采用基树的磁盘阵列Cache技术研究

发布时间：2020-04-23 21:31

【摘要】： 随着信息科学技术的高速发展,人们对海量信息存储的需求日益增长。CPU的处理速度和存储设备I/O处理速度之间的差距越来越大,为了弥补这种处理速度的差异,在磁盘阵列中加入Cache来缓存并管理数据,尽可能减少读写磁盘的开销,缩短I/O请求的响应时间,从而提高存储系统的I/O性能。如何合理地组织与管理Cache,使其发挥最大的效益,一直以来成为存储界研究的热门课题。 合理的Cache组织和调度策略,是提高查找效率和命中率的关键。传统的基于哈希表的组织方式,存在碰撞问题,需要二次索引。采用基树组织Cache能够实现快速定位,缩短检索时间。在对众多Cache替换算法进行研究分析的基础上,选用了简单高效的最近最少使用替换算法(Least Recently Used,LRU),通过循环链表来分离读写Cache,并实现LRU调度策略。 Cache的预取技术是指根据数据访问的规律性,将未来可能访问到的数据块预先存放到Cache中,以提高数据访问的命中率,缩短I/O响应时间。在网络存储环境中,系统通常要处理多个用户请求,根据局部性原理,每个用户请求很可能集中在各自的连续区域,采用基于基树节点的预取算法,对预取区域进行合理规划,提高预取数据的命中率,减少无用数据的预取,进一步提高了存储系统的性能。 在SCSI目标端中间层SCST(SCSI Target mid-level)的基础上,综合使用多种Cache技术,设计并实现Cache的各个功能模块,并整合到iSCSI磁盘阵列的目标端驱动程序中。采用多种测试方法对加入Cache功能的磁盘阵列进行测试,结果表明,带有Cache功能的磁盘阵列的I/O性能在一定程度上得到提升。
【图文】：

图 2.1 双控制器磁盘阵列硬件结构Cache 空间位于控制器内存中，分成写 Cache 和读 Cache，数据同步的对象是写Cache，写 Cache 中的内容一旦发生更新，要进行数据同步操作，将更新的写 Cach数据完整传输到控制器 B 的写 Cache 中。当控制器 A 宕机时，控制器 B 接管 A 的工作。由于同步操作的实时进行，此时阵列配置信息和 Cache 中的内容都和控制器 A是一致的，可以顺利实现数据存取服务的切换。双控制器冗余配置是高端存储产品的特征，能够保证高可靠性同时增加 I/O 服务的吞吐能力，在控制器中良好的 Cache 设计，能够为数据同步操作提供有力支持。2.2 双控制器磁盘阵列的软件结构2.2.1 SCSI 目标端中间层SCSI 目标端中间层（SCSI target mid-level，SCST），是基于 Linux 操作系统下的SCSI 目标端中间层子系统，SCST 能够为各种类型的 SCSI 目标端驱动程序提供统一

图 2.4 双控制器的软件结构(2) SCSI 目标端中间层模块和块 I/O 处理模块（本段英文过多，修改为中文）这两个模块对应 SCST 的两个层次，由上一节可知，，Cache 模块位于块 I/O 层块 I/O 处理层还包括了 Cache 功能模块，Cache 功能模块负责对内存中的 Cache 空进行管理调度，块 I/O 处理层还要负责管理数据同步操作。(3) 阵列控制模块阵列控制模块工作在 Linux 内核中的 MD（Multiple Devices）层，MD 层包含种 RAID 算法的实现，获取目标端驱动程序发送的读写命令，根据 RAID 配置信息和相关的 RAID 算法，将针对 RAID 整体空间的命令参数，进行修改，得到数据单个磁盘上的位置和数据长度，再提交到 SCSI 中间层去执行。阵列控制模块对不级别的阵列进行管理，并且融合了很多 RAID 相关的功能，如命令分解，数据重构在线扩容等。(4) SCSI 中间层和 SATA 设备驱动
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP333.35

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本文编号：2638165