中，考虑到数据迁移对系统服务的影响，并不单独进行迁移，而是将热数据迁移分散到各个读写请求处理完成之后进行，避免了热数据选取和数据迁移带来的性能影响。对基于SSD的自适应开销敏感型缓存策略进行了测试。测试结果表明，基于SSD的自适应开销敏感型缓存策略能够根据当前的访问模式作出动态调整，降低系统的响应时间。同时，对随机情况下系统的读写性能进行了测试，结果表明，基于SSD的缓存策略读写性能均有很大提升，其中读性能的提升更加明显。此外，在SSD的写次数上，在相同的系统中采用基于SSD的自适应开销敏感型缓存策略明显低于传统缓存策略，，有效延长了SSD的使用寿命。
【图文】：

内核层,缓存策略,硬盘,块设备

本文设计的基于 SSD 的 ACA 缓存策略基于 flashcache 混合存储系统实现。flashcache 是 facebook 技术团队开发的新开源项目，主要目的是用 SSD 硬盘来缓存数据以加速 MySql 的一个内核模块。最初主要用于数据库加速，但同时它也被作为通用的缓存策略而设计，能够用于任何搭建在块设备上的应用程序。工作原理：基于 Device Mapper 机制，将快速的 SSD 固态硬盘和普通的硬盘映射成一个带缓存的逻辑块设备，作为用户操作的接口。用户直接对这个逻辑设备执行读写操作，而不是对底层的 SSD 或者普通磁盘进行操作。如果对底层的这些块设备操作，那么会失去作为一个整体提供的缓存功能。mapped device 通过映射表和三个 target device 建立了映射关系，而 target device可能是单独的存储设备，也可能是通过 mapped device 演化过来，通过映射表和下一层的 target device 建立映射关系，如图 3.1 所示。

读写速度,缓存策略

图 4.2 随机情况下的读写速度对比从图 4.2 可以看出，在随机读情况下，从块大小为 128KB 开始，ACA 缓存策略的性能优势开始体现，虽然在块大小为 2M 的时候，速度出现波动，小于 flashcacheLRU 算法，但是整体的曲线走势还是优于 flashcache lru。在随机写情况下，在块大小为 32KB 时，ACA 缓存策略的写速度开始超过 LRU 算法，并且总体走势一直处于Flashcahe lru 算法之上。本文设计的缓存策略，由于在实现时大部分情况下 SSD 只是作为读缓存使用，只是在热点数据更新时才会对 SSD 进行写操作，因此相比与 flashcache，其写次数大大降低，有效延长了 SSD 的使用寿命。4.3 本章小结本章对基于 SSD 的自适应开销敏感型缓存策略进行了测试，主要测试其读写性能并与 flashcache 混合系统系统自带的 LRU 缓存算法进行了对比。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP333

【参考文献】