磁盘阵列的模拟方法研究

发布时间：2020-08-08 18:29

【摘要】： 随着存储系统规模的不断增大,存储系统的访问性能、能量消耗及数据可靠性等问题变得越来越显著突出。为了针对上述问题提出有效的解决方案,研究者需要搭建不同结构的磁盘阵列进行研究。基于模拟方法的磁盘阵列研究具有成本低、搭建和更改灵活方便、研究周期短、并可以模拟真实环境难以搭建的磁盘阵列结构等优点被研究者广泛采用。本文着重研究磁盘阵列的模拟方法,并基于目前使用广泛的磁盘阵列模拟器提出磁盘阵列能耗的模拟方法、高容错磁盘阵列的模拟方法及高可靠性磁盘阵列的模拟方法。磁盘阵列的能量消耗一直是存储领域研究的热点,在保证不会降低磁盘阵列性能的前提下,研究者已经提出了多种磁盘能耗控制算法,力图通过降低磁盘转速,来达到有效降低磁盘阵列能耗的目的。本文基于磁盘阵列子系统的工作原理,提出一种能够模拟多种能耗控制算法的磁盘阵列模拟器,为磁盘阵列的能耗研究提供了试验平台。同时在此模拟器的基础上研究了I/O访问的长相关性对磁盘阵列性能及能耗的影响。研究表明,1)I/O访问的长相关性对磁盘阵列的性能影响不大,I/O访问的短相关性对磁盘阵列的性能影响很大。2)I/O访问的长相关性对磁盘阵列能耗的影响不大。磁盘阵列的数据可靠性同样也是存储领域研究的热点,近些年各种高容错纠删码以及其他高可靠性方案被相继提出。本文在可靠性方面进行了两种不同的研究,1)基于二进制矩阵编码技术提出一种高容错磁盘阵列的模拟方法,该模拟方法应用二进制矩阵编码技术作为输入参数,能够模拟各种基于异或操作的高容错磁盘阵列,为高容错磁盘阵列的研究提供了研究平台。同时本文还发现高容错磁盘阵列的写请求过程中,校验单元的更新会产生多余的I/O单元读取请求。针对这一问题,本文提出了两种解决途径,从研究结果可以看出基于整条带校验的更新机制能够在保证校验单元被正确更新的同时,有效提高了磁盘阵列的响应性能。2)提出一种高可靠性磁盘阵列的模拟方法,该模拟方法能够模拟磁盘数据扫描及内部磁盘冗余校验两种机制,为高可靠性的磁盘阵列研究提供了实验平台。同时还分析了不同高可靠性机制对磁盘阵列的纠错能力、响应性能及能耗的影响。从研究结果可以看出,交叉内部磁盘冗余校验机制为几种高可靠性机制中最好的,其次为机会扫描。
【学位授予单位】：辽宁师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP333
【图文】：

流程图,磁盘,流程,磁盘缓冲区

图2.1磁盘阵列子系统体系结构图在磁盘阵列子系统中，最重要的组成部分是磁盘，它对不同的请求类型会采用不同方式进行处理，磁盘设备处理请求的过程如图2.2所示。(l)当磁盘请求为读请求时，磁盘设备断开外部总线连接，开始进行寻道及旋转操作。磁臂定位到要读取的扇区后，磁盘控制器便将磁盘上的数据读入磁盘缓冲区中。当磁盘缓冲区被填满时，磁盘设备申请总线连接，将缓冲区的数据通过外部总线向设备驱动传输。如果读取的磁盘扇区比较多，可能会涉及到磁头切换，之后继续向总线传输数据。(2)当磁盘请求为写请求时，总线向磁盘缓冲区内写数据的过程与磁盘设备的寻道和旋转操作同时进行，磁盘定位到更新扇区后

磁盘阵列,磁盘,情况,多速

图3.1不同磁盘阵列模式下的磁盘能耗分布情况(R4，R5和R10分别对应RAID4，RAIDS和RAIDro三种磁盘阵列)〔，4]文献「14]的实验(图3.1)表明，磁盘阵列使用TPc一c及TPc一H两种应用Trace时，大部分时间均处于空闲(Idle)状态。为了解决单速磁盘消耗能量过多的问题，双速磁盘的TPM算法被提了出来。应用这种算法的磁盘只有在处理FO请求过程(active状态)中全速旋转，当磁盘空闲一段时间后，便降速到低速转速 (standby状态)下来节省能量。下一个请求到来时，磁盘立即恢复到全速状态处理磁盘请求。由于磁盘提速过程需要消耗大量的时间，而应用多速TPM算法的磁盘是在下一个磁盘请求已经到来的情况下才开始提速，因此多速TMP算法与单速TPM算法相比

磁盘,算法,情况,磁盘控制器

图3.2D即M算法中LO砰不外了值的变化情况I20]3.3磁盘能耗模拟的模拟方法磁盘处理请求的过程如图3.3所示，从图中可以看出，当内部磁盘请求到制器后，入磁盘队列和出磁盘队列之间消耗的时间便是一个内部磁盘请求的响这个过程涉及到磁盘寻道、磁盘扇区的读写及请求总线交互过程，除了总线操其他两个过程都是磁盘处理请求消耗的时间，也就是磁盘处于活跃状态的时间如果该磁盘控制器带有预取功能，那么在当前请求处理完成以后，还涉及到磁过程，该过程消耗的时间也是包含在磁盘活跃状态的时间中的。因此如图3.3分所示，磁盘活跃状态下消耗的时间，即磁盘寻道、扇区读取及当前请求处理预取时间。预取结束后直到下一个请求到达磁盘控制器之前，磁盘控制器所消即为空闲状态消耗的时间。因此，我们在模拟磁盘能耗时，也同样分为活跃状状态两种情况进行模拟。请请求到达达达达

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